基于地质雷达的隧道底板探测技术研究

李晓亮

摘要：该研究通过工程实例，介绍了超前地质预报中地质雷达的工作原理与应用方法、地质雷达布线方法以及雷达探测结果，通过与隧道钻探结果相比较，进一步验证了地质雷达在探测隧道底板隐伏溶洞的可靠性，并针对探测结果给出相应的结论与建议，保证了隧道的安全快速施工。

关键词：地质雷达；隧道；超前地质预报

0、引言

对于隧道施工中可能产生的安全性问题，超前地质预报能够分析所需的施工前方围岩与地层情况[1]。争取在施工前掌握岩土体性质、状态等地质信息，为进一步的施工提出建议，防止在施工过程中发生涌水、岩爆等地质灾害，从而实现施工安全高效的进行。

地质雷达简单实用，精度较高，可用来查明断层破碎带、滑坡面、岩溶和土洞，适合在超前地质预报中进行短距离探测，根据处理后的雷达图像可以直观的得出工程所需的地质信息[2]。

1、地质雷达原理介绍

地质雷达（GroundPenetratingRadar（GPR））是一种利用高频电磁波探测地下物体的电子设备。地质雷达通过发射天线发射中心频率为12.5M至1200M、脉冲宽度为0．1ns的脉冲电磁波讯号[3]。当这一讯号在岩层中遇到探测目标时，会产生一个反射讯号。直达讯号和反射讯号通过接收天线输入到接收机，放大后由示波器显示出来[4]。根据示波器有无反射汛号，可以判断有无被测目标；根据反射讯号到达滞后时间及目标物体平均反射波速，可以大致计算出探测目标的距离[5]。

2、二台坪隧道工程概况

二台坪隧道是拟建银川至北海高速公路建始（陇里）至恩施（罗针田）段上的一座分离式隧道。起讫里程桩号分别为：ZK94+345至ZK95+147（左隧道），长802m；YK94+335至YK95+166（右隧道），长831m，属于中长隧道。隧道最大埋深约160m，洞轴线方位角235°：单洞净空10.50m×5.0m，进出口洞门均采用端墙式洞门，灯光照明，机械通风。隧道进口位于直线段上，洞身接A=520的缓和曲线上，出口位于R-1500的圆曲线上。最大超高2%。隧道全线位于-2.35%的单向坡上（沿路线前进方向上坡为正）。隧址所在地隶属位于恩施龙凤镇古厂坝村。为低山陡坡地形，岩溶峰丛峡谷地貌，地势起伏较大，为深切割“V”形峡谷，地势险峻，局部形成百余米的绝壁陡崖，断崖冲沟交错，呈波状起伏，隧道整体位于陡坡下部。山地植被发育，多为乔木与灌木。地面标高在585到740m之间。进口约200m处有乡村公路与外界相连，出口处为刷坝溪河，交通条件较差。

其中，在隧道进口至ZK94+960，为斜坡地形；进口位于凹形斜坡部位，山坡坡度约15-25°。

图1二台坪隧道进口右洞YK94+635～YK94+670底板雷达测线示意图

图2二台坪雷达测线示意图

3、地质雷达测线布置与分析结果

对二台坪隧道进口右洞YK94+635至YK94+670底板开展了一次短距离地质雷达探测工作，采用天线频率为100MHz，采集样本点为1024，测线布置示意图如图1所示。同时，也对二台坪隧道进口YK94+661已揭露溶洞附近开展了一次短距离地质雷达探测工作，采用天线频率为100MHz，采集样本点为1024，测线布置示意图如图2所示。

对于YK94+635至YK94+670底板，本次地质雷达探测深度为25m，探测范围YK94+635～YK94+670，处理后雷达图像如附图所示。具体探测结论描述如下：

（1）里程桩号YK94+643至YK94+649范围内，底板下方5至12m范围内雷达信号反应较强，推测该范围内围岩完整性较差，节理裂隙发育，可能存在软弱夹层。

（2）里程桩号YK94+651至YK94+660范围内，底板下方3至7m范围内雷达信号异常，推测该范围内围岩完整性差，节理裂隙以及溶蚀裂隙发育，可能存在溶洞。

（3）里程桩号YK94+660至YK94+667范围内，底板下方1至3m范围内雷达信号反应较强，推测该范围内岩体较破碎，溶蚀裂隙发育，裂隙中夹杂泥质[6]。

图3处理后雷达图像YK94+635至YK94+670段

对于YK94+661已揭露溶洞附近（如图4所示），本次地质雷达探测距离为25m，处理后雷达图像如附图所示。结合现场地质情况分析，具体探测结论描述如下：

图4YK94+661附近溶洞

测线1、2：根据测线1雷达图像分析，距离测线始端1至4m处下方2至4m处雷达信号反射异常，推测为已探明溶洞的延伸处；根据测线2雷达图像分析，距离测线末端1至5m处下方1至4m雷达信号反射异常，推测为已探明溶洞的延伸处。经综合分析，所揭露溶洞沿图4向底板后方斜向下延伸。

测线3、4、5：根据测线3雷达图像分析，推测该测线下方2至6m处岩体较破碎、节理裂隙发育；根据测线4雷达图像分析，距离测线末端3至5m下方1至5m处，距离测线末端0至2m下方17至22m雷达信号反射异常，推测该处岩体较破碎，溶蚀裂隙较发育；根据测线5雷达图像分析，推测该测线下方2至4m处岩体较破碎、溶蚀裂隙较发育。经综合分析，图1溶洞左后方区域下方1至5m位置处可能存在溶洞。

测线6、7：测线6、7信号受场地不平整因素影响，局部存在干扰，结合探测信号，经综合分析，该测线区域前方岩体溶蚀裂隙较发育，裂隙中夹杂少量泥质。

图5YK94+661附近雷达处理图像

4、结论及建议

（1）该里程范围内围岩以微风化灰岩为主。据雷达探测结果及现场分析，底板下方围岩完整性较差，节理裂隙发育，裂隙中充填泥质，可能存在溶洞；由于底板不平整和金属设备的存在，雷达探测结果将受到一定影响。因此，施工过程针对反应异常区结合雷达探测结果和已揭露围岩变化情况综合分析，确保了施工质量和安全。

（2）对于YK94+661已揭露溶洞附近，进行现场地质雷达测试时，场地不平整及测线周围金属物体将对其探测结果产生较大影响。综合分析7条测线，推测该区域下方岩体溶蚀裂隙较发育，且局部区域可能存在溶洞。为更好的判断该区域附近下方的地质情况，施工过程进行了钻探验证，证实了探测结果的准备性。

参考文献：

[1]岳彬，钟凌云，王贵和.地质雷达技术在客专隧道超前地质预报中的应用[J]；工程勘察；2014年09期

[2]赵江，韦猛，苏波.探地雷达对隧道中裂隙与富水带的响应[J]；长春工程学院学报（自然科学版）；2014年03期

[3]覃航，邱恒，杨庭伟.隧道超前地质预报中的地质雷达图像分析[J]；勘察科学技术；2012年02期

[4]BensonAK.Applicationsofgroundpenetratingradarinassessingsomegeologicalhazards：examplesofgroundwatercontamination，faults，cavities[J].JournalofAppliedGeophysics，1995，33（1－3）：177－193.

[5]肖兵，何继善.探地雷达信号瞬态谱分析[J].物探与化探，1999，23（6）：459－461.

[6]余志雄，薛桂玉，周创兵.复信号分析技术及其在地质雷达数字处理中的应用[J].岩石力学与工程学报，2005，24（5）：798－802.