地质雷达在岩溶隧道超前地质预报中的应用

ChinaWaterTransportVol.18SeptemberNo.92018

地质雷达在岩溶隧道超前地质预报中的应用

池昌峰，陈

1

筠，梁

2

风，施鹏超，邬忠虎

113

（1．贵州大学资源与环境工程学院，贵州贵阳550025；2．贵州理工学院交通工程学院，贵州贵阳550003；

3．贵州大学土木工程学院，贵州贵阳550025）

摘

要：隧道在施工过程中常常面临各种不良地质现象的威胁，如不能及时发现将可能造成重大的人员和财产损失，

所以超前地质预报是隧道施工中一个十分重要的环节。地质雷达是分辨率较高的一种物探仪器，具有成本低、效率高等特点，在超前地质预报中得到了广泛的应用，其对于掌子面前方的溶洞具有一定的识别能力。黔大高速东清段位于贵州省毕节市，其土老冲隧道和保罗山隧道的隧址区的不良地质现象为岩溶，属于典型的岩溶隧道。通过对实际预报案例的研究，分析了岩溶裂隙和溶洞的雷达波形特征，以期对今后该区域的类似工程提供参考和借鉴，提高地质雷达图像解译的精度。

关键词：地质雷达；超前地质预报；岩溶隧道中图分类号：TD163引言

贵州省是中国主要的喀斯特地貌分布区，碳酸盐类岩石的出露面积占全省岩石出露面积的70%以上，地表岩溶形态和地下岩溶形态都十分发育[1]。贵州省近年来大力修建高速公路，成为了中国西部第一个实现“县县通高速”的省份，大量的高速隧道穿过碳酸盐岩地层。在隧道施工的过程中，由于前方的地质状况不明，常常会因为各种不良地质现象而导致塌方、涌水等灾害，威胁施工安全。在贵州省岩溶则是隧道施工过程中较为常见的不良地质现象。在施工前期，限于目前的勘察精度，隧道沿线的工程地质条件往往难以查清，岩溶突水、涌泥灾害则可能成为岩溶隧道施工的瓶颈。因此隧道超前地质预报就显得十分重要，它能较为准确地对掌子面前方的不良地质体进行预报，低成本避免岩溶等病害，保证隧道施工的安全与进度。

地质雷达技术是一种较为成熟的地球物理探测手段，在探查掌子面前方的地层、岩性变化方面，有很好的效果[2]。地质雷达的分辨率较高，探测成本较低，占用工时较少，对岩溶的识别能力较强，适宜应用于岩溶隧道的超前地质预报。

文献标识码：A文章编号：1006-7973（2018）09-0185-03

时等参数，推断探测表面以下的地层和目标体的分布、形态等情况。

地质雷达进行探测的基础条件是目标体与周围介质之间，或地层与地层之间存在电性差异，这种电性差异越大，则地质雷达的探测效果越好[4]。

图1地质雷达工作原理

一、地质雷达的工作原理

地质雷达是一种典型的超宽带雷达系统[3]，如图1所示，雷达发射机调制射频能量，由发射天线在探测表面发射高频电磁波（主频约为10~1,000MHz），经介质层面或目标体反射后返回探测表面，由接收天线接收，所接收的目标回波即携带了探测表面以下的地层信息，在后续的数据处理和分析过程中，可以根据反射雷达波的波形、振幅、频率、双程走

对于岩溶隧道而言，如隧道围岩均一性较好，则雷达反射波强度较弱，通常表现为低幅、高频的细密波；如出现岩溶洞穴，在岩溶洞穴界面通常会出现较强的雷达反射波组[5]，反射波的形态受溶洞的空间形状、溶洞填充的物质等因素的影响，如果溶洞界面出现错断或者不连续，相应的反射波组则会出现同相轴不连续。

二、地质雷达的预报方法

收稿日期：2018-03-03

，男，福建连城人，贵州大学资源与环境工程学院在读硕士研究生，主要从事探地雷达应作者简介：池昌峰（1992-）

用及数据处理方面的研究。

通讯作者：陈筠（1970-），女，贵州贵阳人，硕士，贵州理工学院交通工程学院，副教授，主要从事区域稳定与岩体

稳定、岩溶工程地质、边坡工程等方面的研究。

贵州省国土资源厅重大专项（992011010003）；贵州省水利厅科技专项经费项目资助（任务书编号：KT201804）。基金项目：

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中国水运第18卷

1．参数设置

地质雷达的参数设定直接影响其探测结果，并对后期数据解译和图像分析有很大的影响。为了保证探测深度以及所获得的地质信息的完整性，在黔大高速东清段项目的隧道超前地质预报中，采用中心频率为100MHz的屏蔽天线，雷达为美国劳雷公司的SIR-20型雷达；采样率：1,024样点/扫描；采样时窗：650ns；预报距离：25m左右。根据隧址区的岩性状况，介电常数设定为8。

2．测线布置

图2测线布置图

黔大高速东清段项目土老冲隧道和保罗山隧道采用台阶法进行施工，超前地质预报的测线布置在上台阶，测线的布置情况如图2所示。由于隧道掌子面十分不平整，测量条件较差，采用点测的方式进行测量。

