賈金曉，曾知法

（招商局重慶公路工程檢測(cè)中心有限公司，重慶 400000）

引言

近年來(lái)，在巖溶發(fā)育的湖北、廣西、云南等地區(qū)的隧道工程在建設(shè)過(guò)程中經(jīng)常遭遇巖溶涌水、突泥等地質(zhì)災(zāi)害，誘發(fā)了多起施工安全事故。巖溶填充物類(lèi)型復(fù)雜，根據(jù)巖溶充填物特征可將巖溶進(jìn)行分類(lèi)（表1），不同充填物下電磁波反射特征不同，可以為地質(zhì)雷達(dá)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)分析巖溶構(gòu)造充填特征提供指導(dǎo)。地質(zhì)雷達(dá)電磁波法基于其高效、簡(jiǎn)便、精確度高、采集環(huán)境要求低等優(yōu)點(diǎn)具有顯著優(yōu)勢(shì)，在巖溶區(qū)預(yù)報(bào)中應(yīng)用廣泛。多位專家學(xué)者通過(guò)案例分析或正演模擬的方法對(duì)含水巖溶的電磁波反射特征進(jìn)行了研究。其中，溫世儒、楊曉華等以廣西六寨至宜州高速公路40座公路隧道為依托研究了巖溶區(qū)不同含水率破碎圍巖電磁波回波中心頻率及分布范圍[1]。劉偉、周斌等對(duì)不同性質(zhì)充填溶洞進(jìn)行了地質(zhì)雷達(dá)正演實(shí)驗(yàn)研究，分析了泥漿充填溶洞的電磁波的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特征[2]。劉坤、巨能攀等分析了地質(zhì)雷達(dá)在不同介質(zhì)填充下的頻譜差異，得到了混合型充填溶洞、空溶洞、富水破碎帶的主頻值[3]。對(duì)巖溶進(jìn)行準(zhǔn)確定位及充填物特征判斷仍是地質(zhì)雷達(dá)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的難題。

表1 巖溶分類(lèi)

本文通過(guò)案例分析，研究了較完整灰?guī)r中泥水混合物充填型巖溶的電磁波回波特征及頻譜特征，得出了較完整灰?guī)r的介電常數(shù)?？梢詾檩^完整灰?guī)r中地質(zhì)雷達(dá)超前預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)巖溶構(gòu)造的充填物類(lèi)型及巖溶構(gòu)造定位提供依據(jù)。

1 工程概況

廣西某隧道穿越二疊系上統(tǒng)長(zhǎng)興組-吳家坪組(P2c—P2w)灰?guī)r地層。隧道沿線地表由無(wú)數(shù)個(gè)巖溶個(gè)體形態(tài)組合而成的地貌形成調(diào)查區(qū)獨(dú)特的巖溶地貌。其中巖溶洼地、巖溶漏斗、落水洞是隧道范圍內(nèi)峰叢洼地谷地的負(fù)地形，洼地大小不一，以橢圓形為主，洼地中發(fā)育一個(gè)或多個(gè)落水洞，落水洞與地下河相連，成為洼地下部地下河的主要補(bǔ)給通道。隧道沿線地表水不發(fā)育。地下水主要為賦存于第四系覆蓋層中的孔隙水及巖溶水。擬建線路位于箱狀折斷區(qū)東翼的向斜區(qū)，該折斷區(qū)構(gòu)造方向?yàn)槟媳毕蚧騼H于南北向，與隧道走向基本一致。

在隧道施工過(guò)程中，分別在左線ZK17+025.6部位、右線YK17+028部位揭露了泥水混合物充填型巖溶構(gòu)造。

2 研究方法

施工過(guò)程中，利用地質(zhì)雷達(dá)超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)進(jìn)行跟蹤探測(cè)，采集探測(cè)區(qū)域電磁波回波數(shù)據(jù)。對(duì)開(kāi)挖揭露的泥水混合物充填型巖溶電磁波回波特征及頻譜特征進(jìn)行分析，查明此類(lèi)填充物巖溶構(gòu)造的電磁波反射特。根據(jù)開(kāi)挖揭露的巖溶構(gòu)造前端與掌子面的距離，計(jì)算出前段圍巖的介電常數(shù)。探測(cè)時(shí)采用SIR-4000型地質(zhì)雷達(dá)配100MHz天線，在掌子面布置水平測(cè)線，以點(diǎn)測(cè)方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，點(diǎn)距不大于20cm。利用RADAN后處理分析軟件對(duì)波形及頻譜進(jìn)行分析。

