板岩隧道中不同地质体的地质雷达图像特征

辉龙贵，刘东坤，刘浩杰，黄国禹

(1.云南省建筑科学研究院有限公司，昆明 650223；2.云南省岩土工程技术研究中心，昆明 650223)

为了实现全域性发展，云南省近年来加强了高速公路建设。云南地势西北高东南低，海拔高低差异较大，高山峡谷相间。同时，隧道占比大，地质情况复杂，施工难度大，是云南高速公路工程建设的一个重要特征。

板岩属三大岩系中的变质岩，为地壳的主要组成成分，是隧道工程施工中常见岩体。其具有变形程度大、难支护、遇水易软化等特点，不仅施工难度大、风险程度高，还严重制约隧道工程进度。因此，精准预报掌子面前面不良地质体发育情况，准确划分围岩等级，为施工提供合理支护参数及支护范围，不仅可以避免多次换拱，降低施工风险及施工预算，还可以加快施工进度。基于此，笔者对板岩隧道超前预报地质雷达(GPR)图像进行了研究。

1 探测原理与试验方法

试验设备为OKO-3型地质雷达和100 MHz智能屏蔽天线，该雷达设备具有探测区域范围广、分辨率高、穿透性好及天线屏蔽干扰小等优点，能满足超前预报技术的参数要求。笔者采用和现场超前预报以掌子面地质素描及地质雷达探测相结合的方式，多次对雷达图像解释与实际开挖情况进行验证比对，总结了不同地质体的典型雷达图像特征。

1.1 地质雷达探测原理

地质雷达探测原理为：基于物体间相对介电常数的差异，地质雷达通过宽频带时域发射天线，向介质发射高频短脉冲电磁波，电磁波在介质中传播遇到不同电性介面产生反射反射系数可用R表示，通过雷达接收天线接收电磁波反射信号，然后使用计算机处理软件对电磁波反射信号进行计算处理得到地质雷达图像，利用相应地质雷达图像中能量反射的强弱、波形和频率变化快慢、分布特征及同相轴连续、错段性等参数来识别不同物体之间的反射形态，再由雷达接收主机自动记录电磁波在其中传播的双时程，以此确定物体的空间位置[1-3]，即

(1)

式中：ε1、ε2分别为两个不同介质的相对介电常数。

又有

(2)

式中：h为物体的埋深；t为电磁波传播双时程；εγ为相对介电常数；c为真空中的雷达波速度(光速)。

1.2 掌子面地质素描

掌子面地质素描是随隧道开挖而同步进行的，对掌子面范围内围岩情况开展地质调查时，主要要搜集和分析的地质资料包括：①岩层的地质年代、岩性、主要的矿物成分及其中的胶结物；②岩层产状、地质构造，断层、褶皱和节理裂隙是岩体完整性和稳定性的主要影响因素，可通过岩层产状、地质构造评价岩体岩性指标、完整状态，确定围岩级别；③地下水状态及其他不良地质体发育情况，板岩隧道中地下水易导致岩体软化、强度降低，是掌子面变形、失稳的主要诱发因素，可通过地下水状态及不良地质体发育情况，进一步修正围岩等级[4-5]。

2 地质雷达图像与开挖对照分析

香丽高速某隧道岩性主要为三叠系下统中～强风化灰褐色板岩，岩体风化程度、完整程度不均，地下水主要为强风化带基岩裂隙水，地质作用以剥蚀、侵蚀、风化作用为主，区域地质整体稳定性较好。经现场实际探测及开挖验证比对，共得到4种典型的地质雷达图像，其雷达反射特征与开挖揭示情况如下。

2.1 节理裂隙较发育，岩体较完整

掌子面地质描述为，岩性为三叠系中统灰褐色中风化板岩，掌子面优势发育两组结构面：① J1：193°∠52°(193°表示岩层倾向，52°表示岩层倾角)；② J2：57°∠32°。其岩体较完整，主要呈块状、中厚层状结构，层间结合好，延展性中等，平均层间距为0.4～0.8 m，掌子面围岩干燥，岩质较坚硬，建议围岩级别为Ⅳ级。

较完整岩体的地质雷达图像如图1所示，其中4.0～20.0 m深度范围内电磁波频率主要为中高频，频率变化不大、分布较均匀，同相轴基本连续、平行，电磁波振幅弱，能量正常衰减。较完整岩体现场开挖情况如图2所示，掌子面前方围岩为灰褐色中风化板岩，节理裂隙较发育，岩体较完整，呈块状及厚层状结构，层间结合好，结构面平直基本无充填物，局部因机械破碎呈碎裂状结构。

