深港连接隧道皇岗至米埔（S623）段地质雷达应用分析

2018-10-20 07:08

深港连接隧道是穿越深圳河、连接港深两地的第一条地下通道，隧道沿线穿越香港米埔湿地自然保护区及大理岩溶洞区，发育有中强风化大理岩，并伴随发育岩溶不良地质作用。隧道主体施工完成后，围岩中溶蚀裂隙的发育影响着隧道支护稳定，构成了隧道长期安全隐患。

地质雷达以其高分辨率和高准确率，快速、连续且高效的无损检测方法广泛应用于隧道支护及风险病害防治中[1]-[6]。本文运用地质雷达技术检测深港皇岗至米埔（S623）段隧道沿线地层溶洞裂隙情况，探测该段大理岩岩溶裂隙发育情况，以此指导隧道溶洞注浆施工，加固围岩排除溶洞隐患，为隧道安全稳定提供有力保障。

图1 地质雷达电磁波传播示意图

地质雷达原理

地质雷达是一种用于确定地下介质分布情况的高频电磁技术[6]-[9]。基于地下介质的电性差异，地质雷达通过一个天线发射高频电磁波，另一个天线接收地下介质反射的电磁波，并对接收到的信号进行处理、分析、解译[7]。

地面天线向地下发射一高频电磁脉冲，当其在地下传播过程中遇到不同电性界面时，电磁波发生反射和折射，分别被接收和记录 (图1)。

电磁脉冲波旅行时程：

式（1）中：z 为目标体埋深；x为发射、接收天线的距离；v为电磁波介质中的传播速度。

电磁波在介质中的传播速度：

电磁波在介质传播过程中，当遇到相对介电常数明显变化的地质现象时，电磁波将产生反射及透射现象，其反射和透射能量的分配主要与异常变化界面的电磁波反射系数有关[6]-[9]。

电磁波在介质中的传播速度：

检测设备采用意大利RIS公司的K2-FASTWAVE型地质雷达，其精度高、性能稳定、可靠。

主要工作技术参数为100MHz屏蔽天线，时窗为150ns，每次扫描的采样点数为1024，每秒钟的扫描数为400；雷达传播波速为0.13m/ns。

本次检测对隧道某岩溶段隐伏岩溶进行探测，探测目标深度为5m，测线布置如图2所示。因电线、水管、消防、污水及人行道阻碍，对局部探测线有微调。

如图2所示，共布置有b～i9条测线进行检测：b（7点钟方向）、c（8点钟方向）、d（9-10点钟方向）、e（11点钟方向）、f（1点钟方向）、g（2点钟 - 3点钟方向）、h（3 - 4点钟方向）及i（5点钟方向）。实际隧道测线布置情况如图3所示。

深港连接隧道深港皇岗至米埔（S623）段周围基岩为中风化大理岩，岩石强度高，饱和单轴抗压强度普遍在135MPa～165MPa之间，节理裂隙弱发育，围岩完整程度为较完整～完整。

根据2015年5月5日雷达探测结果及2015年8月12日的校对验证可知，雷达波在该岩溶段雷达波传播波速约为0.13m/ns，与空气中雷达波速相差较大，溶洞具有可探性。

图2 测线布置示意图

图3 隧道测线布置现场情况

此次溶洞雷达探测有效地揭露了大理岩岩体中溶洞、裂隙发育的位置，探测效果良好。波形清晰、且探测的有效深度达到了8m。

本次探测里程长度200m，共收集所有测线方向上所有雷达影像110个。其中雷达测线异常区域主要集中在环隧a测线方向，相邻b和i有少量的疑似异常。统计本次雷达探测异常情况如图4所示。

图4 隧道雷达探测异常统计

图5为深港皇岗至米埔（S623）段1116～1120环隧道a处雷达探测图。探测有效深度为8.0m，其中3.5m～8.0m和宽度不超过10cm区域雷达波反射强烈，且波形紊乱，推测该段岩溶较发育，有裂隙或断裂发育长度超过探测范围，且裂隙被黏土充填，并推测局部可能出现小型溶洞。

图5 1116～1120环隧道a处雷达探测图

图6 1163～1161环隧道a处雷达探探测图

图6为1163～1161环隧道a处雷达探测图。探测有效深度为8.0m，其中2.8m～8.0m区域雷达波反射强烈，且波形紊乱，推测该段岩溶较发育，且裂隙被黏土充填。在红色圈出段溶洞深3.5m～4.0m，溶洞尺寸2.0m×0.5m。

本次雷达探测溶洞裂隙主要发育在环隧正下方的a处位置，1116～1120环和1163～1161环红色标识区探测为典型溶洞裂隙发育区。并建议建设单位组织施工方及时对该位置处溶洞采取了注浆加固处理措施，收到了很好的效果。

通过深港连接隧道深港皇岗至米埔（S623）段大理岩岩体地质雷达探测研究，得出结论如下：

（1）地质雷达技术可以很好地运用在隧道大理岩溶洞裂隙探测中，本次探测波形清晰，有效探测深度大于8m；

（2）当隧道围岩岩体总体完整性较好，节理裂隙弱发育的情况下，因雷达波在岩体和溶洞体内存在显著波速差，则溶洞具有很强的可探性；

（3）本次探测里程长度200m，雷达测线异常区域主要集中在环隧a测线方向，相邻b和i有少量的疑是异常；

（4）1116～1120环隧道a处3.5m～8.0m、宽度不超过10cm区域雷达波反射强烈，且波形紊乱，推测该段岩溶较发育，且裂隙充填；

（5）1 1 6 3～1 1 6 1环隧道a处中2.8 m～8.0 m区域岩溶较发育，且裂隙充填。在红色圈出段溶洞深3.5 m～4.0 m，溶洞尺寸2.0m×0.5m；

（6）此次地质雷达探测效果明显，有效地指导了隧道围岩溶洞的注浆加固工作。