2.1 地質(zhì)雷達(dá)電磁波法及其適用條件

地質(zhì)雷達(dá)電磁波法以脈沖形式向地下發(fā)送高頻寬帶電磁波，電磁波在地下介質(zhì)傳播過(guò)程中，當(dāng)遇到存在電性差異的目標(biāo)體時(shí)，比如空洞、分界面時(shí)，電磁波便發(fā)生反射，反射信號(hào)由接收天線接收。對(duì)接收到的電磁波進(jìn)行信號(hào)處理和分析，根據(jù)信號(hào)波形、強(qiáng)度、雙程走時(shí)等參數(shù)來(lái)推斷地下目標(biāo)體的空間位置、結(jié)構(gòu)、電性及幾何形態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)地下目標(biāo)體的探測(cè)[4]。電磁波在巖土體中傳播時(shí)，巖土體中不同介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)對(duì)電磁波的波長(zhǎng)、波速和反射系數(shù)影響很大[5]。

電磁波在介質(zhì)中旅行距離（h）與時(shí)長(zhǎng)（t）、波速（v）及介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)YεY關(guān)系見(jiàn)公式1，如下：

其中c為真空中電磁波傳播速度，約等于3×108m/s。

自然界中所遇到的干燥巖體皆為高阻低導(dǎo)介質(zhì)：δ＜10-7S/m，≤1，電磁波的衰減常數(shù)（α）與頻率（ω）和電導(dǎo)率（δ）成正比。電磁波在兩種不同物質(zhì)中的反射系數(shù)可簡(jiǎn)化為：

其中Ri表示反射系數(shù)，ε1表示第一層物質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)，ε2表示第二層物質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)。反射波的相位可以判斷兩側(cè)的介質(zhì)的相對(duì)性質(zhì)，其能量的大小來(lái)可判斷定量判斷反射界面兩側(cè)差異的大小。

在地下物體中，一般包含：各類(lèi)巖石、土壤、水、空氣等物質(zhì)。其中空氣是自然界中電阻率最大而介電常數(shù)最小（介電常數(shù)為1）的物質(zhì)，電磁波速最高，衰減最小。水是自然界中介電常數(shù)最大（介電常數(shù)為81）的物質(zhì)，電磁波速最低。干燥的巖石、土和混凝土的電磁參數(shù)差異不大，基本上多數(shù)屬于高阻介質(zhì)，介電常數(shù)為4—9，屬中等波速介質(zhì)。由此，當(dāng)電磁波從巖石中進(jìn)入含水腔體中會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈反射。

3 結(jié)果與討論

3.1 案例1

3.1.1 掌子面及巖溶構(gòu)造情況

圍巖為中風(fēng)化灰?guī)r，錘擊聲較清脆，較堅(jiān)硬；巨厚層狀結(jié)構(gòu)，巖層產(chǎn)狀約為72°/SE∠52°，節(jié)理裂隙發(fā)育1—2組，圍巖較完整；地下水不發(fā)育，圍巖自穩(wěn)能力較好。

隧道左線在開(kāi)挖至ZK17+025.6時(shí)揭露巖溶構(gòu)造，巖溶構(gòu)造受巖體節(jié)理裂隙控制形態(tài)多為溶蝕管道，交錯(cuò)發(fā)育；填充物形態(tài)為流動(dòng)性較強(qiáng)的泥水混合物，瞬時(shí)突水涌泥量約達(dá)80m3。揭露巖溶構(gòu)造前，本次雷達(dá)探測(cè)區(qū)間內(nèi)圍巖與探測(cè)時(shí)掌子面情況一致，現(xiàn)場(chǎng)情況見(jiàn)下圖1—2。

