較低頻率天線(xiàn)地質(zhì)雷達(dá)在巖溶隧道探測(cè)上的應(yīng)用

王明海， 程宏軍， 周曉磊

(中鐵二十一局集團(tuán)有限公司第三工程公司, 陜西咸陽(yáng) 712000)

在喀斯特地貌地區(qū)的隧道工程中，由于溶槽、溶洞和巖溶裂隙等典型巖溶地質(zhì)構(gòu)造所引起的涌水涌泥、塌陷、落石等工程地質(zhì)問(wèn)題，常對(duì)正常施工的進(jìn)行與人員安全產(chǎn)生諸多不利影響[1]。超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作中，傳統(tǒng)的地質(zhì)調(diào)查法與超前水平鉆探存在經(jīng)濟(jì)與時(shí)間上的成本弱勢(shì)，而物探方法的合理運(yùn)用能較好解決這樣的問(wèn)題[2]。目前隧道利用電磁波反射法進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)普遍采用100MHz地質(zhì)雷達(dá)天線(xiàn)，由于在巖溶地區(qū)夾泥、富水等原因下電磁波衰減快，探測(cè)有效深度僅20m左右，而規(guī)范設(shè)計(jì)要求單次預(yù)報(bào)深度為30m[3]。本文依托貴南高鐵白秀山二號(hào)隧道泄水洞工程中的2次預(yù)報(bào)實(shí)例，驗(yàn)證意大利IDS公司生產(chǎn)的RIS-K2設(shè)備40MHz天線(xiàn)在所需精度上的操作可行性，并對(duì)工作流程、預(yù)報(bào)結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖情況進(jìn)行對(duì)比和評(píng)價(jià)。

1 工程地質(zhì)概況

白秀山二號(hào)隧道位于廣西境內(nèi)馬山至南寧北區(qū)間，為單洞雙線(xiàn)，隧道進(jìn)口D2K412+103，出口D2K414+645，全長(zhǎng)2 542m，最大埋深約324m。隧道位于地下水季節(jié)變動(dòng)帶內(nèi)，地下水豐富，為降低施工和運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)，解決運(yùn)營(yíng)期間排水能力問(wèn)題，同時(shí)兼顧施工通風(fēng)，隧道設(shè)置泄水洞，位于相應(yīng)正洞前進(jìn)方向左側(cè)25m，長(zhǎng)1 198m(圖1)。全隧線(xiàn)路縱坡為“人”字坡，隧道內(nèi)線(xiàn)路縱坡為3 ‰的單面上坡。全隧穿越灰?guī)r地層，上覆第四系全新統(tǒng)崩積、堆積(Q4col)塊石土，沖洪積軟土、黏土，坡殘積(Q4dl+el)紅黏土；下伏基巖為二疊系下統(tǒng)茅口組(P1m)灰?guī)r；二疊系下統(tǒng)棲霞組(P1q)灰?guī)r；石炭系上統(tǒng)(C2)灰?guī)r。隧區(qū)巖溶中等～強(qiáng)烈發(fā)育，地表呈低山地貌，大型溶蝕洼地、落水洞發(fā)育，坡面植被發(fā)育，多為灌木林，基巖多直接出露，山間溝槽(谷)發(fā)育，線(xiàn)路附近交通條件不便。

圖1 白秀山二號(hào)隧道泄水洞設(shè)置示意(單位:mm)

2 地質(zhì)雷達(dá)工作原理

2.1 電磁波反射法

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方法為電磁波反射法，采用設(shè)備為地質(zhì)雷達(dá)。地質(zhì)雷達(dá)是采用無(wú)線(xiàn)電波檢測(cè)地下介質(zhì)分布和對(duì)不可見(jiàn)目標(biāo)體或地下界面進(jìn)行掃描，以確定其內(nèi)部結(jié)構(gòu)形態(tài)或位置的電磁技術(shù)。其工作原理為：電磁波以寬頻帶脈沖形式通過(guò)發(fā)射天線(xiàn)發(fā)射，經(jīng)目標(biāo)體反射或透射，被接收天線(xiàn)所接收(圖2)。

