岩溶隧道地质雷达超前预报及典型图像分析
高树全;牟元存
【摘 要】地质雷达因其探测快速等优点,在隧道超前地质预报中得到广泛应用.地质雷达能够对岩溶隧道施工过程中常见的溶蚀裂隙带、溶洞和富水岩溶管道等进行有效预报.本文简要阐述了地质雷达在超前地质预报过程中的注意事项,并结合几个典型实例,分析地质雷达图像中波形、振幅和频率等特征,探索了雷达图像与隧道岩溶地质现象的相关关系.研究结果表明,溶蚀裂隙带、溶洞和富水岩溶管道的雷达图像,在波形均一性、振幅和频率变化及信号能量衰减等方面表现出不同的特征,这为进一步地质解释提供了较可靠的参考依据. 【期刊名称】《铁道建筑技术》 【年(卷),期】2015(000)010 【总页数】4页(P12-15)
【关键词】岩溶隧道;地质雷达;图像分析;超前地质预报 【作 者】高树全;牟元存
【作者单位】中铁二院工程集团有限责任公司 四川成都610031;中铁二院工程集团有限责任公司 四川成都610031 【正文语种】中 文 【中图分类】U456.3
作为短距离超前预报物探方法之一,地质雷达在隧道超前地质预报中发挥了重要作用［1］。它不仅能验证(或缩小)中长距离预报中可能存在的异常,也能为下一步的
超前钻探验证提供较可靠的孔数、孔位参考。地质雷达独特的探测原理(电性差异)和灵活的操作方式,使其在岩溶隧道超前预报中发挥着不可替代的作用。 超前地质预报中,地质雷达测线布置、时窗设置和数据后处理等至关重要,它是雷达图像有效解译的基础。当已探测出掌子面前方存在岩溶不良地质体时,若不能对其性质有较可靠的认识,盲目揭示后易出现坍塌、涌泥及涌水等地质灾害,使得隧道开挖极具风险。本文根据业内人士的一些认识［2-10］,结合大量的实测数据和工作实践经验,通过几个典型地质雷达剖面,分析雷达图像中波形、振幅和频率等特征,探讨地质雷达图像特征和岩溶地质现象的相关关系,为降低施工风险、赢得隧道掘进时间创造了良好条件。 2.1 物探前提及适用条件 2.1.1 物探前提
由于岩溶隧道中出现的不良地质体(如:溶蚀裂隙带、溶洞和富水岩溶管道等)和周围介质存在明显的介电常数差异,进而在雷达剖面上形成明显的雷达异常反射信号。通过分析异常信号特征,实现对隧道掌子面前方不良地质体性质的判释。常见介质的相对介电常数和电导率见表1。 2.1.2 适用条件
尽管地质雷达法广泛应用于岩溶隧道超前地质预报中,但其并不是在任何情况下都能适用并取得好的探测效果,其关键的两个电性参数为介质的相对介电常数和电导率［11］。相对介电常数决定了电磁波在介质中的传播速度,相对介电常数的差异越大,电磁波反射信号能量越强;电导率决定了电磁波在该介质中的穿透深度,穿透深度随电导率的增加而减小。岩溶隧道超前探测中,围岩的含水情况对介质的介电常数和电导率影响较大。所以,一般情况下,在电导率较小的灰岩隧道掌子面上探测,地质雷达法能获得更远的探测距离,从而优于其它短距离超前预报方法;反之,地质雷达探测距离受限,效率不高。
2.2 测线布置及数据采集模式
原则上,隧道掌子面地质雷达测线的布置采用“#”或“丰”字形。然而,当隧道采用台阶法开挖或预留核心土开挖时,测线的布置受隧道空间位置和现场条件的,变得相对艰难。即使如此,地质雷达探测应在掌子面至少布置2条水平测线,增大探测范围和验证雷达异常。必要的时候,应在隧道两侧边墙部位适当距离范围内增加测线。
隧道掌子面较平整时,多采用连续扫描的测量方式。当掌子面平整度较差时,数据采集多采用点测方式(测点间距应控制在10～20 cm)。综合考虑雷达探测效果、可实施性和安全等因素,数据采集宜采用点测和连续扫描测量相结合的方式进行。 2.3 参数选择
隧道掌子面地质雷达探测中,为获得较大的探测深度(距离),一般使用中心频率为100 MHz或低于100 MHz的天线。现场具体工作中,常使用中心频率100 MHz的屏蔽天线。
