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三维探地雷达技术在复杂岩溶隧道超前预报中的应用研究

2024-10-14 125 上传者：管理员

摘要：文章通过总结在桂林某高速公路隧道施工中应用的三维探地雷达超前地质预报技术，并与超前水平钻孔和实际开挖结果进行对比验证，表明该技术可准确预报隧道掌子面正前方及侧前方岩溶溶洞的三维空间方位及大小。相较于二维地质雷达，该技术成像直观，无须贴靠探测目标，探测范围从二维剖面扩展为三维空间，提高了对岩溶等地质构造的探测精度，可为进一步的超前水平钻孔方位及角度设计以及岩溶处治设计施工提供直观可靠的依据。

关键词：
三维地质成像
三维地质雷达
塌方
岩溶三维地质预报
隧道超前地质预报
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我国西南地区岩溶分布广泛，地质条件复杂，岩溶的存在导致隧道建设时发生突水、涌泥、塌方等事故的风险增加，各类事故会造成人员伤害、经济损失，以及影响施工进度。超前地质预报工作在隧道施工地质灾害预防中起着重要作用，作为最常用的一种地质预报方法，地质雷达法在岩溶探测方面具有较好的效果。但地质预报多采用二维地质雷达，其应用在超前探测中主要存在以下问题：探测深度浅，一般<30 m;探测采用二维解释，不能给出前方地质体的位置和走向。因此常规的二维雷达超前地质预报方法无法完全满足复杂地质条件下的隧道超前地质预报工作要求，需要进一步探索精度高、效率高、可视化的超前预报方法。

目前常见的三维地质雷达采用的是多发多收天线，集成后的天线体积和重量都较大，天线中心频率多为中高频率，探测深度在1～3 m,主要用于浅层的路基路面病害探测[1-5]。用来进行隧道超前地质预报的低频率三维地质雷达还较少见，仅在部分文献中提及[6-11],主要用来探测隧道掌子面前方及前方周边范围内不良地质的三维空间分布情况，探测结果多与地震波法进行对比验证，与超前水平钻孔进行对比验证的较少。

本文通过将三维地质雷达预报技术应用于桂林某高速公路隧道，并将预报结果与超前水平钻孔、开挖验证的结果进行对比分析，验证该方法的预测结果，以期为岩溶等复杂地质条件下的隧道超前地质预报提供一种更为准确全面的方法。

1、三维地质雷达法隧道地质预报基本原理

二维地质雷达在隧道超前地质预报中应用的一大缺陷是无法准确定位异常体的三维位置。三维地质雷达天线无须贴靠探测目标，通过多角度密集探测，可以在一次探测中同时分别形成平行和垂直于运动方向的多条测线，实现三维雷达信号采集，大大提升探测效率；通过三维地质雷达数据处理系统，完成三维地质雷达数据信号的处理，包括智能增益、主成分滤波、纵向切片、横向切片、特征识别、三维点云数据导出；采用三维点云数据建模技术，实现地质构造三维成像，最终实现探测范围从二维剖面扩展为三维空间，提高了对地质构造的探测精度。

此外，三维超前预报地质雷达采用空间补偿雷达天线，多次重复观测，利用三维空间叠加算法，对同一反射点的资料进行动校正处理，动校正对齐后的各道数据相加，使同一反射点的有效波得到加强，多次波相对减弱，从而达到改善深部微弱信号质量、提高资料的信噪比的目的，可将有效探测距离从30 m增加到50 m,提高60%以上。

2、三维地质雷达法在隧道地质预报中的应用

2.1工程简介

桂林某高速公路隧道属岩溶化峰林谷地地貌区，为分离式隧道。隧道左线起讫桩号ZK15+044～ZK16+695,长度为1 651 m,隧道右线起讫桩号YK15+031～YK16+700,长度为1 669 m。隧道洞门型式为进口采用端墙式，出口采用削竹式。

2.2二维地质雷达探测结果

在该隧道左线出口端ZK16+609掌子面采用二维地质雷达进行了超前地质预报工作。探测的掌子面揭露的围岩以中风化灰岩为主，掌子面干燥，中上部铁质浸染呈红褐色，岩体较破碎，节理裂隙较发育，局部稍夹泥，围岩自稳能力较差。

图1二维地质雷达预报结果示意图

二维地质雷达预报结果(图1)显示：探测剖面掌子面前方6～14 m(相应里程桩号为ZK16+603～ZK16+595),以及掌子面前方左侧至中部20～25 m(相应里程桩号为ZK16+589～ZK16+584)范围内的雷达波形整体以不均匀低频为主，频率变化较快，波形杂乱，反射波幅值较强，同相轴较连续。结合掌子面围岩情况，推断围岩为中风化灰岩为主，呈碎裂状构造，岩体破碎，节理裂隙发育，岩溶较发育，推断以小规模填充型溶槽或空腔为主，填充物为泥质充填，结合差，自稳能力差。