圖2 雷達(dá)工作原理及其基本組成

電磁波的傳播取決于物體的電性，物體的電性參數(shù)包括電導(dǎo)率μ和介電常數(shù)ε，前者主要影響電磁波的穿透深度，后者決定電磁波在該物體中的傳播速度，故電性介面即電磁波傳播的速度介面。雷達(dá)信號(hào)傳播至不同地質(zhì)體電性介面時(shí)產(chǎn)生反射信號(hào)返回地面，通過(guò)接收反射信號(hào)到達(dá)地面的時(shí)間即可推測(cè)地下介質(zhì)的變化情況。另外，電磁波在介質(zhì)中傳播時(shí)，其路徑、電磁場(chǎng)強(qiáng)度和波形將隨介質(zhì)的電性質(zhì)及集合形態(tài)而變化。對(duì)時(shí)域波形進(jìn)行采集、處理和分析，即可確定地下界面或目標(biāo)體的空間位置或結(jié)構(gòu)狀態(tài)。

地質(zhì)雷達(dá)具有高分辨率、無(wú)損性、高效率、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。

2.2 儀器設(shè)備及軟件系統(tǒng)

測(cè)試設(shè)備使用意大利IDS公司生產(chǎn)的RIS-K2地質(zhì)雷達(dá)，采用天線(xiàn)頻率為40MHz，設(shè)備天線(xiàn)與主機(jī)如圖3所示。參數(shù)如下：掃描速率：850 掃/s。脈沖重復(fù)頻率：400kHz(高速的脈沖重復(fù)頻率使數(shù)據(jù)收集更快)；時(shí)窗：5-9999ns；采樣點(diǎn)數(shù)：128-8192；疊加數(shù)：1-32768；分辨率：5ps；工作溫度：-10～40 ℃；A/D轉(zhuǎn)換：16bit；環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)：IP65；動(dòng)態(tài)范圍：大于160dB；信噪比：大于160dB；最多至8個(gè)通道，可連接8對(duì)單天線(xiàn)同時(shí)測(cè)量。

(a)探測(cè)天線(xiàn)

(b)主機(jī)

2.3 數(shù)據(jù)處理原理

探測(cè)的雷達(dá)圖形常以脈沖反射波的波形形式記錄。地下介質(zhì)等同于一復(fù)雜濾波器，介質(zhì)對(duì)波不同程度的吸收以及介質(zhì)的不均勻性，使得脈沖到達(dá)接收天線(xiàn)時(shí)，波幅減小，波形變得與原始發(fā)射波形有較大的差異[4]。另外，不同程度的各種隨機(jī)噪聲和干擾也影響實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，故需對(duì)接收信號(hào)實(shí)施適當(dāng)?shù)奶幚韥?lái)改善信噪比，為進(jìn)一步解釋提供清晰的圖像，處理包括：(1)消除隨機(jī)噪聲壓制干擾，改善背景；(2)通過(guò)自動(dòng)時(shí)變?cè)鲆婊蚩刂圃鲆嬉匝a(bǔ)償介質(zhì)吸收和抑制雜波，進(jìn)行濾波處理除去高頻，突出目的體，降低背景噪聲和余振影響。在對(duì)數(shù)據(jù)文件進(jìn)行了預(yù)處理、增益調(diào)整、濾波和成圖等方法的操作后，最終得到各測(cè)線(xiàn)的成果圖來(lái)進(jìn)行探測(cè)對(duì)象的地質(zhì)判釋[5]。本測(cè)試段采用IDSP6.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，流程有：①零點(diǎn)校正；②去直流漂移；③FIR帶通濾波；④增益調(diào)整；⑤背景消除；⑥成圖。

3 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試與結(jié)果對(duì)比

根據(jù)灰?guī)r探測(cè)經(jīng)驗(yàn),現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試?yán)走_(dá)測(cè)試參數(shù)為：時(shí)窗700ns，采樣點(diǎn)數(shù)1024，點(diǎn)距0.1m，波速10.5cm/ns。在掌子面下部來(lái)回布置2條測(cè)線(xiàn)，用于對(duì)比排查干擾與假異常。圖4為測(cè)線(xiàn)布置圖。