时窗的选择,一般可根据电磁波探测目标体的最大距离双程走时的1.2～1.3倍确定。目前,业内人士多采用600～700 ns的时窗设置。然而,在含水量较丰富的掌子面探测时,电磁波有效反射信号多在200 ns以内,时窗设置为600～700 ns则不适宜。所以,为保证探测效果,让大部分电磁波有效信号显示在采集界面窗口中,时窗的设置要根据现场情况调试而确定,不要受“固定思维模式”的影响,为了出具长距离的技术报告而忽略了雷达数据的有效性和可靠性。 2.4 资料后处理
地质雷达数据后处理的目的主要是压制各种干扰,增强有效信号,提高资料的信噪比,最大限度提高雷达反射信号的分辨率［12-13］,通过提取反射波的各种有用参数(如:振幅、频率和相位),帮助解释人员对资料进行有效的地质解释。
完整的地质雷达数据处理流程较多。然而,实际操作过程中,数据处理流程并不是一
成不变的。正如之前所述,雷达测线受隧道空间位置和现场条件,往往测线长度较短(单洞双线铁路隧道跨度不过十几米,辅助坑道则只有几米),测量剖面获取的雷达信号相对较少。固定的处理流程,可能会造成雷达剖面有效信息的过多丢失,不便于资料解译。所以,数据处理过程中应尽量保持原始数据原貌特征。 3.1 完整岩体雷达图像
掌子面较完整的灰岩,岩体均一性较好,介电常数差异很小。电磁波在岩体中传播时,能量衰减缓慢,雷达反射波强度很弱,没有明显的反射界面。雷达图像中反射波形特征表现为:波形均匀且低幅高频,仅在局部存在稍强反射亮点,如图1所示。 3.2 溶蚀裂隙带雷达图像
灰岩地层,由于长期受地下水作用,在节理发育的岩体中,易形成溶蚀裂隙,溶蚀扩大之后,形成溶蚀裂隙带。溶蚀裂隙中或为空气、泥质等方式填充,岩体均一性差,介电常数差异较大。电磁波传播中遇到溶蚀裂隙带时,能量衰减较快(特别是高频部分),雷达反射波振幅增强且变化较大,波形均一性差,同相轴断断续续不连续。电磁波在溶蚀裂隙带内产生的反射、绕射和散射等,使得雷达反射信号波形杂乱,同相轴连续性差,反射波频率成分复杂。图2中虚线区域表示溶蚀裂隙发育区。 3.3 溶洞雷达图像
溶洞的雷达图像特征跟溶洞形态、规模有关。在空溶洞的地质模型上电磁波衰减相对较缓,溶洞边界处常形成强烈的高频反射波,且伴随双曲线形态的反射波组出现。由于在溶洞体内几乎没有反射信号,溶洞的前界面位置容易确定,但溶洞的后界面不易识别。图3中,电磁波在掌子面前方约370 ns处形成连续的强烈反射界面,溶洞的前界面容易识别,但溶洞的后界面不易确定。综合上述图像特征,判释为空溶洞(溶缝)。图4中,电磁波在掌子面前方约210 ns处形成2个强烈的双曲线形反射界面,双曲线顶端开口平缓,显示溶洞规模较大。类似前面所述图像特征,判释为大型空溶洞或溶洞群。图3和图4中虚线表示溶洞前界面。
3.4 富水岩溶管道雷达图像
灰岩地层中岩溶强烈发育时,岩溶的发育已成规模,隧道开挖过程中,可能遇到已形成的大型岩溶管道、暗河等。由于围岩中富含水,电性差异大,电磁波衰减快,雷达反射波形成强烈的低频反射。如图5所示,电磁波在掌子面前方约300 ns之后的反射波波形宽阔,振幅强烈,表现为强烈的低频反射振荡信号(虚线区域所示),判释为岩溶管道富水区域。
(1)超前地质预报中,合理选择数据采集方式和设置时窗,优化数据后处理过程,能最大程度发挥地质雷达的有效性,为雷达图像解译提供保障。
(2)溶蚀裂隙带的雷达图像特征主要为波形均一性差,同相轴断断续续,振幅增强且变化大;溶洞的雷达图像特征主要为溶洞边界处常形成强烈的高频反射波,且伴随双曲线形态的反射波组;富水岩溶管道的雷达图像特征主要为低频强烈反射,信号衰减快。对比分析雷达图像中波形、频率、振幅和信号能量衰减等特征,可以对进一步地质解释提供较大帮助,为施工岩溶揭示和处理提供可靠的参考资料。
地质雷达是灰岩隧道超前地质预报中重要的探测手段之一,隧道参建各方应引起高度重视,为掌子面地质雷达探测提供广阔的发展空间,充分发挥地质雷达探测的高效性和有效性。
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