蔡晖：探地雷达在隧道岩溶探测中的应用 ・１７５・ ＤＯＩ：１０．１３３７９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００３—８８２５．２０１４．０１．４０ 探地雷达在隧道岩溶探测中的应用 蔡晖 ３５０１０８） （福建省高速公路建设总指挥部，福州摘要：某在建隧道地质情况复杂，开挖过程中，隧道底部出现溶洞，地下水发育，已完成的 仰拱段可能存在岩溶分布。通过探地雷达的探测，分析该隧道段的典型波形图，确定出了该段隧道 底部岩溶的分布情况，并通过钻探资料验证，两者基本一致，为隧道安全施工提供了保障。 关键词：探地雷达；岩溶；隧道底部 中图分类号：Ｕ４５５ 文献标志码：Ｂ 文章编号：１００３—８８２５（２０１４）０１—０１７５—０４ ０ 引言 地质问题中，岩溶对隧道安全威胁最大的为半 充填或全充填溶洞，其充填物为砂质黏土、水或空 气，与围岩的地球物理性质差异较大 。探地雷 达又称地质雷达（ＧＰＲ），其本质是利用物性差异来 解决地质问题的一种勘查方法。近年来，采用探地 雷达技术探测地下地质灾害问题的方法应用越来越 广泛。该方法具有快速、无损、简便、对施工干扰 图１地质雷达探测原理示意 小的特点，且有很高的分辨率，探测成果可靠，能 为隧道施工及设计变更治理提供科学依据。本文采 用探地雷达对某隧道岩溶进行探测，确保隧道的施 工安全。 （２）在完整石灰岩中，电磁波的传播表现为弱 反射、弱衰减、反射同相轴一致性好的特征，其频 谱特征呈现为振幅能量主要集中在一个频率上，且 其值比较固定。但在岩溶区域，电磁波的传播在雷 达剖面图像上，表现为强反射、强衰减、多次震荡、 反射同相轴发生绕射、错断等复杂的图像特征，并 且振幅能量集中在两个或多个频率上，同时由于岩 １探地雷达工作原理及可行性 （１）探地雷达属于电磁波物理探测方法，其设 备由两个主要部分组成：控制主机和天线。通过天 溶性质的不一样，其频率会发生变化。这样，根据 雷达信号的振幅、频率、相位、速度等众多属性参 数分析，并结合现场实际的地质情况，就可从这些 复杂的雷达剖面图像特征中，提取岩溶地质信息， 如岩溶区域的位置、大小、深度、产状、充填物性 质等 。 线Ｔ将呈脉冲形式的高频电磁波发射至所测地层中， 经地层界面反射后，由另一天线Ｒ接收送入放大器， 放大信号经处理后记录下来，并通过打印机输出， 或将记录的信号数据化后再进入计算机进行解释， 如图１。图中Ｔ为发射天线，Ｒ为接收天线，两者间 距为 ， 为地层的厚度，在Ｒ，Ｔ面进行探测。 波从Ｔ出发，按几何光学原理经地质界面返回到达 ２参数选取及测线布置 ２．１探测目的 Ｒ，设电磁波在地层介质中电磁波的传播速度为 ， 由简单的几何关系可确定电磁波在地层中的传播速 通过处理现场采集的探地雷达数据，对得到的 度，进而就可以计算出地层的厚度。 收稿日期：２０１３—０７—２５ 振幅、频率、相位、速度参数及频谱图特征进行分 析，并结合现场观测到的实际地质情况（构造、岩性、 作者简介：蔡晖（１９７３一），男，福建莆田人。高级工程师，硕 水文等），确定所探测区域岩溶的分布位置、大小、 规模、充填物性质等。 ２．２参数选取 士，主要从事地下工程相关的研究工作。Ｅ－ｍａｉｌ： ９７４３２３５１８＠ｑｑ．ｔｏｍ。 ・１７６・ 路基工程 Ｓｕｂｇｒａｄｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ２０１４年第１期（总第１７２期） 雷达系统选定后，把选定的已知参数带人探距 方程中，便可确定出相应的探测距离。现在一般的 探地雷达，根据不同天线的的中心频率，都给出了 相应试验统计得出的探测深度。总的规律是：同一 雷达系统，探测深度随天线中心频率的增高而降低， 而分辨率相应增高 Ｊ。这样，就可根据所要探测的 深度及介质体的物性参数，确定天线中心频率、时 窗、采样频率及测量点距等参数。 ２．２．