圖4 測(cè)線(xiàn)布置

3.1 掌子面XDK412+141測(cè)試

測(cè)試掌子面巖性主要為灰色中厚～厚層狀灰?guī)r，巖體呈弱風(fēng)化狀態(tài)，局部較破碎。節(jié)理裂隙較發(fā)育，節(jié)理面部分微張，地下水不發(fā)育。來(lái)回兩條測(cè)線(xiàn)采集的雷達(dá)數(shù)據(jù)經(jīng)處理(圖5),波形基本對(duì)稱(chēng)，均在深度24～27m(對(duì)應(yīng)里程XDK412+165～168，雙程走時(shí)450～520ns，參考波速10.5cm/ns)存在同相軸連續(xù)的強(qiáng)反射界面，推測(cè)該段存在巖溶腔體，且?guī)r體相對(duì)破碎、夾泥。

(a) 測(cè)線(xiàn)①(左→右)

(b) 測(cè)線(xiàn)②(右→左)圖5 地質(zhì)雷達(dá)測(cè)試成果

經(jīng)開(kāi)挖驗(yàn)證，XDK412+166掌子面左拱部發(fā)育一直徑約40cm的溶蝕管道，伴有黏土物質(zhì)充填，如圖6(a)所示。XDK412+170掌子面拱部發(fā)育一直徑約50cm巖溶管道，向下延伸至掌子面中部，圍巖受侵蝕較嚴(yán)重。左側(cè)拱腳發(fā)育若干向下延伸的溶蝕裂隙，如圖6(b)所示。

(a)左拱部溶蝕管道

(b)拱部溶蝕管道與裂隙

3.2 掌子面XDK412+166測(cè)試

掌子面巖性主要為灰色中厚～厚層狀灰?guī)r，巖體呈弱風(fēng)化狀態(tài)，巖體較破碎。節(jié)理裂隙較發(fā)育，部分節(jié)理面夾泥。掌子面巖溶發(fā)育，左拱部發(fā)育一直徑約40cm的溶蝕管道，伴有黏土物質(zhì)充填。掌子面干燥，地下水弱發(fā)育，溶蝕管道有少量裂隙水呈滴水狀出露。來(lái)回兩條測(cè)線(xiàn)采集的雷達(dá)數(shù)據(jù)經(jīng)處理(圖7),波形基本對(duì)稱(chēng)，且均在深度8～21m(對(duì)應(yīng)里程XDK412+174～187，雙程走時(shí)150～400ns，參考波速10.5cm/ns)存在強(qiáng)反射界面，同相軸較連續(xù)，推測(cè)為存在巖溶腔體發(fā)育，巖體相對(duì)破碎、夾泥。

(a) 測(cè)線(xiàn)①(左→右)

(b) 測(cè)線(xiàn)②(右→左)圖7 地質(zhì)雷達(dá)測(cè)試成果

經(jīng)開(kāi)挖揭示，XDK412+175拱部發(fā)育一溶蝕空洞，寬約2.3m、高約1.5m，并充填少量黏土物質(zhì)如圖8(a)所示；XDK412+177掌子面右下部發(fā)育2.5m×1.2m的溶蝕空洞，與隧道軸線(xiàn)約呈15 °向掌子面前方下部延伸至少20m，如圖8(b)、圖8(c)所示。

由以上案例可知，意大利IDS公司的RISK2設(shè)備40MHz天線(xiàn)有效探測(cè)距離能滿(mǎn)足30m預(yù)報(bào)深度的要求，且至少在大于直徑40cm的異常體預(yù)報(bào)精度上能取得良好效果。

4 結(jié)論與評(píng)價(jià)

喀斯特地貌因其復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造和巖溶發(fā)育規(guī)律，使隧道掘進(jìn)施工中存在諸多難以預(yù)測(cè)的工程地質(zhì)問(wèn)題。在保證探測(cè)精度和控制成本的要求下，選取適宜的物探設(shè)備與方法進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)則顯得尤其重要。通過(guò)貴南高鐵白秀山典型巖溶隧道段的地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)結(jié)果，得出在30m的深度預(yù)報(bào)要求下，利用40MHz天線(xiàn)能有效保證預(yù)報(bào)要求，并取得良好效果。故得出在巖溶地區(qū)隧道的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中，可以選用40MHz較低頻率天線(xiàn)地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行預(yù)測(cè)和指導(dǎo)施工。

(a)巖溶管道

(b)溶蝕空洞(1)

(c)溶蝕空洞(2)圖8 開(kāi)挖情況示意