摘要：隧道是工程施工进程中的特殊区段之一，其可能会存在多种不良地质情况，若不能及时发现并予以规避将可能会诱发重大安全事故，使施工单位蒙受不必要的经济损失，故而超前地质预报是隧道工程施工期间的重要一环。地质雷达为最近几年中工程建筑期间常用的一类物探仪器，其具备较高的分辨率，且运行效率高，故而在超前地质预报中有较广泛应用，针对掌子面前端的溶洞体现出较好的辨识能力。本文在解读地质雷达工作原理的基础上，探讨其实践应用，并对地质雷达图像作出分析。
关键词：岩溶隧道；超前地质预报；地质雷达；运用实践
新时期下，国内交通工程迅速发展，隧道工程建设数目逐年上升，为保证隧道工程施工过程的安全性，减少或规避塌方、涌水、突泥等灾害，在隧道开挖掘进过程中，经常会应用物探技术进行超前地质预报，进而能在早期发现掌子面前端的不良地质体，进而为工程施工方案的拟定提供更全面的地质信息，降低工程事故的发生率，推动隧道工程施工作业进程。地质雷达法、TCP等是隧道熔岩超前地址预报中常用方法。地质雷达探测具有扫描迅速、操作流程简易、携带便捷、分辨率较高及能获得更置管图像等优势特征，故而在隧道施工领域中有较广泛应用。
1地质雷达的工作原理
地质雷达是利用高频电磁波（主频小则数十兆赫，高则数千兆赫）以宽频带短脉冲的方式，由地面通过发射天线T抵达地下，再经由地下地质体或者是地层的反射后返回到地面，接收天线R负责将其接收。见图1。其公式原理为：
图1 雷达记录示意图
（H：目标体埋设的深度；T：目标体雷达波的双程走时；C：在真空内雷达波的传导速度；Er：目标体介质的相对介电常数，例如空气、纯水、冰、混凝土的相对介电常数依次为1、81、4、6.4）[1]。
2地质雷达在岩溶隧道超前地质预报中的应用实践
2.1土老冲隧道
2.1.1工程概况
本隧道是隧道为分离式中隧道。左幅整个长度为740.00m，隧道埋深最大值为94.30m；右幅、隧道埋深最大值依次为715m、100.5m。经现场勘测发现，场区地面高程在1485.8~1645.1m区间内取值，相对高差为159.3m。场区上部覆盖第四系残坡积粘土，下伏为中厚层状泥质灰岩夹泥岩，初期现场测绘结果表明[2]，岩溶是本隧道场区的主要不良地质。
2.1.2实例分析
本隧道右线里程是YK28+560 的掌子面岩性是中风化泥质灰岩，存在竭力裂隙且发育较为迟缓，闭合性相对较差。掌子面正中央有一个小溶蚀空洞，未充填，顺沿岩层面存在溶蚀裂隙，且有泥质填充，掌子面岩石欠完整，是Ⅳ级围岩。
利用地质雷达对掌子面探测，发现在掌子面前端4.1~7.1m右侧位置形成了显著的高振幅强反射波，波形混乱，通相轴间断性，推测该位置是一个溶洞空腔，且有部分泥质充填。
在掌子面前12.1右侧位置形成了中频、高幅的反射波，同相轴连贯性相对较差，且设计的范畴较狭窄，推测该位置是溶洞发育区段，有粘土充填。结合隧道场区追踪观察，发现在隧道右线YK28+554 掌子面右测形成一个溶洞，宽度大概是2.1m，同时朝向内部拓展约为2.1m，局部有软塑粘土充填，在右线YK28+548 掌子面右侧有一宽度约3.1m、延展长度约为3.1m的溶洞，洞内填充物以硬塑土为主，和地质雷达的超前预测结果相吻合。
2.2保罗山隧道
2.2.1工程概况
该隧道左幅全长分别为1259.0m，隧道埋深最大值为116.0m；右幅全长及最大深埋依次为12180.0m、120.m，场区地面高程取值范围为1447.8~1635.9m，相对高差为188.1m。隧道场区中无断层，场区上覆盖粉质粘土。结合早期场区地质测绘结果，不良地质以岩溶为主。
