董偉偉，麥燕午

(葛洲壩集團(tuán)試驗(yàn)檢測有限公司,宜昌 443002)

公路和鐵路為人民日常出行提供了很大的便利，尤其對于山區(qū)而言，公路和鐵路是將其與外界連接的重要通道。在山區(qū)修建公路和鐵路比在平原地區(qū)難度更大，因其面對的地形、地質(zhì)條件等更加復(fù)雜[1]。例如，為了使線路盡可能平順，保障行車速度，往往需要架橋或者修建隧道，因而山區(qū)公路和鐵路的橋隧比一般都很高[2]。面對復(fù)雜的環(huán)境，快速識(shí)別相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)因素是保證橋梁及隧道建設(shè)及服役安全的重要前提。如隧道建設(shè)常出現(xiàn)的溶洞、涌水突泥等災(zāi)害與圍巖等級(jí)、巖體發(fā)育特征等息息相關(guān)[3]。如何快速、準(zhǔn)確地識(shí)別或者預(yù)報(bào)災(zāi)害源是保證隧道建設(shè)及運(yùn)營安全的關(guān)鍵。

為保障隧道建設(shè)的安全，隧道施工時(shí)工程人員迫切想掌握掌子面前方的地質(zhì)情況，隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。常見的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法主要有：以TSP等設(shè)備為代表的地震波法[4]、以地質(zhì)雷達(dá)為代表的電磁波法[5]、以激發(fā)極化為代表的電法等[6]。這些方法適用場景各不相同，為獲取地層巖性、結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀、富水巖層、斷層、溶洞等地質(zhì)信息提供了便利，也為隧道的安全施工提供了重要保障。

研究依托位于湖北宜昌山區(qū)的槐樹店隧道實(shí)體工程開展超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作。地下與地表水對可溶性巖石不斷溶蝕、沉淀形成的喀斯特地貌廣泛分布于湖北宜昌山區(qū)。因此，針對宜昌山區(qū)新建隧道開展超前地質(zhì)預(yù)報(bào)時(shí)，非常重要的一項(xiàng)任務(wù)就是及時(shí)探明掌子面前方是否有溶洞的存在。大量研究表明地質(zhì)雷達(dá)法對隧道巖溶地層的溶洞與巖溶水、破碎帶等有較好的識(shí)別能力。因此，采用地質(zhì)雷達(dá)法對位于湖北宜昌山區(qū)的槐樹店隧道開展超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作。

1 工程介紹

新建當(dāng)陽至遠(yuǎn)安支線鐵路槐樹店隧道段位于湖北省宜昌市遠(yuǎn)安縣洋坪鎮(zhèn)，起止里程為DK54+540～DK57+440，隧道全長2 900 m，最大埋深312 m，其中Ⅲ級(jí)圍巖1 090 m，IV級(jí)圍巖1 540 m，V級(jí)圍巖270 m；隧道進(jìn)口采用端墻式洞門，出口采用環(huán)框式洞門；進(jìn)口內(nèi)軌設(shè)計(jì)標(biāo)高271.748 m，出口內(nèi)軌設(shè)計(jì)標(biāo)高299.360 m。全隧道共設(shè)置洞室96處，其中小避車洞室77處，大避車洞室11處，弱電設(shè)備洞室2處。

2 預(yù)報(bào)原理

地質(zhì)雷達(dá)法(GPR)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)主要是基于掌子面前方不同介質(zhì)的電性(介電性和導(dǎo)電性)差異實(shí)現(xiàn)的，其包括兩個(gè)主要的階段：向巖體發(fā)射高頻電磁波，再接收和解析介質(zhì)反射的電磁波，如圖1所示。具體的實(shí)現(xiàn)過程為：由發(fā)射天線將高頻電磁脈沖波送入掌子面前方巖體，當(dāng)高頻電磁脈沖波在傳播過程中遇到不同目標(biāo)體(斷層、空洞等)的電性介面時(shí)，部分反射回來的電磁波被接收器所接收、記錄，并獲取電磁波從發(fā)射到反射回來被接收所用的時(shí)間，當(dāng)電磁波在介質(zhì)中的傳播速度已知時(shí)，即可確定目標(biāo)體的位置。因此，地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)是由已知條件推斷未知情況的一種方法。

電磁波在介質(zhì)中的傳播速度主要由介質(zhì)的相對介電常數(shù)決定，電磁波在傳播過程中，當(dāng)遇到不同的波阻抗界面時(shí)，將產(chǎn)生反射波和折射波，反射波能量大小取決于反射系數(shù)R，計(jì)算式如式(1)所示，ε1、ε2分別為反射界面前后介質(zhì)的介電常數(shù)。反射系數(shù)的大小取決于介質(zhì)的介電常數(shù)差異，差異越大，反射系數(shù)越大，則越容易被地質(zhì)雷達(dá)探測到。巖體的介電常數(shù)一般為4～8，水的介電常數(shù)為81，空氣的介電常數(shù)為1。