１天线中心频率的确定 天线频率的选择需结合探测体深度与尺寸，在 满足分辨率和场地条件的前提下，应该尽量使用中 心频率较低的天线 ］。如果要求的空间分辨率为 （ｍ），则天线的中心频率为 ／ ．厂： — 二 （１）（１ 。ｃ ｑ ８ Ｔ 式中： 为围岩相对介电常数。 ２．２．２时窗选择 时窗 主要取决于最大探测深度ｈ 与地层电 磁波速度 。 ３ （２） 为了给地层速度与目标深度的变化留出余量， 实际应用时，应在式（２）时窗选用值的基础上增加 ３Ｏ％。 ２．２．３采样频率选择 由Ｎｙｑｕｉｓｔ采样定律知，采样频率至少应达到记 录的发射波中最高频率的２倍。为使记录波形完整， 建议采样频率至少为中心天线频率的６倍，这样高 于折叠频率的成分，就不会因不能正确恢复而产生 频率较低的假频干扰。 ２．２．４测量间距选择 测量间距选择，取决于天线中心频率与地下介 质的介电特性。遵循Ｎｙｑｕｉｓｔ采样定律，为确保介质 的响应在空间上不重叠，采样间隔ｒｔ （ｍ）应为围岩 中子波波长的１／４，即 ｎｘ： （３） 式中：－厂为天线中心频率，ＭＨｚ。 当介质的横向变化不大时，间距可适当放宽， 以提高工作效率。 ２．３测线布置 在进行探测前，须先建立测区坐标系统，以便确 定侧线的平面位置。测线的布置目的，首先是确定岩 溶的位置，然后是大小、规模及填充情况等。岩溶位 置的确定，与测线布置的科学合理直接有关，其根本 原因是分辨率的问题，这里主要是水平分辨率。 水平分辨率与第一菲涅尔带半径ｒ，有关。 ｒｒｒｆ ～｜＝ ／ 从Ｕ－ （４ ） 式中：Ａ为雷达子波的波长；ｈ为反射界面的埋深。 研究可知：单个异常体的水平分辨率，要远小 于第一菲涅尔带半径；多个水平相邻异常体要区分 开来，第一菲涅尔带半径要大于它们中心点间的水 平距离 。 这样，要确定岩溶的位置，测线间的距离须小 于第一菲涅尔带半径。根据实践经验，测线布置如 表１。 表１测线布置形式 测线布置形式 探测目的 单条侧线 粗略探测该条侧线范围上岩溶的位置等 多条平行侧线 探测侧线布置范围内岩溶的位置、分布等 网格状侧线 嘉 线布置范围内岩溶的位置、分布、 ３工程实例 ３．１工程概况 某在建隧道ＤＫ１８９＋３４６～＋２２０段洞身围岩为 含碎石粉质黏土和含粉质黏土的碎石土互层，部分 地段下台阶出露溶蚀灰岩，地下水发育。该区段隧 道埋深３０～４０ ｍ，地表平缓、植被茂密。 ３．２参数选取及测线布置 由于要求探测到隧道底部３０．０ ｍ范围内岩溶的 分布情况，选用ＲＡＭＡＣ Ｘ３Ｍ型探地雷达，探测时 使用发射频率为１００ ＭＨｚ的屏蔽天线，时窗为８００ ＢＳ，样点数设为８８０，采样频率１ ０９９ ＭＨｚ，道间距 为０．２ ｍ，叠加次数１２８次，以点测方式采集数据。 求得第一菲涅尔带半径约为４．０ ｍ左右，这样 小于４．０ ｉｎ左右的异常体就不能区分开来，此时测 线间的距离应不大于４．０ ｍ。测线布置，如图２。 图２地质雷达探测原理示慝 ３．３处理结果分析 利用地质雷达对测线进行探测得到的原始雷达 波，在对其进行移动开始时间静校正、增益、去直 流漂移和巴特沃斯带通一维滤波，抽取平均道及滑 动平均等二维滤波处理，压制和剔除干扰波，突出 有效波，处理后的雷达波如图３。 ・１７８・ 路基工程 Ｓｕｂｇｒａｄｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｉｒｎｇ ２０１４年第１期（总第１７２期） ４结论 参考文献： ［１］吕建兵，傅鹤林，韩汝才，等．隧道填充性岩溶地质超前预报技术 ［Ｊ］．路基工程，２０１１（５）：１３３—１３６． ［２］吴世明，唐有职，陈龙珠．岩土工程波动勘测技术［Ｍ］．北京：水利水 电出版社，１９９２． 本次探测结果与现场勘查钻孔资料基本一致， 说明探地雷达对岩溶发育区，能较好地作出定性的 判断。同时，从现场探测情况来看，探地雷达的探 测具有对施工干扰小，现场要求低的优点。探地雷 达探测技术是一门正在发展中的物探方法，它不仅 受技术人员的技术水平，同时对现场数据的采 ［３］夏照华，李晓峰．