岩溶隧道地质雷达超前地质预报及图像分析

高树全, 王玉琴，牟元存

(1.中铁二院工程集团有限责任公司，四川 成都 610031；2.中国地球物理学会 中铁二院院士专家工作站,四川 成都 610031)

1 引 言

由于岩溶发育的复杂性、多变性、隐蔽性及岩溶发育规模、形态的不规则性，铁路隧道岩溶问题难以在勘察阶段完全查明[1]，施工阶段做好岩溶超前地质预报、准确预报岩溶不良地质体，避免因隧道盲目开挖(揭示)而出现坍塌、涌泥及涌水等地质灾害至关重要。岩溶预报一般结合多种方法进行综合超前地质预报。相对于其他超前地质预报方法，地质雷达法因探测方式灵活、探测快速、分辨率高、成果直观等优势，常常作为岩溶隧道短距离预报方法的首选，在隧道岩溶预报中发挥了不可替代的作用。

为了使地质雷达取得良好的预报效果，需要把控数据采集、资料处理及成果解译的每一个环节，特别是探测出雷达异常时，需要对引起异常的岩溶现象、溶洞填充性质有充分的认识。冯德山等[2]，王敏玲等[3]，刘凯等[4]进行地质雷达正演模拟研究，为正确认识地质雷达响应剖面提供了理论基础；肖宏跃等[5]建立了雷达图像特征与典型地质现象的对应关系；刘宗辉[6]等从地质雷达信号属性分析与岩溶不良地质现象的关系；谢朝晖[7]等从应用实际探讨了地质雷达图像特征。本文根据业内人士从理论到应用的一些认识，结合大量的实测数据和工作实践经验，通过几个不同填充性质溶洞的典型图像，分析其对应雷达信号在振幅、频率变化、能量衰减及相位变化等特征方面的差异，为地质雷达图像的准确解译提供有意义的参考，及为岩溶治理、优化工程设计提供地质依据，从而达到降低施工风险的目的。

2 影响地质雷达预报效果的主要因素及对策

2.1 数据采集

数据质量是资料处理及成果解译的基础，是取得良好预报效果的重要保障。鉴于隧道施工的特点，数据采集常常具有不可重复性，所以在现场工作过程中，应对以下几个方面予以足够的重视。

2.1.1 现场条件

数据采集之前，预报人员应与施工单位相关人员保持密切联系，为数据采集创造有利的现场条件。掌子面应尽量平整，使地质雷达天线与掌子面有较好的耦合；掌子面附近的台车、风枪钻机等金属体应尽量移开，避免或减小对地质雷达资料造成干扰。如掌子面平整度及干扰源不能完全排除时，应做好标记记录。

2.1.2 测线布置

结合施工现场实际情况，一般情况下，掌子面不同位置应至少布置两条地质雷达测线，水平布置为主，如遇地质雷达剖面异常，应加密测线；详细探测时，掌子面应布置测网，减小雷达探测范围盲区。必要的时候，应在隧道两侧边墙部位适当距离范围内增加测线，以增大地质雷达探测范围。

2.1.3 参数设置

1)测量模式：可采用连续扫描和点测相结合的模式进行。单从探测效果考虑，应创造现场条件，首选点测模式，减小天线抖动造成的干扰。

2)时窗设置：业内人士多选用600～700 ns的时窗设置范围，但掌子面含水或夹泥严重时应结合地质雷达信号进行调试，适当减小时窗。另外，对于数据质量好的数据，当深部地质雷达信号出现异常时，可增加测线，适当增大时窗，有利于对深部异常的判断解释。

3)增益调整：以GSSI系列地质雷达为例，调整信号增益时，首先应选择掌子面条件较好的部位(如：平整度好，岩体完整性好，夹泥少等)放置天线，并保持天线底面与掌子面紧贴。其次，增益曲线应尽量平滑，避免出现较为明显的拐点，可在自动增益的基础上，采用手动微调的方式。

高质量的原始数据不仅有利于现场预报人员初步判断异常的位置、规模、发育方向等，而且也有利于预报人员现场决定是否增加测线以取得更为丰富的资料，也为数据处理及成果的有效解译提供保障。

2.2 数据后处理及成果解译

2.2.1 数据后处理

地质雷达数据后处理的目的主要是压制各种干扰，增强有效信号，提高资料的信噪比，最大限度提高雷达反射信号的分辨率，便于专业人员解读雷达信号携带的地质信息。鉴于地质雷达测线受隧道空间位置和现场条件限制，测线长度相对较短，测量剖面获取的信号相对较少，所以，为了改善局部信号质量，数据处理的针对性应更强，尽量保证原始数据的原貌特征，部分处理步骤(如滤波)不宜在全时窗范围进行。

2.2.2 图像分析与解译

地质雷达图像分析与解译的结果对岩溶地质现象的认识至关重要。

1)应选择合理的图像显示方式，可视个人习惯或经验进行，但采用Wiggle图和灰度图相结合的方式有利于资料判断解释。

2)不管溶洞填充空气、水还是填充泥(本文一般指湿润的黏土填充物，下同)，由于在溶洞界面处存在较大的介电常数差异，均表现出较大的地质雷达反射信号异常，但反射信号强弱、衰减快慢、相位变化特征不尽相同，应详细着重对比分析。需要注意的是，分析反射波相位变化特征时，应确定首波相位。