2.3三维地质雷达法超前地质预报实施

2.3.1数据采集

在二维雷达探测后，对该隧道左洞桩号ZK16+602掌子面进行了三维地质雷达探测，探测前方是否有岩溶等地质构造存在。为了能覆盖掌子面正前方及侧前方探测范围，在掌子面左右侧共设置2个探测天线架设站点，每个站点内探测252个测点，测点的具体组成为：分为12组，对应天线朝向的12个水平角，(组间)水平角间隔20°,即-140°,-120°,-100°…+40°,+60°,+80°;每组21个测点(对应天线朝向的21个竖直角，(测点间)俯仰角间隔5°,即-50°,-45°,-40°…+40°,+45°,+50°。每个站点在探测时先调整好天线的水平角，在天线水平角固定为-140°的条件下从-50°到+50°旋转天线至不同的竖直角进行探测，为第1测组21个测点；再将天线切换至下一个水平角-120°,再旋转天线的竖直角进行探测，为第2测组21个测点。依次进行12组测点的探测，完成一个天线架设站点探测，再进行下一个天线架设站点探测。一个测站的探测角度范围及探测流程详见图2。

图2一个测站探测角度范围示意图

2.3.2成果解释

对采集的三维地质雷达数据采用数据分析平台处理，并用三维点云处理系统将雷达二维剖面结果数据三维化，获得溶洞异常区识别的三维解释结果如图3所示，二维剖面结果如图4所示，都给出了探测范围，最远探测距离为40 m。

图3异常地质体探测结果空间位置俯视示意图

图4异常地质体探测结果平面位置俯视示意图

通过三维雷达进行超前探测，推断掌子面前方围岩状况较差，主要存在2处溶洞构造D1、D2,内部存在多处信号反射，推测局部充泥。其中，D1距离2#探测位置5.6 m附近探测到岩溶空洞构造，分布在探测位置右前方，探测区域内长轴为60.0 m,短轴为21.8 m, D1内部主要为黄泥填充；D2距离1#探测位置4.7 m附近探测到岩溶空洞构造，分布在探测位置左侧，长轴为37.3 m,短轴为16.2 m。地质异常区D1、D2三维雷达超前探测结果信息见表1。

表1三维超前探测结果表

2.4开挖及超前水平钻孔验证

2.4.1开挖验证

实际开挖显示，该隧道出口左洞ZK16+597上台阶掌子面揭露围岩情况为：掌子面右侧围岩为大面积溶腔，可见溶腔范围斜向上延伸，溶腔内充填黄泥，无自稳能力，如图5所示。三维地质雷达对侧前方岩溶发育范围的预报结果与掌子面揭露溶洞的情况相符。而二维雷达由于只能探测掌子面正前方的异常情况，推断正前方是以小规模填充型溶槽或空腔为主，与实际溶洞范围不符。

图5隧道出口左洞ZK16+597掌子面揭露溶洞情况示例图

2.4.2超前水平钻孔验证

为了进一步查明掌子面揭露溶洞的空间范围，采用C6多功能钻机在隧道左洞雷达探测掌子面桩号ZK16+597位置布置6个超前探孔，钻孔位置及钻孔记录见表2、图6。根据钻孔记录及钻渣分析，左幅掌子面前方存在大面积泥质充填、溶腔，其中1#孔共计钻进50 m, 3.2～50 m范围内均为空腔或黄泥状态。三维地质预报的结果与超前水平钻孔查明的溶洞空间分布范围相符。

表2超前水平钻钻孔位置及探测结果表

图6隧道左洞掌子面ZK16+597位置钻孔探测示意图(m)

由此可见，三维地质雷达预报结果与钻探和现场开挖揭示的结果吻合较好，准确地预测了隧道掌子面正前方和侧前方溶洞的空间分布范围，成像直观，是一种精确全面的隧道超前预报方法。

3、结语

本文依托桂林某高速公路隧道工程，开展三维探地雷达技术在隧道超前地质预报中的应用研究，并将预报结果与超前水平钻孔、开挖揭示的结果进行对比验证，结果表明：

(1)三维探地雷达技术借助中心频率50 MHz的天线并结合三维空间叠加算法，探测距离根据围岩完整情况可达到40～50 m,相比二维探地雷达的预报距离有较大提升。

(2)三维探地雷达技术的探测范围为锥形三维空间，可有效探测隧道掌子面正前方50 m范围内、侧前方30 m范围内的隧道轮廓线内外三维空间的不良地质情况，实现不良地质构造的快速识别和三维成像。对于公路隧道，可在掌子面底部中间设置1个测站，也可在掌子面底部左右侧共设置2个测站，扩大探测范围。

(3)三维探地雷达技术提高了对岩溶等地质构造的探测精度，探测结果更准确、更直观、更全面，尤其适用于岩溶复杂发育条件下的隧道超前地质预报工作，可为处理复杂岩溶提供设计和施工的准确详细数据依据，避免因岩溶未被准确探测到或处治不当而引起的隧道坍塌、突泥等灾害事故发生。

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基金资助:广西重点研发计划项目“复杂地质条件下隧道结构性能演变与健康状态评估关键技术研究”(编号:2023AB14033);广西重点研发计划项目“基于分布式光纤的隧道施工安全与运营健康实时监测技术研究”(自筹)(编号:桂科AB22080027);广西壮族自治区工业和信息化厅2018年第三批技术创新项目(自筹类)“基于布里渊散射的分布式光纤长大隧道施工安全实时监测关键技术”;

文章来源:熊春发,卢超波,杨庭伟,等.三维探地雷达技术在复杂岩溶隧道超前预报中的应用研究[J].西部交通科技,2024,(10):95-97+110.