2.2.2案例分析
本隧道右线里程为 YK27+647 的掌子面岩性是薄-中厚层中风化泥质灰岩，颜色以灰色、灰黄色为主，灰岩质地相对柔软，节理裂隙发育，封闭性相对较差，泥质填充；掌子面右侧岩体结构破损呈碎片状，岩溶整体呈现为裂隙发育。掌子面整体湿润，地下水发育较为良好，围岩自我稳定能力相对较差，经整体分析判断其属于Ｖ级围岩。
采用地质雷达对隧道场区相应里程进行探测后获得雷达堆积波图像，对图像进行分析后发现在掌子面前方2.1~5.1m位置有高振幅的强反射波形成，波形凌乱，频率相对较高；在掌子面前15.2~20.2位置出现了高振幅的强反射波，频率相对较低，同相轴错综复杂且离断，和掌子面前端2.1~5.1m位置相比较能量明显降低。由此，可以推测YK27+644~YK27+627是岩性变化区段（延展长度大概是17.2m），是填充型溶洞的可能性更大。
结合隧道场区追踪观察，发现当开挖掘进到YK27+644位置时，隧道岩性有所改变，具体是由泥质灰岩转变成硬塑土-软塑土，当掘进抵达YK27+624位置时，隧道岩性转变为泥质灰岩。因此在桩号 YK27+644~YK27+624位置，是一个型号相对较大的填充型溶洞，顺沿隧道进尺方位跨度约为20m，与和地质雷达超前预报情况推断情况基本一致。
3地质雷达图像的解释
3.1完整岩石
从理论层面上分析，完整岩石对的电磁波基本无反射信号，但在风化、含水率的因素的影响下，在岩石内部会形成部位微弱的信号反射，高频的发射信号是其典型表现。
3.2破碎带
其形成信号通常呈现为不匀称的低频与中频特征，在断层破碎带位置信号频率变化服务相对较大，无规律可寻，同相轴不连贯性，有错段形成[3]。
3.3岩溶
非充填型岩溶对隧道工程施工过程安全性形成的影响相对较小，电磁波反射信号呈现为不均匀的中低频信号，频率波动较快速，有规律性；而针对小于掌子面的岩溶而言，同相轴最大的特点是有孤立体反射信号，同相轴连贯，因为属于非填充型，故而部分情况析会在前后端面形成反射信号；而针对规模大于掌子面的非填充型岩溶而言，可能会和裂隙混淆，层面状反射信号是其特异性表现，且前后端面的信号相距较远。
结束语
地质雷达超前地质预报能精确的对隧道前方不良地质进行预报，进而为后续施工方案的完善提供更完善的参照依据。地质雷达图像的解释工作是一个持续积累经验的过程，也有利于强化物探解译人员的认知水平。地质雷达是现阶段一类性能持续完善的无损探测技术，在地质预报领域中将会有更大的应用空间。
参考文献：
[1]李怡哲,王威,谢逸超.地质雷达在勐远3号隧道超前地质预报中的应用[J].交通科技,2018(05)：102-105+117.
[2]李波.TGP206与地质雷达在隧道超前地质预报中的应用[J].建筑技术开发,2017,44(14)：56-58.
[3]吴真玮,潘隆武,邓家喜.地质雷达在岩溶地区公路隧道超前探测中的研究与应用[J].西部交通科技,2017(06)：71-75.
论文作者:高军1,2,林晓3,陈拥军4,王伟4,翁小川5
论文发表刊物:《基层建设》2019年第23期
论文发表时间:2019/11/8
标签：隧道论文; 地质论文; 岩溶论文; 场区论文; 超前论文; 反射论文; 溶洞论文; 《基层建设》2019年第23期论文;