三、预报案例分析1．土老冲隧道工程（1）工程概况

土老冲隧道为分离式中隧道。左幅全长740.00m，隧道最大埋深94.30m；右幅全长715m，隧道最大埋深100.5m。隧道场区地处贵州高原西部，高原山地区大方中山丘原区，地形条件较复杂，属中等切割侵蚀-剥蚀低中山地貌。场区地面标高介于1,485.8~1,645.1m，相对高差159.3m。隧道场区无断层通过，场区上覆第四系残坡积（Q

el+dl

）粘土，下

伏三叠系下统永宁镇组一段（T1yn1

）薄至中厚层状泥质灰岩夹泥岩。根据前期现场地质调绘，土老冲隧道场区不良地质现象主要为岩溶。

（2）实例分析

土老冲隧道右线里程为YK28+560的掌子面岩性为灰色薄-中厚层状中风化泥质灰岩，节理裂隙较发育，闭合性较差，充填方解石脉。掌子面正中发育一小溶蚀空洞，无充填。沿岩层面溶蚀裂隙较发育，充填泥质。掌子面岩体较完整性较差，属于Ⅳ级围岩。根据前期勘察，该段隧道地下水类型为岩溶裂隙水，赋存于碳酸盐岩节理裂隙及溶蚀裂隙中，隧道在施工过程中开挖遇隐伏岩溶的可能性极大。

图3为相应里程掌子面探测得到的雷达堆积波图像。从图像上看：在掌子面前方4~7m（里程YK28+556~YK28+553）右侧处出现了明显的高振幅强反射波，且波形杂乱，同相轴不连续，推断该处为一溶洞空腔，并有部分泥质充填。

图3土老冲隧道右线YK28+560雷达图像

而在掌子面前方12m（里程YK28+548）右侧处出现中频、高幅的反射波，同相轴连续性差，且范围不大，推断该处为溶洞发育区域，充填粘土。

图4土老冲隧道右线YK28+554的溶洞

根据现场跟踪观察，在土老冲隧道右线YK28+554掌子面右侧出现一溶洞（如图4所示），宽度约2m，并向内延伸约2m，溶洞内部分充填软塑粘土；在土老冲隧道右线YK28+548掌子面右侧出现一溶洞（如图5所示），宽度约3m，延伸长度约3m，溶洞内主要充填硬塑土，与地质雷达的预测情况基本吻合。

图5土老冲隧道右线YK28+548的溶洞

2．保罗山隧道工程（1）工程概况

保罗山隧道为分幅长隧道。左幅全长1,259.00m，隧道最大埋深116.00m；右幅全长1,280.00m，隧道最大埋深

第9期池昌峰等：地质雷达在岩溶隧道超前地质预报中的应用187

120.00m。隧道场区地处贵州高原西部，高原山地区大方中山丘原区，地形条件较复杂，属中等切割侵蚀-剥蚀低中山地貌。场区地面标高介于1,447.8~1,635.9m，相对高差188.1m。隧道场区无断层，场区上覆第四系残破积（Qe1+d1）粉质粘土，下伏三叠系下统永宁镇组一段（T1yn1）薄至中厚层状泥质灰岩夹泥岩。根据前期现场地质调绘，保罗山隧道场区不良地质现象主要为岩溶。

（2）实例分析

填充型岩溶洞穴

图6保罗山隧道右线YK27+647雷达图像

保罗山隧道右线里程为YK27+647的掌子面岩性为灰色、灰黄色薄-中厚层中风化泥质灰岩，岩质较软。节理裂隙发育，闭合性较差，充填泥质；掌子面右侧岩体破碎，岩溶裂隙发育。掌子面整体湿润，地下水较发育，围岩自稳能力差，属于Ⅴ级围岩。

图7

保罗山隧道右线YK27+640的溶洞（泥质充填）

图6为相应里程掌子面探测得到的雷达堆积波图像。从图像上看：在掌子面前方2~5m处出现高振幅的强反射波，波形杂乱，频率较高；在掌子面前方15~20m处出现高振幅的强反射波，频率降低，同相轴错断，能量相比掌子面前方2~5m处有明显降低。故推断YK27+644~YK27+627为岩性变化区域（延伸长度约17m），可能为填充型溶洞。

根据现场的跟踪观察，隧道开挖至YK27+644处，隧道岩性发生变化，由泥质灰岩变为硬塑土-软塑土（如图7所示），至YK27+624处，隧道岩性变为泥质灰岩。所以在桩号YK27+644~YK27+624处，为一大型填充型溶洞，沿隧道进尺方向跨越达20m左右，与预报情况推测基本相符。

四、结论

（1）对于物探解译人员而言，进行地质雷达的图像解释

工作是一个经验不断积累，认识不断深化的过程。例如掌子面前方的溶洞，不同隧址区，其雷达反射图像可能存在诸多差异。因此通过跟踪验证，针对某一特定施工区域建立起雷达图像的案例库具有很大价值，以方便后续地质雷达超前预报工作进行对比，提高预报的准确性。

（2）黔大高速东清段主要跨越灰岩地区，溶洞的现象普遍存在。通过对雷达波形的振幅、相位、频率等方面的研究，成功预报了多起案例。这些案例对于黔西北灰岩地区的超前

地质预报具有一定的指导意义，并有助于提高后续雷达预报工作的精度。

（3）脱离实际地质情况的物探图像分析，是没有意义的。由于物探存在多解性，所以超前地质预报的解译工作需要以实际地质勘探为基础，如隧道开挖段的地质条件，掌子面的情况等，并由此得出合乎实际的分析和预报结果。

参考文献

[1]廖义玲，朱立军.贵州碳酸盐岩红土[M].贵州：贵州人民

出版社，2004.

[2]齐甦.隧道地质超前预报技术与应用[M].北京：气象出版

社，2010.

[3]粟毅，黄春琳，雷文太.探地雷达理论与应用[M].北京：

科学出版社，2006.

[4]孙柏林，张骞，张乾青等.充填型岩溶隧道综合超前地质

预报方案优选[J].地下空间与工程学报，2014，10（S1）：1728-1734.

[5]中国铁路总公司.铁路隧道超前地质预报技术规程

（Q/CR9217-2015）[S].北京：中国铁道出版社，2015.