地质雷达在宜万铁路隧底岩溶探测中的应用

黄威

（中国地质大学 机械与电子信息学院，湖北 武汉 430074）

1 引言

宜万铁路全长377km，有岩溶隧道75座，长约 157.7km，占线路总长的 40%,线路基本从岩溶的垂直发育带或水平发育带中通过，岩溶异常发育。隧底以下的隐伏岩溶,如果在施工过程中没有得到有效处理，将会形成运营期的安全隐患。因此在隧道土建工程完成后，必须查明隧底隐伏岩溶的规模、位置和空间形态,判研隐伏岩溶危及运营安全的程度,以进行有效处理,确保运营安全。目前，常用的岩溶勘察手段有工程地质测绘和调查、物探、钻探等，其中浅层地震法、高密度电阻率法和地质雷达方法等物探技术得到了普及。地质雷达方法因具有准确性高、快速方便和环境适应能力较强的特点，成为众多方法中的首选。

2 地质雷达的特点及原理

地质雷达方法是一种用于确定地下介质分布的电磁技术。地质雷达技术利用 发射天线发射高频宽带电磁波脉冲，接收天线接收来自地下界面的反射波(图1)。由此可见，电磁波在介质中传播时，其路径、电磁场强度与波形将随所通过介质的电性性质及几何形态而变化，因此根据接收到的波的双程旅行时间、幅度与波形等资料，可推断出介质的结构和形态大小，完成对岩溶位置和范围的确定。

在雷达检测过程中，高超频电磁波被近似为均匀平面波，在地下介质中传播时，其传播速度 主要取决于地下介质的相对介电常数ε，即

式中，C=0.3m/ns 为电磁波在空气中的传播速度；ε为地下介质的相对介电常数。

同时，电磁波反射信号的强弱与界面的反射系数及穿透介质时对电磁波的吸收能力有关，电磁波在遇到介质界面时，其反射系数R 为

式中，ε1，ε2为两种不同介质的相对介电常数。

由上述原理可知，两种介质的相对介电常数差异越大，反射系数越大，反射信号越强，反映在雷达图像上越清晰[5]。

常用的探地雷达测量方法为剖面法，当地面发射和接收天线沿探测线以等间距移动时，即可在雷达采集屏幕上描绘出以双程走时t(ns)为纵坐标，以距离x(m)为横坐标的"时距"波形道轨迹图。与此同时，探地雷达以数字的形式记下每一道波形的数据，即可得到该测线的探地雷达时间与平距剖面图像，见图2。在对雷达图像解释进行时，若探测区域无隐患，则雷达图像中反射波的同相轴连续性好，无错动、交叉、缺失和振幅上的异常变化，波幅从上到下由强变弱，自然衰减；当探测区域有隐患时，可根据反射波组的波形与强度特征，通过同相轴的连续性、错断和强弱变化，并结合地质、钻探资料或其他方法所获的成果，即可确定反射波组的地质含义，从而最终得到探地雷达探测成果图。

3 工程实例

3.1 数据采集方案

本次工作使用美国产的SIR-20型地质雷达，选用100 MHz 屏蔽天线，采样点数512点 ，窗口时间500ns，采集方式为连续自由采集，探测沿隧道线路中心及左右共布置了3条测线。

3.2 数据处理流程

采集得到的原始数据一般要进行信号处理以达到提高信噪比的目的，具体流程如图2所示。

3.3 探测结果分析

岩溶与其周围的介质存在着较明显的物性差异，尤其是溶洞内的充填物与可溶性岩层之间存在的物性差异更明显。这些充填物一般是碎石土、水和空气等，这些介质与可溶性岩层本身由于介电常数不同形成电性界面。无疑探测出这个界面的情况，也就知道了岩溶的位置、范围、深度等内容。当有岩溶发育时，反射波波幅和反射波组将随溶洞形态的变化横向上呈现出一定的变化。一般溶洞的反射波为低幅、高频、细密波型，但当溶洞中充填风化碎石或有水时，局部雷达反射波可变强。溶蚀程度弱的石灰岩的雷达反射波组为高频、低幅细密波;素填土的雷达反射波特征为低幅高频短波长，同相轴较连续;杂填土中的雷达反射波具有强幅低频，同相轴不连续的特点。电磁波在地下介质中传播，其能量将因介质的吸收而损耗，特别是在高电导岩性介质中，如含水多、含盐度高的岩石或土壤中报耗更大。岩石和土体对电磁波的吸收就成了影响地质雷达探侧深度的主要因素。一般说来岩石的电导率与其含水量、湿度、密度及矿物成份等有着密切的关系。通常，两种介质间的相对介电常数差别越大，则反射的电磁波能量越多。但是，在同样的介质中，电磁波的频率越高，穿透的深度越小，而分辨率越高，反之则相反。

图3 为宜万铁路某隧道+214～+228段隧底右线剖面的岩溶探测雷达图像，分析可见图像中有明显的异常区域，+220～+222段同相轴扭曲变型，推断此处为溶洞，埋深约5米，具体位置如图3所示，后经钻探验证与实际情况吻合。

4 结论

地质雷达与常规的钻探工作相比，地质雷达在探测岩溶方面有其他物探方法无法比拟的优势，它是一种高效、直观、连续无破坏性、分辨率高的物探方法，提供的资料图件为连续的平面和剖面形态，对溶洞的分布范围、埋深、大小及连通情况一目了然，为实现勘察手段的现代化提供了行之有效的科学途径，对于在岩溶区隧道的探测领域具有强大的生命力和广阔的应用前景。在地质雷达探测前，首先应进行常规的工程地质调查，了解场地的地形地貌、地质构造、岩溶发育情况等，有条件时可适当布置少量控制性的钻孔，最好事先能了解各种目标体的地质雷达图像特征，使其后的地质雷达探测成果的解释更为准确可靠。

[1]李大心，探地雷达方法及应用[M]，地质出版社，1994.

[2]曾昭发，刘四新，王者江，探地雷达方法原理及应用[M]，科学出版社，2006

[3]李越兴,曹哲明，地震反射波法在宜万铁路岩溶探查中的应用，工程地球物理学报[J]，2007.4

[4]储冬冬，郑东健，张 磊，探地雷达在震后水利工程病险探测中的应用，人民黄河[J]，2009.3