蔡叢兵，吳 勇，劉浩杰

（1.云南路橋股份有限公司，云南 昆明 650200；2.云南省建筑科學(xué)研究院，云南 昆明 650223）

0 引言

云南地區(qū)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)較全國(guó)其他地區(qū)有所落后，加之西南地區(qū)山地地形占據(jù)很大的比例，故隧道已成為西南地區(qū)高速公路建設(shè)的重要組成部分。由于西南地區(qū)地質(zhì)條件較為復(fù)雜，隧道建設(shè)前期進(jìn)行的地質(zhì)勘察資料難以準(zhǔn)確、全面地掌握隧址區(qū)的地下地質(zhì)條件，其探測(cè)鉆孔密度有限的局限性導(dǎo)致勘察資料與實(shí)際情況不符，尤其是地下存在的不良地質(zhì)體的分布、大小及其空間位置不可避免地與實(shí)際存在偏差。為及時(shí)準(zhǔn)確地掌握隧道工程掌子面前方的圍巖條件，提前做好預(yù)防措施，避免隧道在施工過(guò)程中出現(xiàn)掌子面塌方、涌水、突泥等嚴(yán)重威脅施工安全的事故發(fā)生，有必要進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)。

探地雷達(dá)具有垂直分辨率高、圖像直觀、簡(jiǎn)便經(jīng)濟(jì)和無(wú)損探測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)在隧道超前預(yù)報(bào)中廣泛應(yīng)用。李霄凱等［1］人借助探地雷達(dá)對(duì)高速鐵路隧道進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，通過(guò)理論分析，表明探地雷達(dá)可精確探測(cè)襯砌厚度，確定鋼筋及格柵鋼架的分布位置及數(shù)量，能準(zhǔn)確查明襯砌背后存在的空洞和回填不密實(shí)區(qū)域，提高隧道無(wú)損檢測(cè)的工作效率和準(zhǔn)確性。張文等［2］人應(yīng)用探地雷達(dá)成功預(yù)報(bào)了地鐵隧道前方掌子面可能存在的巖溶地質(zhì)構(gòu)造，并通過(guò)開(kāi)挖實(shí)際驗(yàn)證了預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性，表明探地雷達(dá)法是一種準(zhǔn)確度較高的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)法，為施工單位提供較準(zhǔn)確的參考。南亞林等［3］人借助探地雷達(dá)在公路隧道進(jìn)行裂隙帶、含水帶和破碎帶的探測(cè)，發(fā)現(xiàn)探地雷達(dá)對(duì)此類不良地質(zhì)體有較高的識(shí)別能力。張先武等［4］人利用地震數(shù)據(jù)處理方法來(lái)處理探地雷達(dá)數(shù)據(jù)，提出利用地下介質(zhì)等效濾波器具有最小相位這個(gè)特性，提高預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性。

非充填型溶洞作為隧道施工過(guò)程中的一種不良地質(zhì)體，若能對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確探測(cè)預(yù)報(bào)，將極大提高隧道施工的安全系數(shù)。雖然國(guó)內(nèi)外針對(duì)探地雷達(dá)在地質(zhì)超前預(yù)報(bào)溶洞探測(cè)應(yīng)用方面做了大量的分析研究，但是大多數(shù)的分析研究多側(cè)重于溶洞探測(cè)波列圖特征的分析，而對(duì)于溶洞探測(cè)灰度圖特征分析偏少。本文借鑒地質(zhì)雷達(dá)在隧道質(zhì)量檢測(cè)中的分析手段，對(duì)地質(zhì)超前預(yù)報(bào)灰度圖象進(jìn)行分析，將非充填型溶洞作為地質(zhì)體中的“缺陷”進(jìn)行分析，在實(shí)際應(yīng)用中取得了良好效果，有一定的工程意義。

1 工程背景

云南某隧道單幅長(zhǎng)度約 4.4 km，勘察資料顯示白云巖段長(zhǎng)約 735 m，以粉白色白云巖為主、中～強(qiáng)風(fēng)化、較破碎～破碎、節(jié)理（溶蝕）裂隙發(fā)育、呈裂隙塊狀結(jié)構(gòu)，物探顯示為高阻區(qū)，巖體富水性強(qiáng)，開(kāi)挖時(shí)可能存在較大量的滴水、滲水等現(xiàn)象。當(dāng)前隧道已掘至白云巖地層，幾次地質(zhì)雷達(dá)超前預(yù)報(bào)已探測(cè)出前方存在非充填型溶洞，開(kāi)挖至預(yù)報(bào)里程時(shí)亦出現(xiàn)雷達(dá)預(yù)報(bào)中顯示的溶洞。結(jié)合地質(zhì)資料及當(dāng)前現(xiàn)場(chǎng)揭露情況，前方繼續(xù)出現(xiàn)溶洞概率較大。

2 溶洞探測(cè)數(shù)據(jù)分析

現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)采用美國(guó)某公司生產(chǎn)的 SIR－4000 型探地雷達(dá)，選擇中心頻率為 100 MHz 的單體屏蔽天線采集數(shù)據(jù)。

2.1 探地雷達(dá)的應(yīng)用

探地雷達(dá)（Ground Penetrating Radar） 是利用脈沖電磁波來(lái)探測(cè)隱藏介質(zhì)分布和不可見(jiàn)目標(biāo)物，以確定內(nèi)部結(jié)構(gòu)和位置的電磁技術(shù)［5］。工作時(shí)向介質(zhì)發(fā)射高頻短脈沖的電磁波，電磁波在傳播過(guò)程中會(huì)遇到不同的電性介面，并在電性界面發(fā)生反射，接收天線接收到反射回來(lái)的信息后，計(jì)算機(jī)會(huì)將接收回來(lái)的數(shù)字信息進(jìn)行計(jì)算處理和分析，最后由檢測(cè)人員使用計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，進(jìn)而識(shí)別不同界面反射體的形態(tài)，確定地質(zhì)異常體的空間位置。原理如圖 1 所示。

圖1 探地雷達(dá)工作原理示意圖

2.2 質(zhì)量檢測(cè)缺陷分析

隧道支護(hù)背后可能存在缺陷，如不密實(shí)、空洞、脫空，利用地質(zhì)雷達(dá)可以進(jìn)行隧道質(zhì)量檢測(cè)，通過(guò)數(shù)據(jù)解譯，可以對(duì)支護(hù)背后缺陷進(jìn)行定性、定量分析。分析解譯的基礎(chǔ)在于不同的缺陷在雷達(dá)圖像上有不同的反映，如以下幾種。

1）支護(hù)上存在不密實(shí)，波列圖上信號(hào)為強(qiáng)反射，同相軸不連續(xù)，錯(cuò)斷，一般區(qū)域化分布，波形雜亂，波的振幅較強(qiáng)，波形頻率以中低頻為主，不密實(shí)圖像如圖 2 所示。

圖2 不密實(shí)灰度圖

2）支護(hù)背后存在空洞或脫空，雷達(dá)波列圖上界面反射信號(hào)強(qiáng)，呈典型孤立體相位特征或帶狀長(zhǎng)條、三角形分布，三振相明顯，波形雜亂，波的振幅幅值較大，如圖 3～4 所示。

圖3 襯砌背后脫空

圖4 襯砌背后空洞

2.3 超前預(yù)報(bào)“缺陷化”分析

超前地質(zhì)預(yù)報(bào)解譯數(shù)據(jù)是對(duì)雷達(dá)波列圖進(jìn)行分析，主要描述波列圖的同相軸、幅值和頻率。結(jié)合同相軸、幅值和頻率進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)分析，若圍巖為完整巖體、破碎帶、節(jié)理裂隙密集帶等地質(zhì)體，可取得較好分析效果，但圍巖中若出現(xiàn)非充填型溶洞、富水帶、軟弱層等地質(zhì)體，同相軸在波列圖中難以準(zhǔn)確地進(jìn)行定性分析，可能會(huì)導(dǎo)致解譯者對(duì)雷達(dá)數(shù)據(jù)判斷失誤。本文借鑒地質(zhì)雷達(dá)在隧道質(zhì)量檢測(cè)中的應(yīng)用及分析手段，將不良地質(zhì)體看作是圍巖中的“缺陷”，結(jié)合地質(zhì)雷達(dá)灰度圖進(jìn)行分析，根據(jù)工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，本文僅對(duì)非充填型溶洞進(jìn)行探討分析。

地質(zhì)雷達(dá)超前預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)常規(guī)分析是針對(duì)波列圖進(jìn)行分析，圖 5 所示為現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)雷達(dá)超預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，可以解譯如下：①?gòu)膱D中可以看到區(qū)域 1 頻率為均勻的中高頻、頻率變化小、波形變化較均一、幅值較弱，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)情況，區(qū)域 1 可以解譯為較完整巖體；②區(qū)域2 中頻率為不均勻的低中頻、規(guī)律性差、同相軸錯(cuò)斷、振幅較強(qiáng)，則該區(qū)域可初步解譯為節(jié)理裂隙密集區(qū)域；③圖中僅有 3 處可看到同相軸較為連續(xù)，解譯者可能會(huì)判定 3 處為巖性變化接觸帶等情況，甚至?xí)苯雍雎缘粼搮^(qū)域的判定，而實(shí)際情況是該雷達(dá)數(shù)據(jù)中存在如圖 6 所標(biāo)示的眾多非充填型溶洞“缺陷”，在圖 5 上面幾乎看不出來(lái)非充填型溶洞“缺陷”的存在，即使解譯者經(jīng)驗(yàn)足夠豐富，看到波列圖上非充填型溶洞“缺陷”的一些特征，也不能定性、定量地進(jìn)行描述。下面借助地質(zhì)雷達(dá)在隧道質(zhì)量檢測(cè)中的應(yīng)用，借鑒對(duì)質(zhì)量缺陷的分析方法，將非充填型溶洞看作是地質(zhì)體中的缺陷，進(jìn)行定性定量分析，提高“缺陷的”識(shí)別度。

圖5 溶洞地質(zhì)雷達(dá)波列圖

地質(zhì)雷達(dá)超前預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)灰度圖如圖 6 所示。其非充填型溶洞“缺陷”處對(duì)應(yīng)的單道波形圖如圖 7 所示，可以明顯看出幅值迅速衰減，表征為溶洞側(cè)壁的強(qiáng)反射所包圍的弱反射，可以確定掌子面前方存在非充填型溶洞，其在圖像上的特征類似于雷達(dá)質(zhì)量檢測(cè)圖像中“缺陷”特征。同時(shí)利用后處理軟件自帶的測(cè)量距離功能，可以對(duì)非充填性溶洞“缺陷”進(jìn)行定量描述，確定“缺陷”范圍。在波列圖上進(jìn)行定性、定量分析后，可以將波列圖放入 CAD 中，等比例繪制缺陷位置分布圖，對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)起到一定的指導(dǎo)意義。圖 8 為現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)，在地質(zhì)雷達(dá)超前預(yù)報(bào)的樁號(hào)位置開(kāi)挖出的非充填型溶洞“缺陷”，驗(yàn)證了地質(zhì)雷達(dá)超前預(yù)報(bào)非充填型溶洞“缺陷化”分析的準(zhǔn)確性。

圖6 溶洞地質(zhì)雷達(dá)灰度圖

圖7 溶洞地質(zhì)解釋示意圖

圖8 現(xiàn)場(chǎng)溶洞圖

3 結(jié)語(yǔ)

地質(zhì)雷達(dá)憑借其無(wú)損、快速檢測(cè)，且成像直觀，現(xiàn)場(chǎng)即可給出初步檢測(cè)結(jié)果，探測(cè)精度較高，能夠準(zhǔn)確地分辨出各種“缺陷”。在此基礎(chǔ)上，將探地雷達(dá)在質(zhì)量檢測(cè)中的分析方法應(yīng)用于地質(zhì)超前預(yù)報(bào)，可使地質(zhì)超前預(yù)報(bào)的檢測(cè)結(jié)果更加直觀，提高了預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確度，具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。