较低频率天线地质雷达在岩溶隧道探测上的应用

王明海， 程宏军， 周晓磊

(中铁二十一局集团有限公司第三工程公司, 陕西咸阳 712000)

在喀斯特地貌地区的隧道工程中，由于溶槽、溶洞和岩溶裂隙等典型岩溶地质构造所引起的涌水涌泥、塌陷、落石等工程地质问题，常对正常施工的进行与人员安全产生诸多不利影响[1]。超前地质预报工作中，传统的地质调查法与超前水平钻探存在经济与时间上的成本弱势，而物探方法的合理运用能较好解决这样的问题[2]。目前隧道利用电磁波反射法进行超前地质预报普遍采用100MHz地质雷达天线，由于在岩溶地区夹泥、富水等原因下电磁波衰减快，探测有效深度仅20m左右，而规范设计要求单次预报深度为30m[3]。本文依托贵南高铁白秀山二号隧道泄水洞工程中的2次预报实例，验证意大利IDS公司生产的RIS-K2设备40MHz天线在所需精度上的操作可行性，并对工作流程、预报结果和现场开挖情况进行对比和评价。

1 工程地质概况

白秀山二号隧道位于广西境内马山至南宁北区间，为单洞双线，隧道进口D2K412+103，出口D2K414+645，全长2 542m，最大埋深约324m。隧道位于地下水季节变动带内，地下水丰富，为降低施工和运营风险，解决运营期间排水能力问题，同时兼顾施工通风，隧道设置泄水洞，位于相应正洞前进方向左侧25m，长1 198m(图1)。全隧线路纵坡为“人”字坡，隧道内线路纵坡为3 ‰的单面上坡。全隧穿越灰岩地层，上覆第四系全新统崩积、堆积(Q4col)块石土，冲洪积软土、黏土，坡残积(Q4dl+el)红黏土；下伏基岩为二叠系下统茅口组(P1m)灰岩；二叠系下统栖霞组(P1q)灰岩；石炭系上统(C2)灰岩。隧区岩溶中等～强烈发育，地表呈低山地貌，大型溶蚀洼地、落水洞发育，坡面植被发育，多为灌木林，基岩多直接出露，山间沟槽(谷)发育，线路附近交通条件不便。

图1 白秀山二号隧道泄水洞设置示意(单位:mm)

2 地质雷达工作原理

2.1 电磁波反射法

现场测试方法为电磁波反射法，采用设备为地质雷达。地质雷达是采用无线电波检测地下介质分布和对不可见目标体或地下界面进行扫描，以确定其内部结构形态或位置的电磁技术。其工作原理为：电磁波以宽频带脉冲形式通过发射天线发射，经目标体反射或透射，被接收天线所接收(图2)。

图2 雷达工作原理及其基本组成

电磁波的传播取决于物体的电性，物体的电性参数包括电导率μ和介电常数ε，前者主要影响电磁波的穿透深度，后者决定电磁波在该物体中的传播速度，故电性介面即电磁波传播的速度介面。雷达信号传播至不同地质体电性介面时产生反射信号返回地面，通过接收反射信号到达地面的时间即可推测地下介质的变化情况。另外，电磁波在介质中传播时，其路径、电磁场强度和波形将随介质的电性质及集合形态而变化。对时域波形进行采集、处理和分析，即可确定地下界面或目标体的空间位置或结构状态。

地质雷达具有高分辨率、无损性、高效率、抗干扰能力强等特点。

2.2 仪器设备及软件系统

测试设备使用意大利IDS公司生产的RIS-K2地质雷达，采用天线频率为40MHz，设备天线与主机如图3所示。参数如下：扫描速率：850 扫/s。脉冲重复频率：400kHz(高速的脉冲重复频率使数据收集更快)；时窗：5-9999ns；采样点数：128-8192；叠加数：1-32768；分辨率：5ps；工作温度：-10～40 ℃；A/D转换：16bit；环境标准：IP65；动态范围：大于160dB；信噪比：大于160dB；最多至8个通道，可连接8对单天线同时测量。