3)解译人员应重视地质雷达正演，熟练掌握典型模型相应的响应特征，在复杂的地质雷达剖面中结合宏观反射波组和局部细节，通过异常特征反演出对应的地质模型，从而得出较为准确的结论。

4)解译人员应熟悉预报工区岩溶工程地质及水文地质特征。在此基础上，更为重要的是，应持续跟踪了解隧道开挖地质情况的变化，将开挖地质信息与区域地质资料进行比较分析，对掌子面前方地质的可能变化做出合理的推测。

3 典型案例分析

前文已述，不同填充性质溶洞的地质雷达图像均表现出较强的异常反射信号。在特定情况下，其异常形态较为相似，如不仔细对比分析，容易混淆，难以分辨。从地质雷达图像中正确判释溶洞的填充性质，有利于积极制定隧道开挖安全措施，防止突泥涌水风险等。本文选取了几个较为典型的溶洞地质雷达剖面，分析地质雷达图像特征中的异同之处，为类似岩溶隧道地质雷达超前预报解译提供一些参考。

3.1 空溶洞地质雷达图像

地质雷达探测遇空溶洞时，电磁波从灰岩介质进入空气介质，其反射系数为正，信号相位保持不变；电磁波在溶洞边界处常形成强烈的高频反射波，且伴随“双曲线”形态的反射波组出现。电磁波在形状规则的溶洞体内几乎没有反射信号，溶洞的前界面位置容易确定，溶洞的后界面相对不易识别[8-12]。图1(a)中，电磁波在掌子面前方约340 ns处形成较为连续的强烈反射界面，反射界面呈典型的“双曲线”形；图1(b)中电磁波在掌子面前方右侧至中部约180～220 ns处形成较为强烈的反射界面，在测线9 m位置同相轴有错断，存在绕反射现象，其局部特征类似隧道二衬施工缝处的空洞；图1(c)中电磁波在掌子面前方右侧约280 ns处形成强烈的反射界面，且出现“双曲线”形态的反射波组[13-15]。对比分析三个空溶洞雷达图像，不同之处在于：图1(a)中对应的溶洞规模相对较大，几乎贯穿隧道开挖面，且溶洞周边形态较为复杂，溶洞边界绕射及二次反射现象较明显；图1(b)对应的溶洞规模小且顺层发育，在掌子面中部靠右的部位出现，为孤立的较为规则的溶洞；图1(c)对应的“溶洞”为掌子面前方正洞与平导洞之间的横通道(人为坑道)引起，该“溶洞”规模较大，较为规则，所以形成强烈的反射界面，反射弧延伸较远。

图1 空溶洞地质雷达图像Fig.1 GPR image of empty karst

3.2 泥质填充溶洞地质雷达图像

地质雷达探测遇泥质填充溶洞时，电磁波从灰岩介质进入泥质介质，其反射系数为负，信号相位反相；当雷达测线覆盖整个填充溶洞或部分边界时，电磁波在溶洞边界处亦形成强烈的绕反射信号，局部呈现“双曲线”形态的反射波组。与空溶洞地质雷达图像特征不同的是：由于泥质或泥夹石的填充，雷达信号在溶洞内部形成较为强烈的中低频反射信号(局部出现绕射现象)，电磁波能量衰减较快。图2(a)对应横穿隧道开挖断面的泥质填充溶洞，图2(b)对应掌子面中部至右侧的泥质填充溶洞，图2(c)为掌子面右侧至左侧连通的泥质半填充溶洞。

图2 泥质填充溶洞地质雷达图像Fig.2 GPR image of karst filled mud

3.3 富水岩溶地质雷达图像

地质雷达探测遇富水填充溶洞时，电磁波从灰岩介质进入以水为主的介质，其反射系数为负，信号相位反相。由于溶洞界面处，介质的介电常数差异大，电磁波在溶洞边界处形成强烈的反射信号[16-19]。富水溶洞地质雷达图像与空溶洞不同之处在于，电磁波高频信号衰减很快，反射系数为负；富水溶洞地质雷达图像与泥质填充溶洞不同之处在于，除电磁波高频信号相对衰减快之外，反射信号以低频宽幅为主。值得注意的是：图3(a)对应的富水溶洞局部揭示为富水岩溶管道，富水溶洞影响隧道的范围较广(自300 ns以后)，该范围围岩介质在较大范围表现为低阻特征；图3(b)对应较为孤立且规则的富水岩溶管道，管道直径约1.0 m，横穿整个隧道开挖掌子面。

4 结 论

1)积极创造现场条件合理布置雷达测线、优化参数设置、进行针对性的资料处理、掌握典型模型地质雷达正演响应特征及实时跟踪开挖地质信息等方式，都是取得地质雷达有效预报的关键途经。

2)空溶洞与泥质填充溶洞、富水溶洞地质雷达图像在反射波信号衰减、频率分布、相位变化方面存在较为明显的特征差异；相同填充性质的溶洞地质雷达图像也因溶洞规模、溶洞在隧道不同的空间位置呈现不同的特征。值得注意的是,孤立、较为规则的富水岩溶管道与小型顺层发育溶洞地质雷达图像较为相似，容易混淆，应结合反射波相位变化进行判断解释。较大规模的泥质填充溶洞与富水溶洞地质雷达图像较为相似，不易区分，这两种性质填充溶洞对隧道施工危害极大，在地质雷达判断解释结果的基础上，应采用超前钻探进一步探明。