李學文　范明坤　楊華

（1.迪慶州公路管理總段機械化養(yǎng)護與應(yīng)急中心　云南　香格里拉　6744002.云南航天工程物探檢測股份有限公司　云南　昆明　6502173.云南工程建設(shè)總承包公司　云南　昆明　650011）

隧道橋梁巖溶地質(zhì)雷達、高密度電法探測應(yīng)用

李學文1范明坤2楊華3

（1.迪慶州公路管理總段機械化養(yǎng)護與應(yīng)急中心云南香格里拉6744002.云南航天工程物探檢測股份有限公司云南昆明6502173.云南工程建設(shè)總承包公司云南昆明650011）

本文以渝湘高速公路洪酉段橋基巖溶物探巖溶勘察為實例，主要講述的灰?guī)r地段樁基施工過程中，利用探地雷達、高密度電法對人工挖孔時對樁底的地質(zhì)是否有溶洞、斷層、破碎帶、富水進行探測，為業(yè)主、設(shè)計、施工單位提供勘察報告，優(yōu)化設(shè)計參數(shù)提供依據(jù)、指導施工、確保施工過程安全、工程實體質(zhì)量滿足設(shè)計及規(guī)范要求。

溶巖；裂隙；地質(zhì)雷達；高密度電法

前言

探地雷達以其分辨率高、定位準確、快速經(jīng)濟、靈活方便、剖面直觀、實時圖像顯示等優(yōu)點，備受廣大工程技術(shù)人員的青睞。隨著基礎(chǔ)建設(shè)步伐加快，公路、鐵路、水利等工程的建設(shè)發(fā)展，其中路線受地形的控制，在建設(shè)過程中必須架橋或挖隧道穿越山地。在架橋過程難免就要挖樁，由于工程地質(zhì)條件和水文地質(zhì)條件復雜多變，樁基工程開挖風險極大。施工區(qū)在灰?guī)r地區(qū)，受巖溶的影響可能產(chǎn)生涌水、突泥等不良地質(zhì)災(zāi)害。

為解決施工過程中的困擾，采用物探手段高密電法主要是解決范圍面積大，地形條件不利于地質(zhì)雷達開展的工作，同時解決埋深大于35m的地層下的巖溶分布狀態(tài)。為施工提出合理的設(shè)計方案。

1　基本原理

（1）高密度電阻率法是一種陣列勘探方法，也稱自動電阻率系統(tǒng)，是直流電法的發(fā)展，其功能相當于四極測深與電剖面法的結(jié)合。基本原理是通過電極向地下供電形成人工電場，其電場的分布與地下巖土介質(zhì)的電阻率ρ大小有關(guān)，通過對地表不同部位的人工電場測量，記錄地下介質(zhì)視電阻率ρs的分布，推斷解釋地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征。該方法對圍巖破碎含水，視電阻率明顯降低，完整、堅硬巖土的視電阻率明顯高于斷裂破碎帶和富水圍巖的視電阻率。高密度電法測量選用工程勘察中最常用的溫納裝置（如圖1）。測量時，AM=MN=NB=AB/3為一個電極間距，探測深度為AB/3，A、B、M、N逐點同時向右移動，得到第一層剖面線；接著AM、MN、NB增大一個電極間距，A、B、M、N逐點同時向右移動，得到另一層剖面數(shù)據(jù)；這樣不斷掃描測量下去，得到倒梯形斷面。

圖1　溫納裝置斷面掃描示意圖

（2）探地雷達的工作原理是運用瞬態(tài)電磁波的理論，通過寬頻帶時域發(fā)射天線，向介質(zhì)發(fā)射高頻短脈沖電磁波。波在介質(zhì)傳播過程中遇到不同電性介面就會產(chǎn)生反射，再由接收天線接收反射回來的信息，由計算機將接收回來的數(shù)字信息進行計算處理和分析，便可識別不同界面反射體的形態(tài)，并能確定目標體的空間位置。

探地雷達與通信雷達技術(shù)極為相似，都是依據(jù)不同頻率的天線向目標體發(fā)射電磁波來確定目標體的形狀和位置的。同時，電磁波的傳播理論與地震彈性波有很多相似之處，因此，探地雷達波的解釋與地震反射波法的解釋也很類似。根據(jù)波動理論，電磁波的傳播遵從下列公式：

式中：v為電磁波的傳播速度；r為電磁波傳播的距離；ω為電磁波的角頻率，ω=2πf。探地雷達使用的是高頻電磁波，頻率在10～2000MHz左右，其傳播速度主要由介質(zhì)的介電常數(shù)大小來決定。電磁波在某一介質(zhì)中傳播時，遇到不同的波阻抗界面（如隧道的脫空、不密等）將會產(chǎn)生反射和透射，其反射能量取決于反射系數(shù)R：

式中：ε1、ε2分別為反射界面上下兩層介質(zhì)的相對介電常數(shù)。由上式可見，如在混凝土襯砌體與圍巖之間，二次襯砌與初期支護之間，以及襯砌體內(nèi)部存在空洞、不密實、離析等缺陷時，由于空氣（或者離析物）相對混凝土的介電常數(shù)差異較大就會形成波的反射，這就為探地雷達檢測隧道工程質(zhì)量創(chuàng)造了良好的地球物理條件。

數(shù)據(jù)處理：

（1）參與解釋的雷達剖面應(yīng)清晰。

（2）解釋前宜做編輯、濾波、增益等處理。情況較復雜時，還宜進行道分析、FK濾波、正常時差校正、褶積、速度分析、消除背景干擾等處理。

（3）結(jié)合地質(zhì)情況、電性特征、探測體的性質(zhì)和幾何特征綜合分析。必要時應(yīng)考慮影響介電常數(shù)的各種因素，制作雷達探測的正演和反演模型。在數(shù)據(jù)處理及解譯過程中，必須要結(jié)合前期勘察資料，如有必要還可配合圍巖及巖石的波速測試。

2　探測方法及測線布置

（1）探測方法有兩種：高密度電法，地質(zhì)雷達法。

（2）布置原則

①一般在橋樁的地表位置垂直于線路布置測線，當左右幅樁在平面上距離小于5m時，左右幅共一條測線，大于5m時，各布置一條測線；

②探測過程中，在發(fā)現(xiàn)有溶洞位置，沿線路方向布置縱剖面，進一步查清溶洞的形態(tài)。

3　應(yīng)用實例與分析

3.1實例1（無充填式干溶洞）

渝湘高速公路洪酉段雅江立交1橋墩實測案例，甲方要求探明樁基底部是否存在巖溶、裂隙發(fā)育帶。利用高密度電法通過3天，將解譯成果如圖2，經(jīng)開挖驗證挖到樁底20m處見未充填溶洞。

圖2　雅江立交A匝道1#墩探測成果圖

小結(jié)：一般來說，未充填的溶洞，導電效果更差，視電阻率較完整巖石高，向深部延伸時視電阻率變小，分布的范圍向下越來越?。o根），視電阻圖象呈中心高周圍低的渾圓狀。視電阻率一般>1000Ω/m。

3.2實例2（充填溶洞）

圖3　溶溪河大橋6#墩探測成果圖

經(jīng)探測距地表3m，溶洞部分充填，實際現(xiàn)在開挖到位置，空洞高1.5m，長寬約2m。

小結(jié)：一般來說，溶洞內(nèi)充填水或泥后，導電效果變好，視電阻率較完整巖石低，視電阻圖象呈中心低周圍高的渾圓狀。視電阻率一般為<50Ω/m。

3.3實例3（地質(zhì)雷達探測）

官莊大橋，樁身直徑2.0m、樁底深度20m的樁底所測地質(zhì)雷達圖像，有效探測深度30m。在樁底以下10～30m深度巖層發(fā)育有2條傾斜裂隙，主要表現(xiàn)為裂隙兩側(cè)反射波同相軸不連續(xù)，裂隙間巖石發(fā)生溶蝕或充填粘土，裂隙處反射波被吸收，能量變?nèi)?，為溶蝕或粘土充填區(qū)。這些異常均出現(xiàn)在裂隙附近，推測是由于地下水沿著裂隙的長期作用引。由于該樁孔樁底巖石的完整性較差，探測后進行了下挖處理，開挖情況與探測成果基本一致。

小結(jié)：溶洞、巖石的地質(zhì)雷達圖象特征：

（1）未充填空洞的雷達圖象特征：當電磁波從巖石中進入空洞時，由于空氣的界電常數(shù)較巖石小，為強負反射，在地質(zhì)雷達探測剖面上呈雙曲線，振幅變大，頻率變高。

（2）充填溶洞的雷達圖象特征：被充填過的溶洞無論是充填水或泥，含水都較高，界電常數(shù)較巖石大，當電磁波從巖石中進入充填溶洞時，為強負反射，在地質(zhì)雷達探測剖面上也呈雙曲線，振幅變大，但頻率變低。

（3）全風化巖石和殘坡積松散堆積物雷達波形特征：一般情況下雷達電磁波的反射振幅較強，波形畸變，雜亂。

（4）強風化巖石雷達波形特征：大多情況下，風化堆積物含水量比完整巖石的含水量大，因此界電常數(shù)較完整巖石高，同時由于風化物不均勻，在地質(zhì)雷達探測剖面上除同相軸不連續(xù)以外，還呈低頻強反射。

（5）微風化巖雷達波形特征：在地質(zhì)雷達探測剖面上波形無畸變，同相軸連續(xù)，反射均勻，頻率、振幅變化不大。

4　結(jié)論

（1）理論與實踐證明，探地雷達在地下巖溶探測中能夠發(fā)揮重要作用，不但具有快速、非破損、高精度、經(jīng)濟等優(yōu)點，而且還可形象地揭示溶蝕異常的空間展布規(guī)律，在巖溶勘察中能夠取得較好的應(yīng)用效果，適宜于埋藏在地表以下20～30m范圍以內(nèi)的目標體探測。同時它對淺層或超淺層的工程探測有著十分廣闊的應(yīng)用前景，然而探地雷達的探測深度和精度與所采用的天線頻率有很大關(guān)系，天線的頻率越低探測深度越大，則精度越低；而天線的頻率越高，探測深度越淺，則精度越高。

（2）在揭露的的巖溶裂隙位置利用地質(zhì)雷達探測的可以及時準確地定位，對制定方案提供幫助。

（3）我國由于高速公路的快速建設(shè)，在前期勘察周期短，設(shè)計深度不夠，通過高密度電法解決施工過程中難度為設(shè)計和施工單位，對變更設(shè)計和指導施工起到了重要作用。

P631.3

A

1673-0038（2015）40-0300-02

2015-9-21

李學文（1976-），男，工程師，本科，從事公路管理機械化養(yǎng)護與應(yīng)急工作。