地质雷达技术在岩溶隧道超前地质预报中的应用

李可丁

摘 要：在岩溶隧道中进行地质雷达的运用，主要用于超前地质预报，由于溶洞隧道中发育存在复杂性，因此，进行准确预测是非常重要的。在进行地质雷达技术的预报工作中，需要对其工作原理进行分析，探讨地质雷达探测溶洞的可行性，方能熟练运用地质雷达的探测技术和測量方法。本文结合实际的隧道施工工程，对于采用地质雷达进行隧道现场掌子面数据采集的相关技术进行验证，结果为预报的结果和现场开挖的情况基本吻合，表明地质雷达在岩溶隧道超前预报中具有准确性，并且得出了溶洞对应的地址雷达波形图的明显特征：振幅增强、伴随弧形绕射产生同相轴错段等。

关键词：地质雷达；熔岩地层；超前地质预报

中图分类号：U452.1 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）22-0114-02

我国的华南西南地区，由于长期的地下水的溶蚀作用，在产状、涌水量、位置等方面都有各自的特征，分布有大面积的碳酸盐地层，形成了大小不一的碳酸盐分布形状，极容易出现地质灾害。为了防止地质灾害的发生给施工带来很大的困扰，同时提高施工的效率，采用指导性的试验方法，对于岩溶隧道掌子面在进行隧道的支护设计的同时，进行超前地质预报工作进行论证。

1 地质雷达探测原理

根据回波的单程旅行时间采用相应介质进行地质雷达的探测，运用的探测原理依赖发射脉冲，通过综合分析，在不同的地下介质的传播过程中的电磁波的传播速度在反射和折射中进行，得到了目标体的距离，判断目标性质[1]。如图1。

雷达的主机内的信号发生器将调谐和调频加以控制，产生能够发出固定频率的电磁波，由主控制器将电缆和天线进行设置，通过主控制器，采用60度方向向围岩内发射信号，电磁波在遇到典型差异的层面之后，经过简单处理之后，通过工作人员将专业数据加以处理[2]，采用天线接收的方法，雷达信号由原路，返回到雷达的信号接收处理器、数据存储器和雷达显示器内。

对于反射回波的波速度，可以采用地下目标体的位置的确定计算公式进行计算：

h为所探目标体与接触面的距离，t为电磁波从发射到接收时间的间隔。

2 地质雷达应用方法

（1）进行高频电磁波物探可以对掌子面的前方的岩溶发育情况进行有效的预报，方法运用的目的是对地质异常体的精确预报，探测范围内在应用上要对空洞的地质异常体具有非常敏感的特质，在进行对探测强弱以及围岩的电性参数等进行有效的预报，采用的方式100KHZ频率的预报方式可以精确判定距离。对全断面进行开挖，例如在公路隧道的时候，采用50MHZ频率天线对于距离采用地质雷达进行有效预报，在雷达测线上按照井字进行布置，为了保证探测的精确性[2]，根据掌子面的情况进行具体的应用，进行剖面的探测和布置，采用重复对比分析的方法，将超前预报需要进行准备的条件加以布设，采集的数据是沿着竖直和水平的防线对剖面进行的。

（2）进行地质雷达数据处理，在雷达处理数据的过程中，将多重数据的零点加以编辑和处理。如今多使用的是反射地震波法进行勘测，并对数据加以处理，主要的数据包括编辑、滤波以及增益处理，将数字滤波中的不同频谱发布的干扰波加以去除，剔除了原始数据的坏道，采用介质吸收的方式，对雷达信号予以回复，使用信号能量的方法，将有效波加以保留，对波前进行增益处理和矫正，真实反射出波形图[3]。

为了防止电磁波波速发生较大的改变，根据其变化非常复杂、频散和高衰减等特点，包括偏移速度和半径，在选择上难度较大，当探测区域岩性变化较大时，导致电磁波在围岩中出现的偏移参数，根据现场探测成果以及探测条件的验证情况，实际应用过程中进行偏移归位处理，在反褶积效果并不明显的前提下，合理选择反褶积参数数据处理方法，对地震数据进行处理，方法也被应用到雷达数据处理过程中。

（3）根据雷达处理成果进行判断，构造等不均匀地质体、地下裂隙、会造成界面两侧电性的变化，伴随高频、低幅、波形密集现象，异常地质构造会导致探测区域中各种成分含量不同，且常伴有弧形绕射波组出现，包括局部缺失、极性反转、波形畸变、错位等。当溶洞中充填有风化碎石时，因岩溶与其周围岩体存在着较明显的电性差异，同相轴会出现不稳定变化，雷达波形中反射波同相轴的不连续较大，溶洞赋水性较强时，溶洞内为弱反射，界面反射是强反射，局部雷达反射波变强，雷达探测中，岩溶发育区不良地质体的雷达响应特征凸显，这是在地质雷达图像上的一个重要标志，雷达波的电磁弛豫效应沿反射波同相轴和隧道岩溶发育区的反射波振幅的变化而发生改变，通常存在裂缝发育、岩体较破碎、雷达图像呈现的特征是在溶洞外侧形成强反射断层等异常地质体，使得反射波振幅在局部发生改变，造成雷达反射波在局部频率降低，使得雷达波波形改造的同时，造成正常地层发生突变，由于衰减、吸收作用随溶洞形态反射波频率的变化，异常地质构造以及反射波组振幅发生了变化[4]。