(a)探测天线

(b)主机

2.3 数据处理原理

探测的雷达图形常以脉冲反射波的波形形式记录。地下介质等同于一复杂滤波器，介质对波不同程度的吸收以及介质的不均匀性，使得脉冲到达接收天线时，波幅减小，波形变得与原始发射波形有较大的差异[4]。另外，不同程度的各种随机噪声和干扰也影响实测数据，故需对接收信号实施适当的处理来改善信噪比，为进一步解释提供清晰的图像，处理包括：(1)消除随机噪声压制干扰，改善背景；(2)通过自动时变增益或控制增益以补偿介质吸收和抑制杂波，进行滤波处理除去高频，突出目的体，降低背景噪声和余振影响。在对数据文件进行了预处理、增益调整、滤波和成图等方法的操作后，最终得到各测线的成果图来进行探测对象的地质判释[5]。本测试段采用IDSP6.0对数据进行处理分析，流程有：①零点校正；②去直流漂移；③FIR带通滤波；④增益调整；⑤背景消除；⑥成图。

3 现场测试与结果对比

根据灰岩探测经验,现场调试雷达测试参数为：时窗700ns，采样点数1024，点距0.1m，波速10.5cm/ns。在掌子面下部来回布置2条测线，用于对比排查干扰与假异常。图4为测线布置图。

图4 测线布置

3.1 掌子面XDK412+141测试

测试掌子面岩性主要为灰色中厚～厚层状灰岩，岩体呈弱风化状态，局部较破碎。节理裂隙较发育，节理面部分微张，地下水不发育。来回两条测线采集的雷达数据经处理(图5),波形基本对称，均在深度24～27m(对应里程XDK412+165～168，双程走时450～520ns，参考波速10.5cm/ns)存在同相轴连续的强反射界面，推测该段存在岩溶腔体，且岩体相对破碎、夹泥。

(a) 测线①(左→右)

(b) 测线②(右→左)图5 地质雷达测试成果

经开挖验证，XDK412+166掌子面左拱部发育一直径约40cm的溶蚀管道，伴有黏土物质充填，如图6(a)所示。XDK412+170掌子面拱部发育一直径约50cm岩溶管道，向下延伸至掌子面中部，围岩受侵蚀较严重。左侧拱脚发育若干向下延伸的溶蚀裂隙，如图6(b)所示。

(a)左拱部溶蚀管道

(b)拱部溶蚀管道与裂隙

3.2 掌子面XDK412+166测试

掌子面岩性主要为灰色中厚～厚层状灰岩，岩体呈弱风化状态，岩体较破碎。节理裂隙较发育，部分节理面夹泥。掌子面岩溶发育，左拱部发育一直径约40cm的溶蚀管道，伴有黏土物质充填。掌子面干燥，地下水弱发育，溶蚀管道有少量裂隙水呈滴水状出露。来回两条测线采集的雷达数据经处理(图7),波形基本对称，且均在深度8～21m(对应里程XDK412+174～187，双程走时150～400ns，参考波速10.5cm/ns)存在强反射界面，同相轴较连续，推测为存在岩溶腔体发育，岩体相对破碎、夹泥。

(a) 测线①(左→右)

(b) 测线②(右→左)图7 地质雷达测试成果

经开挖揭示，XDK412+175拱部发育一溶蚀空洞，宽约2.3m、高约1.5m，并充填少量黏土物质如图8(a)所示；XDK412+177掌子面右下部发育2.5m×1.2m的溶蚀空洞，与隧道轴线约呈15 °向掌子面前方下部延伸至少20m，如图8(b)、图8(c)所示。

由以上案例可知，意大利IDS公司的RISK2设备40MHz天线有效探测距离能满足30m预报深度的要求，且至少在大于直径40cm的异常体预报精度上能取得良好效果。

4 结论与评价

喀斯特地貌因其复杂的地质构造和岩溶发育规律，使隧道掘进施工中存在诸多难以预测的工程地质问题。在保证探测精度和控制成本的要求下，选取适宜的物探设备与方法进行超前地质预报则显得尤其重要。通过贵南高铁白秀山典型岩溶隧道段的地质雷达探测结果，得出在30m的深度预报要求下，利用40MHz天线能有效保证预报要求，并取得良好效果。故得出在岩溶地区隧道的超前地质预报中，可以选用40MHz较低频率天线地质雷达进行预测和指导施工。

(a)岩溶管道

(b)溶蚀空洞(1)

(c)溶蚀空洞(2)图8 开挖情况示意