余绍帆 ，刘东坤

（1.云南省建筑科学研究院，昆明 650223；2.云南省岩土工程技术研究中心，昆明 650223）

1 引言

随着一体化进程的不断推进及我国经济的不断发展，高速公路的建设被许多省份提上核心议程，云南省也不例外。云南省地形复杂，山势较大，因此隧道工程较多，许多隧道必须穿越岩溶地区，岩溶发育复杂多变，不仅产状、位置、充填情况难以把握，且突泥、突水等地质灾害易发，这些自然灾害大大提高了高速公路在岩溶地区的施工难度，增加了施工风险。因此，能否提前掌握施工地区周围的实时地质情况以及天气情况成为施工成功及安全与否的关键。及时有效的情况预报不仅可以避免不必要的施工成本，还为一线施工人员的安全提供了切实的保障。地质雷达不仅仅因为其高分辨成像的优点，更因为其高清晰的成像度，而被广泛运用于隧道短期地质预报之中。

2 地质雷达的基本原理

地质雷达（Ground Penetrating Radar）技术是根据地下介质电性的差异，通过发射高频电磁波的反射来探测地下目标体的一种物探手段。相对其他勘探方法，具有简单、高效、易操作的优势，因此，受到地质灾害预防及控制领域的广泛应用。

地质雷达的发射天线会向四周发射高频率的电磁波，不同的地质结构会因为其不同的地质体电性所形成的不同电性界面向地质雷达反馈回不同的反射信号。地质雷达的接收主机通过记录电磁波的双程走时，并求取电磁波在该介质中的传播速度就能得到雷达的探测深度【1】。

由于不同地质体的电性存在差异，因此，主机通过接收回来的信号在振幅、频带、形状的横向展布上会存在差异，所以，在地质雷达数据处理和分析上可以通过这些差异结合双程走时来分析地质体的空间分布和结构构造【2】。

式中，h 为反射体深度，m；ν 为地质雷达脉冲波数，m/ns；t 为反射回波走时，ns。

式中，c 为真空中电磁波传播速度，0.3m/ns；εr为介质的相对介电常数。

由式（1）、式（2）可得：

3 隧道工程概况

云南某隧道拟设计为分离式隧道，该地段属典型的山地岩溶化地貌区。施工区地形较为崎岖，少数地段有10°～15°陡坡，地表植被覆盖面积稀疏；隧道区地表水不发育，冲沟内无常年流水，大气降水沿山脊向低地势的沟渠处汇聚，相关地质资料显示该隧道上覆地层为第四系残坡积层，下伏地层为三叠系中统个旧组第四段岩层，为白云岩【3】。

隧道中主要的岩溶发育类型有3 种：（1）无充填型溶洞溶腔：在施工爆破振动的影响下，易出现顶板或侧壁石块掉落，甚至坍塌；（2）溶蚀裂隙：破坏围岩完整性及稳定性，形成地下水流通通道，易造成涌水事故；（3）泥沙充填型溶洞：隧道中的泥沙或岩溶水中富含泥沙，当岩溶揭露后会涌入隧道，造成突泥事故。

4 仪器设备及调用参数

采用美国GSSI 公司生产的SIR-4000 型地质雷达（GPR）及配套分析软件RADAN7。

地质雷达主机主要调用的参数如下：

天线：100MHz；

测量方式：点测（由于隧道掌子面不平整）；

介电常数：7～8（完整白云岩介电常数一般为6～8，由于岩体节理裂隙发育程度不同，黏土含量不同，介电常数取7～8）；

记录长度：430nm/s。

5 地质雷达探测及结果分析

本次探测采用美国GSSI 公司生产的SIR-4000 型地质雷达系统，选用100MHz 天线，在掌子面布2 条测线保证数据的有效性，探测精度为20m。

5.1 完整基岩雷达探测结果分析

完整基岩对应的波形堆积图如图1 所示。

图1 完整基岩对应的波形堆积图

根据波形堆积图得出：完整基岩波形均一，振幅弱，同相轴连续。

5.2 岩体节理裂隙发育雷达探测结果分析

岩体节理裂隙发育对应的波形堆积图如图2 所示。

图2 岩体节理裂隙发育对应的波形堆积图

根据波形堆积图得出：岩体节理裂隙发育与完整基岩间介电常数差异较大，导致节理裂隙发育处的波形振幅增强，同相轴不连续，时断时续，能量衰减较快。

5.3 岩体夹泥雷达探测结果分析

岩体夹泥对应的波形堆积图如图3 所示。

根据波形堆积图得出：岩体夹泥与围岩间介电常数差异较大，导致岩体夹泥处能量反射较强，振幅增强，同相轴较连续，夹泥处波形较集中，能量衰减较快。

图3 岩体夹泥对应的波形堆积图

5.4 岩体溶蚀破碎雷达探测结果分析

岩体溶蚀破碎对应的波形堆积图如图4 所示。

图4 岩体溶蚀破碎对应的波形堆积图

根据波形堆积图得出：岩体溶蚀破碎，夹泥较多，能量衰减较快，导致波形振幅弱，基本呈直线衰减，局部存在少量基岩裂隙水，导致波形局部振幅增强，频带较宽。

5.5 岩溶地区不同岩体雷达探测结果分析总结

以上分别对完整基岩、岩体节理裂隙发育、岩体夹泥、岩体溶蚀破碎的波形特征进行了分析，现将不同岩体对应的波形特征总结如下：

1）完整基岩：波形均一，振幅弱，同相轴连续；

2）节理裂隙发育：波形振幅增强，同相轴不连续，时断时续，能量衰减较快；

3）岩体夹泥：岩体夹泥与围岩间介电常数差异较大，导致岩体夹泥处能量反射较强，振幅增强，同相轴较连续，夹泥处波形较集中，能量衰减较快；

4）岩体溶蚀破碎：岩体溶蚀破碎，夹泥较多，能量衰减较快，导致波形振幅弱，基本呈直线衰减，局部存在少量基岩裂隙水，导致波形局部振幅增强，频带较宽。

6 结语

本文以云南某隧道为例，采用地质雷达100MHz 天线分别对完整基岩、岩体节理裂隙发育、岩体夹泥、岩体溶蚀破碎4种岩体进行探测，得出不同岩体所对应的波形特征。通过对4 种岩体波形特征的总结可以看出不同介质间介电常数差异较大，地质雷达通过不同介质之间电性的差异得出相应的波形图特征，在均一的岩体中，地质雷达探测出来的波形较均一，同相轴连续，能量分布较均匀；出现不同介质时，波形振幅增强，能量衰减较快，同相轴会出现不连续、时断时续等情况。