3 地质雷达技术在岩溶隧道超前地质预报中的应用实例

某隧道建设，设计行车速度为80公里每小时，建筑界限3.53乘5米，公路荷载等级为I级，隧道为长隧道，所处地貌为高原、中低山构造侵蚀-溶蚀型地貌。

采用高速地质透视雷达和主频为100M的天线，对隧道掌子面前方的围岩进行探测，进行现场数据的采集，将天线沿着掌子面侧线从左到右进行具体的侧线布置。

现场的地质情况，掌子面围岩主要为微风化灰岩，节理的裂隙较发育，围岩的稳定性和完整性较好。

为保证施工安全，先要对掌子面进行现场照片的处理，，推测掌子面前方探测范围内，根据现场的探测发现局部夹杂红黏土，第2条从右至左两测线长度约7m，使用天线的中心频率50MHz，第1条从左至右呈倾斜层状，在第1条测线下方2m处布置第2条测线，施工过程中采用的设备为防爆探地雷达[5]，布置了1条距拱顶约2.5m高的测线在掌子面上，根据地勘报告，地表发育有溶洞、溶沟、溶槽及漏斗等，溶洞中有碎石土、黏土和砂充填，进口段岩石为溶蚀裂隙极发育灰岩，洞顶遇到涌水突泥的可能性较大，因此稳定性差，最终隧道施工采用了地质雷达法进行超前地质预报，经过对YK3+135处进行的超前探测，查明了前方岩溶等异常地质构造情况，岩溶裂隙为石灰岩且硬度较高，局部地方还可能存在干溶洞，子面地层岩性可能发育[5]。

本次观测共得到有效观测记录6炮72道，处理后得到隧道-70中段5#支3西沿掌子面前方100m内的地质体偏移图像、围岩波速曲线图。如图2。

TST地质构造偏移成像图解释：横坐标为隧道里程，纵坐标为隧道横向距离。蓝色条纹表示岩体由硬变软的界面，红色表示由软变硬的界面，先蓝后红的组合表明存在断裂构造带。

利用上述成果图并结合地质资料分析得出以下预报结果：隧道中段5#支3西沿掌子面前方地质情况分为两段：第1段：掌子面前方20m围岩波速高，约为4000m/s，稳定性较好，完整性较差，裂隙较发育。该段中不存在空区和巷道。第2段：掌子面前方20～100m围岩波速较高，约为4700m/s，稳定性和完整性很好，裂隙较少发育，不存在空区和巷道、断裂带。

经处理后的雷达探测成果可以帮助推测这一段岩体有溶蚀破碎带，高频回拨略为发育，回波以中低频杂栾发射为主，位置在掌子面的中部偏右，发育的规模较大，掌子面前方14米低幅，局部有少量偏强的反射发育，预报雷达深度为28米，地质雷達图像探测范围内的电磁反射强度中等，推测掌子面前方探测范围内，在雷达探测范围内石灰岩节理较破碎，水平同相轴振幅能量连续性较差、局部存在异常空洞，电磁回波没有明显的同相轴可以遵循，结合现场夹杂红黏土，地质情况（实际开挖后，岩体裂隙发育极有可能是干溶洞，与雷达预报情况较为吻合[6]。YK3+150附近中断明显变弱，有一直径约3m的溶洞，且洞内充填黏土夹块石。

4 结语

在岩溶区的山岭隧道，采用地质雷达进行超前预报具有必要性，能够有效避免岩溶病害，确保施工的进度和安全，今后的施工应注意在保证施工安全和进度的基础上，采用地质雷达图像进行地质情况的超前预报，必须采用物探法进行适当的补偿和验证，以保证预报的准确性。

参考文献

[1]单波，段毅，王延辉，等.地质雷达在冻土地区输电线路中的应用[J].电力勘测设计，2018，（5）：41-45.

[2]郑鸿瑞，徐志刚，甘乐，等.合成孔径雷达遥感地质应用综述[J].国土资源遥感，2018，（2）：12-19.

[3]袁宗征.地质雷达在岩溶隧道超前地质预报中的应用[J].勘察科学技术，2018，（2）：58-61.

[4]高阳，余湘娟，夏波，等.泡沫混凝土路基病害地质雷达正演模拟研究[J].河南科学，2018，（4）：559-565.

[5]王东源，李朝，何树生，等.地质雷达在岩溶塌陷区油气管道选线中的应用[J].油气储运，2018，（3）：348-351.