圖1 巖溶初步揭露情況

圖2 揭露后溶腔形態(tài)

3.1.2 電磁波反射特征分析

在圖3中，電磁波通過(guò)完整灰?guī)r與巖溶構(gòu)造分界面時(shí)發(fā)生強(qiáng)反射；波形呈同相軸形態(tài)，連續(xù)性較好；波幅明顯變寬；反射前端界面子波相位發(fā)生變化，為負(fù)相位；發(fā)生反射時(shí)，電磁波旅行時(shí)常為323ns，旅行距離約為17m（根據(jù)實(shí)際情況測(cè)得），根據(jù)公式1可以得到較完整灰?guī)r的相對(duì)介電常數(shù)約為8.12。圖4中，異常區(qū)頻譜特征表現(xiàn)為：回波中心頻率分布范圍在44.7—124.2Mhz，主頻約為84.46Mhz。

圖3 地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)回波圖

圖4 異常區(qū)頻譜特征

3.2 案例2

3.2.1 掌子面及巖溶構(gòu)造情況

圍巖為中風(fēng)化灰?guī)r，錘擊聲較清脆，較堅(jiān)硬；巨厚層狀結(jié)構(gòu)，巖層產(chǎn)狀約為70°/SE∠55°，節(jié)理裂隙發(fā)育1—2組，圍巖較完整；地下水不發(fā)育，圍巖自穩(wěn)能力較好。

隧道右線在掘進(jìn)至YK17+028時(shí)揭露巖溶構(gòu)造，巖溶構(gòu)造形態(tài)為垂向發(fā)育上大下小漏斗型溶腔；填充物形態(tài)為流動(dòng)性較強(qiáng)的泥水混合物。揭露巖溶構(gòu)造前，本次雷達(dá)探測(cè)區(qū)間內(nèi)圍巖與探測(cè)時(shí)掌子面情況一致，現(xiàn)場(chǎng)情況見(jiàn)下圖5—6。

圖5 巖溶初步揭露情況

3.2.2 電磁波反射特征分析

在圖7中，電磁波通過(guò)完整灰?guī)r與巖溶構(gòu)造分界面時(shí)發(fā)生強(qiáng)反射；受巖溶構(gòu)造形態(tài)影響，波形呈局部同相軸形態(tài)，同相軸局部連續(xù)；波幅明顯變寬；反射前端界面子波為負(fù)相位；發(fā)生反射時(shí)，電磁波旅行時(shí)常為435ns，旅行距離約為23.6m（根據(jù)實(shí)際情況測(cè)得），根據(jù)公式1可以得到較完整灰?guī)r的相對(duì)介電常數(shù)約為7.64。圖8中，異常區(qū)頻譜特征表現(xiàn)為：回波中心頻率分布范圍在48.7—112.4Mhz，主頻約為82.45Mhz。

圖6 揭露后溶腔形態(tài)

圖7 地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)回波圖

圖8 異常區(qū)頻譜特征

4 結(jié)論

（1）在較完整灰?guī)r中，利用地質(zhì)雷達(dá)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)可以較為準(zhǔn)確的探測(cè)到泥水混合物充填型巖溶構(gòu)造。

（2）電磁波在通過(guò)較完整灰?guī)r與巖溶構(gòu)造分界面時(shí)發(fā)生強(qiáng)反射，形成較為連續(xù)的同相軸界面，電磁波波幅明顯變寬，反射前端界面子波為負(fù)相位。

（3）經(jīng)眾多案例計(jì)算統(tǒng)計(jì)，得到較完整灰?guī)r相對(duì)準(zhǔn)確的介電常數(shù)，在7.64—8.12范圍附近，據(jù)此可以推算出較為準(zhǔn)確的巖溶構(gòu)造前緣位置。

（4）泥水混合物充填型巖溶構(gòu)造會(huì)出現(xiàn)一定的低頻現(xiàn)象，表現(xiàn)為：頻率范圍為44.7Mhz—124.2Mhz之間，主頻值約83Mhz，可為充填物形態(tài)判定提供依據(jù)。