(1)

3 數(shù)據(jù)采集及處理過程

預(yù)報(bào)里程范圍為DK54+732～DK54+762，長度30 m，采用的主要設(shè)備為MALA ProEx型地質(zhì)雷達(dá)。數(shù)據(jù)采集工作包括4個(gè)步驟：掌子面測線布置、儀器調(diào)試、雷達(dá)參數(shù)設(shè)置、激發(fā)并接收數(shù)據(jù)，具體實(shí)施過程為：選取距離隧道底部5 m左右的水平線作為掌子面測線；將天線與雷達(dá)主機(jī)連接，啟動(dòng)設(shè)備，檢查設(shè)備狀況；在開始采集前，為了提高精度，要進(jìn)行雷達(dá)參數(shù)的設(shè)置，根據(jù)實(shí)際情況選擇采樣頻率等參數(shù)；數(shù)據(jù)采集采用人工點(diǎn)測的方式，沿事先布置好的測線移動(dòng)雷達(dá)設(shè)備，逐點(diǎn)激發(fā)并收集。地質(zhì)雷達(dá)采集數(shù)據(jù)的處理步驟則主要包括去失真處理、水平信號(hào)去除、靜校正、增益、帶通濾波、二維濾波等。

4 結(jié)果分析

通常采用波形圖表示雷達(dá)圖像，如圖2左側(cè)。但當(dāng)采用探地雷達(dá)進(jìn)行連續(xù)測量時(shí)，由于采集的電磁脈沖數(shù)非常多，繼續(xù)采用波形圖則難以清晰表述雷達(dá)圖像特征，此時(shí)可將波形圖轉(zhuǎn)換為灰度圖，如圖2右側(cè)。波形圖轉(zhuǎn)換為灰度圖的具體原理為：將沒有反射信號(hào)的區(qū)域描繪為灰色，表示這些區(qū)域的反射信號(hào)振幅弱，沒有有效反射。將反射界面的波谷相位描繪為黑色，波峰相位描繪為白色，即用黑色和白色表述出了信號(hào)的相位；黑色和白色的強(qiáng)度表述出了信號(hào)的振幅，即越黑或越白就表示振幅越強(qiáng)，該處的反射信號(hào)越強(qiáng)。

樁號(hào)DK54+732～DK54+762的區(qū)段范圍對應(yīng)的地質(zhì)雷達(dá)剖面波形圖和灰度圖分別如圖3和圖4所示。具體來看，在掌子面前方0～200 ns的區(qū)段內(nèi)(電磁波波速0.1 m/ns，視深度0～10 m)，對應(yīng)樁號(hào)DK54+732～DK54+742的范圍，電磁反射波振幅較小，頻率以中高頻為主，結(jié)合地勘資料推測該區(qū)段圍巖與掌子面相近。

在掌子面前方200～420 ns的區(qū)段內(nèi)(電磁波波速0.1 m/ns，視深度10～21 m)，對應(yīng)樁號(hào)DK54+742～DK54+753的范圍，掌子面前方有多組明顯的電磁反射波，同相軸局部連續(xù)，振幅較強(qiáng)，頻率中等偏低。結(jié)合地勘資料，初步判斷此區(qū)段圍巖較掌子面變差，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎。且在DK54+745～DK54+753區(qū)段，有溶洞發(fā)育，溶洞邊界非常清晰；溶洞首先在掌子面右側(cè)揭露，且該溶洞可能有水填充，開挖至該樁號(hào)附近時(shí)應(yīng)注意防范突水突泥等地質(zhì)災(zāi)害。

在掌子面前方420～600 ns的區(qū)段內(nèi)(電磁波波速0.1 m/ns，視深度21～30 m)，對應(yīng)樁號(hào)DK54+753～DK54+762的范圍，電磁反射波振幅較小，頻率以中高頻為主，推測該段圍巖較前段圍巖完整性稍好。

結(jié)合槐樹店隧道具體開挖情況來看，基于地質(zhì)雷達(dá)的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)果與實(shí)際情況一致。進(jìn)口掌子面開挖至DK54+745時(shí)，掌子面右側(cè)揭露一溶洞，溶洞中有股狀水流，溶洞揭露部分寬度約3.5 m。

5 結(jié) 論

考慮到宜昌山區(qū)多為巖溶地質(zhì)構(gòu)造，采用對巖溶地層溶洞與巖溶水具有較好識(shí)別能力的地質(zhì)雷達(dá)方法，對新建當(dāng)陽至遠(yuǎn)安支線鐵路槐樹店隧道DK54+732～DK54+762里程段進(jìn)行了超前地質(zhì)預(yù)報(bào)。結(jié)果表明，地質(zhì)雷達(dá)法在預(yù)報(bào)溶洞災(zāi)害等方面具有優(yōu)勢，成功預(yù)判槐樹店隧道掌子面前方DK54+745～DK54+753區(qū)段存在溶洞。