图1 较完整岩体的地质雷达图像

图2 较完整岩体现场开挖情况

2.2 节理裂隙发育，岩体较破碎

掌子面地质描述为，岩性为三叠系中统灰褐色中风化板岩，掌子面优势发育两组结构面分别为：① J1：207°∠24°；② J2：43°∠69°。受到节理裂隙的切割，岩体较破碎，完整程度不均，多呈中厚层状结构，局部为镶嵌式碎裂结构，平均层间距为0.2～0.5 m，层间结合一般，结构面粗糙局部充填泥土，掌子面干燥，建议围岩级别为Ⅳ级。

较破碎岩体地质雷达图像如图3所示，其在5.0～20.0 m深度范围内电磁波频率主要为中高频，波形频率变化较快，局部振幅较强，同相轴时断时续，波形均一性较差。 较破碎岩体现场开挖情况如图4所示，可见，掌子面前方围岩为灰褐色中风化板岩，节理裂隙发育，岩体较破碎，主要为中厚层状结构，局部为镶嵌式碎裂结构，层间结合差，结构面局部充填泥土。

图3 较破碎岩体地质雷达图像

图4 较破碎岩体现场开挖情况

2.3 岩体节理裂隙很发育，岩体破碎

掌子面地质描述为：岩性为三叠系中统灰褐色强风化板岩，岩体风化程度高，岩质软，强度低，掌子面发育较多无规则短小节理，岩层走向无序，延伸性极差，层间结合很差，结构面充泥，岩体破碎，多呈碎裂结构、散体结构，掌子面干燥，建议围岩级别为Ⅴ级。

破碎岩体地质雷达图像如图5所示，其在0～20.0 m深度范围内电磁波频率主要为中低频，波形频率变快、分布不均匀，局部振幅强、存在绕射、散射，现场电磁波增益梯度大，能量衰减快，同相轴错断不连续，波形杂乱。破碎岩体现场开挖情况如图6所示，可见，掌子面前方围岩为灰褐色强风化板岩，岩体节理裂隙很发育，层间结合很差，结构面多有泥及岩屑充填，岩体破碎，呈碎裂结构、散体结构。

图5 破碎岩体地质雷达图像

图6 破碎岩体现场开挖情况

2.4 基岩裂隙水发育，岩体富水

掌子面地质描述为：岩性为三叠系中统灰褐色中风化板岩，岩体风化程度高，层间结合差，结构面夹泥及软弱层，节理及裂隙水发育，平均层间距为0.1～0.2 m，延裂隙渗水，受节理及裂隙水影响，岩体破碎，呈薄层状碎裂结构，岩体强度低，变形大，稳定性极差，建议围岩级别为Ⅴ级。

岩体富水地质雷达图像如图7所示，其中4.0～20.0 m深度范围内电磁波频率降低，以低频为主，频率变化慢，电磁波振幅增强，同相轴较连续，见多次反射波，波形基本均一。岩体富水地质现场开挖情况如图8所示，可以看出，掌子面前方围岩节理裂隙及裂隙水发育，岩体富水，夹软弱层，掌子面多处见线状流水，受节理裂隙及裂隙水影响，岩体多呈薄层状碎裂结构，局部呈散体结构。

图7 岩体富水地质雷达图像

图8 岩体富水地质现场开挖情况

3 结语

在板岩类隧道施工中，除因地质构造运动造成岩体镶嵌堆积形成空洞外，通常无溶洞等地质体发育，常见地质体主要以节理裂隙发育、岩体破碎、富水等为主，因岩体完整程度及裂隙填充物的不同，岩体介电常数差异大，反射界面不同，地质雷达反射图像特征明显，在不同地质体中雷达图像有以下特征。

(1) 岩体较完整情况，岩体以块状、厚层状结构为主，结构面基本无充填物，岩体相对介电常数差异不大，电磁波频率主要为中高频，频率变化不大、分布较均匀，同相轴基本连续、平行，电磁波振幅弱，能量正常衰减。

(2) 岩体较破碎情况，岩体以中厚层状、镶嵌碎裂结构为主，结构面局部充填泥土，岩体反射界面增多，相对介电常数差异较大，电磁波频率主要为中高频，波形频率变化较快，局部振幅较强，同相轴时断时续，波形均一性较差。

(3) 岩体破碎情况，岩体以碎裂结构、散体结构为主，层间结合很差，结构面夹泥，相对介电常数差异大，电磁波频率主要为中低频，波形频率变化快、分布不均匀，局部振幅强，存在绕射、散射，现场电磁波增益梯度大，能量衰减快，同相轴错断不连续，波形杂乱。

(4) 岩体富水情况，岩体以薄层状结构、散体结构为主，相对介电常数主要受地下水影响差异性不大，电磁波频率降低，以低频为主，频率变化慢，电磁波振幅增强，同相轴较连续，见多次反射波，波形基本均一。