地质雷达在探测地下溶洞中的应用［Ｊ］．西部探矿 工程，２００５，１０４（１）：９１—９２． ［４］杨耀，羊春华，等．探地雷达在隧道岩溶普查中的应用［Ｊ］．物探与 化探，２０１０，３４（３）：４１０—４１５． ［５］王建秀，杨立中，何静．大型地下工程岩溶涌（突）水模式的水文地 质分析及其应用［Ｊ］．水文地质工程地质，２００１（４）：４９—５２． ［６］刘志刚，赵勇．隧道隧洞施工地质技术［Ｍ］．北京：中国铁道出版 社．２００１． 集和地质资料的整合有很大的影响。因此，探地雷 达技术仍需在实践中不断改进、提高，以便更好地 为现场施工及安全提供可靠的依据和保证。 ［７］兰樟松，张虎生，张炎孙，等．浅谈地质雷达在工程勘察中的干扰因素 及图像特征［Ｊ］．物探与化探，２０００，２４（５）：６８－７１． Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｇｒｏｕｎｄ Ｐｅｎｅｔｒａｔｉｎｇ Ｒａｄａｒ ｉｎ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｔｕｎｎｅｌ Ｋａｒｓｔ ＣＡＩ Ｈｕｉ （Ｆｕｊｉａｎ Ｐｒｏｖｉｎｃｉａｌ Ｈｅａｄｑｕａｒｔｅｒｓ ｏｆ Ｅｘｐｒｅｓｓｗａｙ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ，Ｆｕｚｈｏｕ ３５０１０８，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ ｔｕｎｎｅｌ ｕｎｄｅｒ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｈａｄ ｓｕｃｈ ｃｏｍｐｌｅｘ ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｔｈａｔ，ｉｎ ｔｈｅ ｃｏｕｒｓｅ ｏｆ ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ，ａ ｋａｒｓｔ ｃａｖｅ ｗａｓ ｆｏｕｎｄ ａｔ ｔｈｅ ｔｕｎｎｅｌ ｂｏｔｔｏｍ，ｇｒｏｕｎｄ ｗａｔｅｒ ｗａｓ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅｒｅ ｍａｙ ｂｅ ａ ｄｉｓｔｉｂｕｔｒｉｏｎ ｏｆ ｋａｒｓｔ ｉｎ ｔｈｅ ｃｏｍｐｌｅｔｅｄ ｉｎｖｅｒｔ ｓｅｇｍｅｎｔ．Ａｓ ａ ｒｅｓｕｌｔ ｏｆ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｒｏｕｎｄ ｐｅｎｅｔｇｒａｔｉｎｇ ｒａｄａｒ，ｔｈｅ ｔｙｐｉｃａｌ ｗａｖｅｆｏｒｍ ｇｒａｐｈ ｆｏｒ ｔｈｉｓ ｓｅｇｍｅｎｔ ｏｆ ｔｕｎｎｅｌ ｗａｓ ａｎａｌｙｚｅｄ，ｔｈｕｓ ｔｈｅ ｄｉｓｔｉｂｕｔｒｉｏｎ ｏｆ ｋａｒｓｔ ａｔ ｔｈｅ ｔｕｎｎｅｌ ｂｏｔｔｏｍ ｗａｓ ｓｐｅｃｉｉｆｅｄ ａｎｄ ｔｈｅｎ ｖｅｒｉｉｆｅｄ ｔｏ ｂｅ ｃｏｎｓｉｓｔｅｎｔ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｄｒｉｌｌｉｎｇ ｄａｔａ，ｓｅｃｕｒｉｎｇ ｓａｆｅｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｔｕｎｎｅｌ ｃｏｎｓｔｎ１ ｔｉｏｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｇｒｏｕｎｄ ｐｅｎｅｔｒａｔｉｎｇ ｒａｄａｒ；ｋａｒｓｔ；ｔｕｎｎｅｌ ｂｏｔｔｏｍ （上接第１７４页） Ｓｔｕｄｙ ｏｎ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｆｏｒ ｔｈｅ Ｓｅｃｏｎｄ Ｒａｉｌｗａｙ Ｌｉｎｅ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ Ｗｈｅｎ ｓｔａｒｔｉｎｇ ａ ＣＲＨ Ｔｒａｉｎ ＺＨＡＯ Ｄａｉｑｉａｎｇ （Ｃｈｉｎａ Ｒａｉｌｗａｙ ｔｈｅ ８ｔｈ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｇｒｏｕｐ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｃｈｅｎｇｄｕ ６１００３６，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｐｒｏｊｅｃｔ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｎｇ ｔｈｅ ｓｅｃｏｎｄ ｌｉｎｅ ｆｒｏｍ Ｓｕｉｎｉｎｇ ｔｏ Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ ｉｓ ａ ｆｒｉｓｔ ｅｘａｍｐｌｅ ｉｎ ｔｈｅ ｃｏｕｎｔｒｙ ｏｆ ｅｘｐａｎｓｉｏｎ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｏｎ ｔｈｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｏｆ ｓｔａｒｔｉｎｇ ａ ＣＲＨ ｔｒａｉｎ ａｔ １６５ ｋｍ／ｈ ｏｎ ｔｈｅ ｅｘｉｓｔｉｎｇ Ｓｕｉｎｉｎｇ— Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ Ｒａｉｌｗａｙ．Ｔｈｅ ｋｅｙ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｗｉｎｄ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｑｕｉｒｅｄ ｂｙ ＣＲＨ ｔｒａｉｎ；ｂｒｉｄｇｅ ｅｒｅｃｔｉｎｇ，ｔｒａｃｋ ｌａｙｉｎｇ，ｕｎｉｔ ｗｅｌｄｉｎｇ ａｎｄ ｓｔｒｅｓｓ ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ ａｎｄ ｌｏｃｋｉｎｇ ｗｉｔｈｉｎ ａ ｓｍａｌｌ ｓｐａｃｉｎｇ ｏｆ ４．４～６．５ ｍ ｃｌｏｓｅ ｔｏ ｔｈｅ ｅｘｉｓｔｉｎｇ ｌｉｎｅ，ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ＳＯ ａｓ ｔｏ ｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙ ｓｏｌｖｅ ｔｈｅ ｄｉｉｃｕｌｆｔｙ ｏｆ ｓｕｃｈ ｌａｙｉｎｇ ａｎｄ ｅｒｅｃｔｉｎｇ， ｗｈｉｃｈ ｎｏｔ ｏｎｌｙ ｅｎｓｕｒｅｄ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｅｘｉｓｔｉｎｇ ｌｉｎｅ ａｎｄ ｓａｆｅｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｎｓｔｕｃｔｒｉｏｎ ｔｏ ａ ｍａｘｉｍｕｍ ｅｘｔｅｎｔ，ｂｕｔ ａｌｓｏ ｒｅｄｕｃｅｄ ｔｈｅ ｐｒｏｊｅｃｔ ｃｏｓｔ ａｎｄ ｓｈｏｒｔｅｎｅｄ ｔｈｅ ｃｏｎｓｔｕｃｔｒｉｏｎ ｐｅｒｉｏｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＣＲＨ ｔｒａｉｎ；ｓｅｃｏｎｄ ｒａｉｌｗａｙ ｌｉｎｅ；ｗｉｎｄ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ；ｌａｙｉｎｇ ａｎｄ ｅｒｅｃｔｉｎｇ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ
