文章通過(guò)總結(jié)在桂林某高速公路隧道施工中應(yīng)用的三維探地雷達(dá)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)，并與超前水平鉆孔和實(shí)際開挖結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，表明該技術(shù)可準(zhǔn)確預(yù)報(bào)隧道掌子面正前方及側(cè)前方巖溶溶洞的三維空間方位及大小。相較于二維地質(zhì)雷達(dá)，該技術(shù)成像直觀，無(wú)須貼靠探測(cè)目標(biāo)，探測(cè)范圍從二維剖面擴(kuò)展為三維空間，提高了對(duì)巖溶等地質(zhì)構(gòu)造的探測(cè)精度，可為進(jìn)一步的超前水平鉆孔方位及角度設(shè)計(jì)以及巖溶處治設(shè)計(jì)施工提供直觀可靠的依據(jù)。

隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)；三維地質(zhì)雷達(dá)；三維地質(zhì)成像；巖溶三維地質(zhì)預(yù)報(bào)

U456.3A280953

基金項(xiàng)目：

廣西重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“復(fù)雜地質(zhì)條件下隧道結(jié)構(gòu)性能演變與健康狀態(tài)評(píng)估關(guān)鍵技術(shù)研究”（編號(hào)：2023AB14033）；

廣西壯族自治區(qū)工業(yè)和信息化廳2018年第三批技術(shù)創(chuàng)新項(xiàng)目（自籌類）“基于布里淵散射的分布式光纖長(zhǎng)大隧道施工安全實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)關(guān)鍵技術(shù)”；

廣西重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“基于分布式光纖的隧道施工安全與運(yùn)營(yíng)健康實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)研究”（自籌）（編號(hào)：桂科AB22080027）

作者簡(jiǎn)介：

熊春發(fā)（1982—），博士，高級(jí)工程師，主要從事隧道及巖土工程理論和技術(shù)方面的研究、公路隧道試驗(yàn)檢測(cè)工作。

0" 引言

我國(guó)西南地區(qū)巖溶分布廣泛，地質(zhì)條件復(fù)雜，巖溶的存在導(dǎo)致隧道建設(shè)時(shí)發(fā)生突水、涌泥、塌方等事故的風(fēng)險(xiǎn)增加，各類事故會(huì)造成人員傷害、經(jīng)濟(jì)損失，以及影響施工進(jìn)度。超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作在隧道施工地質(zhì)災(zāi)害預(yù)防中起著重要作用，作為最常用的一種地質(zhì)預(yù)報(bào)方法，地質(zhì)雷達(dá)法在巖溶探測(cè)方面具有較好的效果。但地質(zhì)預(yù)報(bào)多采用二維地質(zhì)雷達(dá)，其應(yīng)用在超前探測(cè)中主要存在以下問(wèn)題：探測(cè)深度淺，一般＜30 m；探測(cè)采用二維解釋，不能給出前方地質(zhì)體的位置和走向。因此常規(guī)的二維雷達(dá)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法無(wú)法完全滿足復(fù)雜地質(zhì)條件下的隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作要求，需要進(jìn)一步探索精度高、效率高、可視化的超前預(yù)報(bào)方法。

目前常見的三維地質(zhì)雷達(dá)采用的是多發(fā)多收天線，集成后的天線體積和重量都較大，天線中心頻率多為中高頻率，探測(cè)深度在1～3 m，主要用于淺層的路基路面病害探測(cè)［1-5］。用來(lái)進(jìn)行隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的低頻率三維地質(zhì)雷達(dá)還較少見，僅在部分文獻(xiàn)中提及［6-11］，主要用來(lái)探測(cè)隧道掌子面前方及前方周邊范圍內(nèi)不良地質(zhì)的三維空間分布情況，探測(cè)結(jié)果多與地震波法進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，與超前水平鉆孔進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證的較少。

本文通過(guò)將三維地質(zhì)雷達(dá)預(yù)報(bào)技術(shù)應(yīng)用于桂林某高速公路隧道，并將預(yù)報(bào)結(jié)果與超前水平鉆孔、開挖驗(yàn)證的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證該方法的預(yù)測(cè)結(jié)果，以期為巖溶等復(fù)雜地質(zhì)條件下的隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)提供一種更為準(zhǔn)確全面的方法。

1" 三維地質(zhì)雷達(dá)法隧道地質(zhì)預(yù)報(bào)基本原理

二維地質(zhì)雷達(dá)在隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中應(yīng)用的一大缺陷是無(wú)法準(zhǔn)確定位異常體的三維位置。三維地質(zhì)雷達(dá)天線無(wú)須貼靠探測(cè)目標(biāo)，通過(guò)多角度密集探測(cè)，可以在一次探測(cè)中同時(shí)分別形成平行和垂直于運(yùn)動(dòng)方向的多條測(cè)線，實(shí)現(xiàn)三維雷達(dá)信號(hào)采集，大大提升探測(cè)效率；通過(guò)三維地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，完成三維地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)信號(hào)的處理，包括智能增益、主成分濾波、縱向切片、橫向切片、特征識(shí)別、三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)出；采用三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)建模技術(shù)，實(shí)現(xiàn)地質(zhì)構(gòu)造三維成像，最終實(shí)現(xiàn)探測(cè)范圍從二維剖面擴(kuò)展為三維空間，提高了對(duì)地質(zhì)構(gòu)造的探測(cè)精度。

此外，三維超前預(yù)報(bào)地質(zhì)雷達(dá)采用空間補(bǔ)償雷達(dá)天線，多次重復(fù)觀測(cè)，利用三維空間疊加算法，對(duì)同一反射點(diǎn)的資料進(jìn)行動(dòng)校正處理，動(dòng)校正對(duì)齊后的各道數(shù)據(jù)相加，使同一反射點(diǎn)的有效波得到加強(qiáng)，多次波相對(duì)減弱，從而達(dá)到改善深部微弱信號(hào)質(zhì)量、提高資料的信噪比的目的，可將有效探測(cè)距離從30 m增加到50 m，提高60%以上。

2" 三維地質(zhì)雷達(dá)法在隧道地質(zhì)預(yù)報(bào)中的應(yīng)用

2.1" 工程簡(jiǎn)介

桂林某高速公路隧道屬巖溶化峰林谷地地貌區(qū)，為分離式隧道。隧道左線起訖樁號(hào)ZK15+044～ZK16+695，長(zhǎng)度為1 651 m，隧道右線起訖樁號(hào)YK15+031～YK16+700，長(zhǎng)度為1 669 m。隧道洞門型式為進(jìn)口采用端墻式，出口采用削竹式。

2.2" 二維地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)結(jié)果

在該隧道左線出口端ZK16+609掌子面采用二維地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行了超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作。探測(cè)的掌子面揭露的圍巖以中風(fēng)化灰?guī)r為主，掌子面干燥，中上部鐵質(zhì)浸染呈紅褐色，巖體較破碎，節(jié)理裂隙較發(fā)育，局部稍?shī)A泥，圍巖自穩(wěn)能力較差。

二維地質(zhì)雷達(dá)預(yù)報(bào)結(jié)果（圖1）顯示：探測(cè)剖面掌子面前方6～14 m（相應(yīng)里程樁號(hào)為ZK16+603～ZK16+595），以及掌子面前方左側(cè)至中部20～25 m（相應(yīng)里程樁號(hào)為ZK16+589～ZK16+584）范圍內(nèi)的雷達(dá)波形整體以不均勻低頻為主，頻率變化較快，波形雜亂，反射波幅值較強(qiáng)，同相軸較連續(xù)。結(jié)合掌子面圍巖情況，推斷圍巖為中風(fēng)化灰?guī)r為主，呈碎裂狀構(gòu)造，巖體破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖溶較發(fā)育，推斷以小規(guī)模填充型溶槽或空腔為主，填充物為泥質(zhì)充填，結(jié)合差，自穩(wěn)能力差。

2.3" 三維地質(zhì)雷達(dá)法超前地質(zhì)預(yù)報(bào)實(shí)施

2.3.1" 數(shù)據(jù)采集

在二維雷達(dá)探測(cè)后，對(duì)該隧道左洞樁號(hào)ZK16+602掌子面進(jìn)行了三維地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)，探測(cè)前方是否有巖溶等地質(zhì)構(gòu)造存在。為了能覆蓋掌子面正前方及側(cè)前方探測(cè)范圍，在掌子面左右側(cè)共設(shè)置2個(gè)探測(cè)天線架設(shè)站點(diǎn)，每個(gè)站點(diǎn)內(nèi)探測(cè)252個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)的具體組成為：分為12組，對(duì)應(yīng)天線朝向的12個(gè)水平角，（組間）水平角間隔20°，即-140°，-120°，-100°…+40°，+60°，+80°；每組21個(gè)測(cè)點(diǎn)（對(duì)應(yīng)天線朝向的21個(gè)豎直角，（測(cè)點(diǎn)間）俯仰角間隔5°，即-50°，-45°，-40°…+40°，+45°，+50°。每個(gè)站點(diǎn)在探測(cè)時(shí)先調(diào)整好天線的水平角，在天線水平角固定為-140°的條件下從-50°到+50°旋轉(zhuǎn)天線至不同的豎直角進(jìn)行探測(cè)，為第1測(cè)組21個(gè)測(cè)點(diǎn)；再將天線切換至下一個(gè)水平角-120°，再旋轉(zhuǎn)天線的豎直角進(jìn)行探測(cè)，為第2測(cè)組21個(gè)測(cè)點(diǎn)。依次進(jìn)行12組測(cè)點(diǎn)的探測(cè)，完成一個(gè)天線架設(shè)站點(diǎn)探測(cè)，再進(jìn)行下一個(gè)天線架設(shè)站點(diǎn)探測(cè)。一個(gè)測(cè)站的探測(cè)角度范圍及探測(cè)流程詳見圖2。

2.3.2" 成果解釋

對(duì)采集的三維地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)采用數(shù)據(jù)分析平臺(tái)處理，并用三維點(diǎn)云處理系統(tǒng)將雷達(dá)二維剖面結(jié)果數(shù)據(jù)三維化，獲得溶洞異常區(qū)識(shí)別的三維解釋結(jié)果如圖3所示，二維剖面結(jié)果如圖4所示，都給出了探測(cè)范圍，最遠(yuǎn)探測(cè)距離為40 m。

通過(guò)三維雷達(dá)進(jìn)行超前探測(cè)，推斷掌子面前方圍巖狀況較差，主要存在2處溶洞構(gòu)造D1、D2，內(nèi)部存在多處信號(hào)反射，推測(cè)局部充泥。其中，D1距離2#探測(cè)位置5.6 m附近探測(cè)到巖溶空洞構(gòu)造，分布在探測(cè)位置右前方，探測(cè)區(qū)域內(nèi)長(zhǎng)軸為60.0 m，短軸為21.8 m，D1內(nèi)部主要為黃泥填充；D2距離1#探測(cè)位置4.7 m附近探測(cè)到巖溶空洞構(gòu)造，分布在探測(cè)位置左側(cè)，長(zhǎng)軸為37.3 m，短軸為16.2 m。地質(zhì)異常區(qū)D1、D2三維雷達(dá)超前探測(cè)結(jié)果信息見表1。

2.4" 開挖及超前水平鉆孔驗(yàn)證

2.4.1" 開挖驗(yàn)證

實(shí)際開挖顯示，該隧道出口左洞ZK16+597上臺(tái)階掌子面揭露圍巖情況為：掌子面右側(cè)圍巖為大面積溶腔，可見溶腔范圍斜向上延伸，溶腔內(nèi)充填黃泥，無(wú)自穩(wěn)能力，如圖5所示。三維地質(zhì)雷達(dá)對(duì)側(cè)前方巖溶發(fā)育范圍的預(yù)報(bào)結(jié)果與掌子面揭露溶洞的情況相符。而二維雷達(dá)由于只能探測(cè)掌子面正前方的異常情況，推斷正前方是以小規(guī)模填充型溶槽或空腔為主，與實(shí)際溶洞范圍不符。

2.4.2" 超前水平鉆孔驗(yàn)證

為了進(jìn)一步查明掌子面揭露溶洞的空間范圍，采用C6多功能鉆機(jī)在隧道左洞雷達(dá)探測(cè)掌子面樁號(hào)ZK16+597位置布置6個(gè)超前探孔，鉆孔位置及鉆孔記錄見表2、圖6。根據(jù)鉆孔記錄及鉆渣分析，左幅掌子面前方存在大面積泥質(zhì)充填、溶腔，其中1#孔共計(jì)鉆進(jìn)50 m，3.2～50 m范圍內(nèi)均為空腔或黃泥狀態(tài)。三維地質(zhì)預(yù)報(bào)的結(jié)果與超前水平鉆孔查明的溶洞空間分布范圍相符。

由此可見，三維地質(zhì)雷達(dá)預(yù)報(bào)結(jié)果與鉆探和現(xiàn)場(chǎng)開挖揭示的結(jié)果吻合較好，準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)了隧道掌子面正前方和側(cè)前方溶洞的空間分布范圍，成像直觀，是一種精確全面的隧道超前預(yù)報(bào)方法。

3" 結(jié)語(yǔ)

本文依托桂林某高速公路隧道工程，開展三維探地雷達(dá)技術(shù)在隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中的應(yīng)用研究，并將預(yù)報(bào)結(jié)果與超前水平鉆孔、開挖揭示的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，結(jié)果表明：

（1）三維探地雷達(dá)技術(shù)借助中心頻率50 MHz的天線并結(jié)合三維空間疊加算法，探測(cè)距離根據(jù)圍巖完整情況可達(dá)到40～50 m，相比二維探地雷達(dá)的預(yù)報(bào)距離有較大提升。

（2）三維探地雷達(dá)技術(shù)的探測(cè)范圍為錐形三維空間，可有效探測(cè)隧道掌子面正前方50 m范圍內(nèi)、側(cè)前方30 m范圍內(nèi)的隧道輪廓線內(nèi)外三維空間的不良地質(zhì)情況，實(shí)現(xiàn)不良地質(zhì)構(gòu)造的快速識(shí)別和三維成像。對(duì)于公路隧道，可在掌子面底部中間設(shè)置1個(gè)測(cè)站，也可在掌子面底部左右側(cè)共設(shè)置2個(gè)測(cè)站，擴(kuò)大探測(cè)范圍。

（3）三維探地雷達(dá)技術(shù)提高了對(duì)巖溶等地質(zhì)構(gòu)造的探測(cè)精度，探測(cè)結(jié)果更準(zhǔn)確、更直觀、更全面，尤其適用于巖溶復(fù)雜發(fā)育條件下的隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作，可為處理復(fù)雜巖溶提供設(shè)計(jì)和施工的準(zhǔn)確詳細(xì)數(shù)據(jù)依據(jù)，避免因巖溶未被準(zhǔn)確探測(cè)到或處治不當(dāng)而引起的隧道坍塌、突泥等災(zāi)害事故發(fā)生。

［1］錢" 鵬，談順佳，王鳳剛，等.三維地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)技術(shù)在城市道路空洞病害普查中的應(yīng)用研究［J］.城市地質(zhì)，2023，18（4）：98-106.

［2］彭" 偉，武" 斌，余" 舟，等.基于地質(zhì)雷達(dá)的城市道路病害智能識(shí)別系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)［J］.四川地質(zhì)學(xué)報(bào)，2023，43（S1）：133-136.

［3］盧思同，陳" 敏，袁家余.城市道路病害探測(cè)三維地質(zhì)雷達(dá)應(yīng)用技術(shù)［J］.上海國(guó)土資源，2022，43（2）：99-102.

［4］吳" 偉，喬亞奇，曹" 兵.綜合物探手段在城市道路淺層病害中的應(yīng)用分析［J］.工程與建設(shè)，2023，37（4）：1 132-1 135.

［5］湯金峰，洪旭程，柳思龍，等.三維地質(zhì)雷達(dá)數(shù)值模擬在道路病害檢測(cè)中的應(yīng)用［J］.工程地球物理學(xué)報(bào)，2022，19（3）：356-367.

［6］劉" 翔，尹燕征，郭" 鵬，等.地質(zhì)雷達(dá)三維探測(cè)和TSP在隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中的應(yīng)用［J］.北方建筑，2022，7（5）：3-8.

［7］鄧海明，楊" 曦，李志山，等.一種基于半空間掃描測(cè)量模式的隧道坍腔地質(zhì)雷達(dá)三維成像技術(shù)［J］.現(xiàn)代隧道技術(shù)，2021，58（3）：52-59.

［8］趙慶和，范明坤，張維平，等.雷達(dá)三維探測(cè)技術(shù)在隧道地質(zhì)隱患勘察中的應(yīng)用［J］.四川建材，2019，45（3）：49-50.

［9］姜文濤，吳" 勇，范明坤，等.地質(zhì)雷達(dá)三維成像技術(shù)在隧道超前預(yù)報(bào)中的應(yīng)用［J］.人民長(zhǎng)江，2017，48（S2）：120-122.

［10］浦恩虎.三維可視化綜合物探技術(shù)在白茫雪山隧道超前預(yù)報(bào)中的應(yīng)用［J］.公路交通科技（應(yīng)用技術(shù)版），2018，14（1）：184-186.

［11］徐愷奇，辛光濤.三維可視化綜合物探技術(shù)在隧道超前預(yù)報(bào)中的應(yīng)用研究［J］.工程技術(shù)研究，2018（16）：29-30.

20240312