地质雷达法在岩溶隧道超前地质预报中的应用

（西安长大公路工程检测中心，陕西 西安 710061）

一、前言

贵州地处我国西南腹地，属云贵高原的一部分，石灰岩等可溶性岩石地层大面积分布，岩层溶蚀现象十分普遍。随着近年贵州省基础设施建设的长足发展，大量的公路、铁路隧道施工需要穿越可溶性岩石地层，岩溶作用形成的溶洞是隧道开挖过程中最常见的不良地质现象，隧道工程穿越岩溶地层具有危害大、预防难的特点，轻则对生态环境造成影响，重则引起灾难性事故。超前地质预报工作具有重要作用，隧道开挖前，通过超前地质预报工作，可获知开挖面前方不良地质体、不良地质构造的发育情况，指导施工顺利进行，为施工安全提供保障。本文通过对贵州某在建高速公路可溶性岩石隧道超前地质预报的成功实践经验，讨论地质雷达在可溶性岩石隧道中预报隐伏溶洞的实际应用。

二、地质雷达基本原理及数据处理

（一）基本原理

地质雷达(Ground Penetrating Radar，简称：“GPR”)是一种广泛运用于实际生产中的地质测量技术，它通过发射不同频率的电磁波并接收其反射回波，通过对反射回波的时间和信号的强弱来推测地下地质体的分布及变化情况，工作原理如图1所示。当发出的高频电磁波在介质中传播，遇到具有电性差异的介质交界面或地质异常体时，电磁波发生折射和反射，通过接收反射信号到达雷达天线的时间和信号强弱以及专业的数据处理与分析后，推测地下介质或不良地质体的分布与变化情况。在隧道短距离超前地质预报中，地质雷达具有体积小、集成度高、操作方便、测量时间短、预报准确度高等优点，它对山岭隧道施工中遇到的溶洞、构造破碎带、节理密集带、软弱夹层以及岩层地下水发育情况等地质问题都具有良好的预报作用。

图1.雷达工作原理及其基本组成

（二）数据处理及其目的

雷达反射波一般以脉冲波形形式记录，由于介质的不均匀性及介质的介电常数差异，电磁波在介质中传播时能量会出现不同程度的衰减和受其他信号干扰，造成反射波形与原始发射波形有明显的差异，影响实测数据。为了提高分析结果的准确性，需适当处理原始数据，压制干扰信号，改善其信噪比，进而获得可以真实反映隧道前方实际地质情况的雷达图像。原始数据处理主要包括带通滤波、静校正、调整增益以及成图等步骤，最终获得测量数据的成果图，由技术人员根据雷达成果图像结合实际开挖面地质情况，判断预报段前方地层工程性质及不良地质体发育情况，指导隧道施工。

三、成功预报实例

（一）隧道工程概况

本文研究对象为在建双向四车道高速公路，隧道为分离式隧道，设计行车时速为80公里，左幅隧道起终点桩号为ZK23+759～ZK28+225，长度为4466m，最大埋深约451m，右幅隧道起终点桩号为YK23+760～YK28+275，长度4515m，最大埋深455m。隧址区上覆第四系土层（Qel+dl）分布零星，厚度不大，有碎屑地段的粉质黏土以及可溶岩地段的黏土。其中出露的基岩有以下几种：

1.志留系下统龙马溪组（S1l）为薄至中厚层状粉砂质泥岩，局部夹泥岩，为隧道上覆地层，非隧道围岩。

2.奥陶系上统五峰组（O3w）为灰黑、灰色薄层状泥灰岩、炭质泥灰岩、生物碎屑灰岩，局部夹硅质岩，隧道进口段少量穿越该地层。

3.奥陶系中统宝塔组（O2b）为龟裂纹灰岩，隧道进口段穿越该地层。

4.奥陶系下统湄潭组（O1m）为薄至中厚层状粉砂质泥岩，局部夹泥质灰岩、灰岩。隧道中段穿越该地层。

5.奥陶系下统桐梓组-红花园组（O1t-h）为薄至中厚层状灰岩夹泥质条带，底部为厚约6m粉砂质泥岩，隧道中后段围岩主要是该地层。

6.寒武系中上统娄山关组（∈2-3ls）为中至厚层状白云质灰岩，隧道出口段穿越该地层。

（二）不良地质问题

隧道场区不良地质为岩溶、危岩及潜在失稳边坡等，其中奥陶系下统桐梓组-红花园组（O1t-h）灰岩夹泥质条带及寒武系中上统娄山关组（∈2-3ls）白云岩、白云质灰岩，此两套地层岩溶发育程度均为中等至强发育，隧道开挖至这两套揭露隐伏岩溶的可能性大。

（三）预报方法

预报采用仪器设备为中科院CAS-S100型地质雷达系统，该型地质雷达系统包括仪器主机（配100MHz天线）和配套分析软件Radarview两部分。数据采集时介电常数设为8，测程参数设为500ns，主要探测隧道前方30m范围内的地质变化情况、隧道前方灾害体分布及性质，用点测的方法在掌子面下部位置布设一条物探测线。

（四）掌子面地质情况

YK24+922掌子面揭露围岩主要为灰色中厚层状中风化白云质灰岩，呈层状结构，岩层产状：120°∠5°，岩质较硬，节理裂隙发育，裂隙间泥质及岩石碎屑充填，岩体整体较破碎，呈镶嵌碎裂状结构；溶蚀稍发育，掌子面潮湿，拱顶存在点滴状出水现象。围岩自稳能力差，无支护时拱顶易发生掉块、坍塌现象。

（五）探测成果

该次预报雷达探测深度为30m（YK24+922～YK24+952），从雷达成果图中得出：掌子面前方0～8m及8～30m左侧前方雷达波以中频反射信号为主，局部为中高频信号，同相轴较为连续，振幅一般。推测对应区段围岩完整性较差，节理裂隙发育，岩体破碎，溶蚀稍发育。掌子面右侧前方8～30m雷达波以中低频反射信号为主，反射波形较杂乱，整体振幅较高且多次震荡，能量团分布均匀性较差，同相轴出现异常且局部呈弧形发展。推测对应区段围岩破碎，溶蚀发育，存在与隧道轴线方向近一致的充填式溶洞。

（六）施工验证结果

隧道掘进至里程YK24+930时，揭露到预报溶洞，掌子面右侧拱腰位置揭露一向隧道前方及边墙处发展的填充型溶洞，揭露面积约4×3m2，为泥夹石充填，实际揭露情况与地质雷达探测成果相符。

四、结语

随着我国铁路、公路建设的快速发展，隧道施工也逐渐增加，为保证施工安全和隧道施工进度，准确预测隧道前方围岩的变化及不良地质体的发育情况十分重要，这就要求做好隧道超前地质预报工作。地质雷达技术作为一种短距离隧道地质预报方法，优势明显，是一种较理想的探测手段。

本文以贵州某在建高速公路岩溶隧道超前地质预报过程，分析了地质雷达工作原理及数据成果，成功预报了工作面前方的隐伏溶洞，有效指导了隧道工程施工，证明地质雷达预报技术对山岭隧道溶洞探测是可行和有效的。

同时，地质雷达超前地质预报技术相对于其他超前地质预报技术也存在其不足和缺点，如探测距离短、易受洞内钢拱架、钢筋网、锚杆、钢轨等金属构件的影响等，因此还有待进一步研究。