赵瑞传 王尔觉
中交公路规划设计院有限公司 北京 100088
摘要：岩溶区修建隧道时因岩溶情况错综复杂，经常出现塌方、突泥、涌水等风险事故，因此在施工前及时掌握隧道前方不良地质情况，对于降低施工风险、提高工期等具有重要意义。鉴于目前地质雷达在岩溶区探测精度不够理想的现状，本文从地质雷达信号、图谱特征着手，就不同发育程度的溶蚀现象进行具体分析，系统总结了不同岩溶地质的波谱特征，并通过实际隧道工程进行了验证，研究成果可为类似工程提供借鉴。
关键词：岩溶；隧道工程；地质雷达；图谱特征
近年来随着隧道建设往我国西南部延伸，岩溶地层给隧道施工带来了不小挑战，岩溶隧址区内的突水、突泥、冒顶、塌方等安全事故屡见不鲜[1]。因此，超前地质预报在岩溶地区隧道施工中扮演了不可或缺的角色，由于地质雷达具有简便、测试时间短、对施工干扰小、精度较高等优点，目前在短距离超前地质预报中被广泛采用。
但由于解译人员对地质状况掌握不足、经验欠缺及对雷达图谱特征不太了解，造成预报精度不理想的现象时有发生。因此，本文针对岩溶区隧道，从雷达原理、图谱入手，总结各种典型溶蚀的波谱图特征，提高预报精度，为类似岩溶区隧道工程提供借鉴。
1 地质雷达原理
与探空或通信雷达技术近似，地质雷达是利用高频电磁脉冲波的反射探测目的体及地质现象，高频电磁波以宽频带脉冲形式，通过发射天线被定线送入地下，经存在电性差异的地下地层或目标反射后返回地面，由接受天线所接收。
高频电磁波传播常数 是一个复数表达式：
其中： 为相位系数，表示单位长度 综上可知：衰减系数与电导率 、频率 成正比例关系，因此电磁波通过富水区时高频被吸收，反射波以低频信号为主，较好的解释富水区及填充型岩溶的波形图像特征。
（2）反射系数
反射系数R：
2 岩溶区隧道地质雷达图谱特征
2.1 岩溶主要分类
岩溶地质是水对可溶性岩进行一系列化学和物理作用后形成的溶蚀性地层，岩溶作用会在地下形成溶蚀裂隙、溶沟、溶洞等不良地质现象。隧道施工过程中若破坏岩溶区原有的隔水层、结构稳定性等，将出现突水、突泥现象，严重会导致坍塌、泥石流等灾害[3~6]。
2.2 岩溶典型图谱特征
由于岩溶区与周围岩体在结构、相对介电常数等方面具有较大差异，电磁波穿越岩溶区时的频率、振幅等均不同，雷达波谱图各有特征。
（1）完整岩体
完整岩体电磁波反射信号很弱，频率变化幅度小，同相轴均一性好。
（2）非填充型岩溶
非填充型岩溶即常见的溶洞。雷达图谱中电磁波以均匀性差的中低频信号为主，在岩体与空腔分界面频率急剧变化，反射波规律性较好。
对于规模小于掌子面的溶洞其雷达图谱特征明显，呈典型的孤立反射信号，同相轴弧状连续，当溶洞纵向尺寸不大时，溶腔前后界面均会有孤立反射信号。
（3）填充型岩溶
填充型岩溶即溶腔中有物质填充，填充型岩溶也存在大于掌子面和小于掌子面现象，根据反射波能量分布可判别。
3 工程应用实例
3.1 工程简介
某隧道基本地质条件如下：
（1）工程地质条件
隧址区上覆第四系残坡积层含碎石粘土、崩塌堆积层块石土、冲洪积层卵石土。
（2）水文地质条件
隧址区地表水以坡面流形式自然排泄，少部分沿基岩节理裂隙、岩层层面、溶蚀孔洞等下渗赋存，形成隧道开挖的涌水水源。
（3）不良地质现象
不良地质主要为岩溶、危岩体及堆积体。隧道开挖揭露隐伏岩溶的可能性大，遇溶洞极易产生突水、突泥等危害。
3.2 地质雷达数据采集
数据采集以线测为主，点测为辅，来回各一条测线。为保证采集数据真实可靠，采集前排除掌子面附近金属、高压电线等干扰物，采集过程中雷达紧贴掌子面匀速移动。测线布置见图3-1所示。
图3-1 测线布置示意图及现场采集照
3.2 地质预报图谱及开挖验证
通过分析隧道几处典型的岩溶现象进行图谱，并在开挖中验证了预报的准确性，具体如下：
（1）非填充型溶洞
隧道某段段地质雷达图谱见图3-2，电磁波以不均匀的中-低频信号为主，15m处呈典型的孤立体反射信号，同时深部也呈孤立体反射信号，同相轴弧状较连续，推测掌子面前方约15m处存在非填充型溶洞。
施工中发现开挖面右侧存在一处非填充型溶洞。
隧道右线溶蚀发育程度高，且掌子面含泥量大，围岩整体破碎，隧道右线进口雷达图谱见3-3所示，掌子面前方5m处，反射波较强、呈孤立反射信特征，同相轴斜向发展，12-18m横向范围内，电磁波反射强，以低频信号为主且同相轴连续，呈明显的层面带状反射，推测该处存在较大溶腔。
根据对隧道开挖的跟进，在YK49+554掌子面右侧边墙处揭露一溶洞，YK49+566处揭露一大型溶腔，尺寸超过了掌子面范围。
（2）填充型溶洞
隧道以溶蚀度较高的灰岩为主且含泥量较大，对隧道右线进行探测，发现掌子面前方3-20m范围内电磁波以低频信号为主，同相轴较连续，振幅强，且存在多次震荡信号，因此预计掌子面前方泥质溶蚀裂隙发育或存在填充性溶洞，伴随夹泥，稳定性差，可能出现突泥现象，雷达图谱见图3-4。
图3-4 一处地质预报图谱
经过开挖验证，掌子面前方存在较大的泥质填充型溶洞，其中开挖过程中出现了突泥等不良地质现象。
4 结论
（1）大量工程案例表明，地质雷达对岩溶区不良地质现象的探测具有精度高、效率高、时效性高等优点，极大降低了岩溶区隧道施工安全风险。
（2）岩溶区地质雷达图谱均有一定特征及规律。对于规模小于掌子面的溶腔呈典型的孤立反射信号，同相轴弧状连续，溶腔前后界面均会有孤立反射信号，规模大于掌子面的溶腔图谱呈层面状反射信号；填充型岩溶图谱为低频反射信号伴随急剧变化现象，同相轴连续性较好，高振幅，反射波多次震荡，填充型岩溶的尺寸根据电磁波能量分布可较好的辨别。
（3）地质预报图谱具有多解性，因此在岩溶区隧道的探测过程中，应不断的积累实战经验，紧紧结合地质资料及气候条件等，才能有更高的解译精度，才能进一步提高地质雷达在岩溶区地质预报的效率，更好服务于隧道建设。
参考文献：
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论文作者:赵瑞传,王尔觉
论文发表刊物:《防护工程》2018年第10期
论文发表时间:2018/9/26
标签：岩溶论文; 地质论文; 隧道论文; 图谱论文; 反射论文; 溶洞论文; 信号论文; 《防护工程》2018年第10期论文;