地质雷达在隧道穿越充填型岩溶区的应用_唐俊林.pdf

书书书DOI:10 13719/j cnki 1009 6825 202315039地质雷达在隧道穿越充填型岩溶区的应用收稿日期:2022 10 25基金项目:四川省科技计划资助(2022JDJQ0017)作者简介:唐俊林(1981 )，男，高级工程师，从事铁路隧道及桥梁工程安全、质量、技术及科研工作*通信作者:李瑞林(1980 )，男，高级工程师，从事铁路建设、隧道施工新技术研究工作唐俊林，郭德平，李瑞林*，王锋，廖烟开(叙镇铁路有限责任公司，云南 威信657999)摘要:西南山区新建铁路沿线岩溶发育，隧道施工穿越岩溶段极可能遭遇涌水、突泥等地质灾害，危及施工安全，甚至破坏地表环境。目前，地质雷达作为隧道超前地质预报的一种常规成熟手段，已经广泛应用于隧道工程。根据地质雷达成像原理，进行正演模拟，对比断层类雷达图像，充填型岩溶常呈现“双曲反射”特征，并在叙毕铁路庙坝隧道两个典型充填型岩溶案例中得到验证，为准确预报隧道掌子面前方充填型岩溶洞穴提供了科学依据。关键词:隧道;充填型岩溶;地质预报;地质雷达中图分类号:TU412文献标识码:A文章编号:1009 6825(2023)15 0150 030引言21 世纪以来，我国基础设施不断完善，隧道与地下工程蓬勃发展。“西部大开发”和“一带一路”一系列国家战略实施，我国铁路网建设向西南岩溶山区不断推进，这样势必不可避免地出现越来越多穿越复杂岩溶地质条件的隧道。隧道施工穿越岩溶段极可能遭遇涌水、突泥等地质灾害，危及施工安全，甚至破坏地表环境1 2。目前，地质雷达作为隧道超前地质预报的一种常规成熟手段，已经广泛应用于隧道工程。本文根据地质雷达探测原理，基于时域有限差分法对充填型岩溶进行模拟，“双曲反射”图像特征在叙毕铁路庙坝隧道两个典型充填型岩溶案例得到了验证，为西南山区铁路类似隧道工程提供借鉴。1充填型岩溶地质成因及施工风险岩溶沿断层破碎带、褶皱轴部等发育，岩体在构造应力作用下形成破裂构造形迹，地下水易沿裂隙溶蚀流动，加之破碎带的岩石破碎物质，最终形成充填型岩溶。充填型岩溶是岩溶隧道突水突泥的一种危害性较大的隧道致灾构造。如厦深铁路梁山隧道发生 3 次突泥，突泥量达 30 000 m3，且地表出现塌陷;贵州余凯高速公路鱼洞 1 号隧道左洞发生充填黏土岩溶突泥，造成 5 名施工人员被困;渝怀铁路圆梁山隧道 DK354+879 特大突泥，导致 9 名施工人员死亡。因此如何有效预报充填型岩溶是避免隧道重大地质灾害亟待解决的问题。2充填型岩溶物性特征及预测方法21充填型岩溶物性特征分析地质特性方面，岩溶充填物主要包括黏土、水等。黏土类型主要包括地下泥水混合充填岩溶底部黏土、地下岩溶充填黏土、与地表相通的岩溶充填黏土、地表深大岩溶沟槽充填黏土、未胶结富水压性断层强烈挤压破碎带。充填型岩溶溶洞外为岩石，溶洞内为黏土、水等，岩石和黏土、水的介电常数差异较大(见表 1)，从而导致电磁波波速不一致，在地质雷达剖面图上呈现出较为典型的图像特征。故运用地质雷达进行充填型岩溶的探测是科学有效且准确的。表 1常见物质介电常数表介质类型电导率/(Sm1)相对介电常数 r空气01纯水1e43e281黏土(饱水)1e118 12灰岩1e9722地质雷达探测原理地质雷达是采用无线电波检测地下介质分布和对不可见目标体或地下界面进行扫描，以确定其内部结构形态或位置的电磁技术，具有高分辨率、无损性、高效率、抗干扰能力强等特点3 5。如图 1 所示，其工作原理为高频电磁波以宽频带脉冲形式通过发射天线发射，经目标体反射或透射，被接收天线所接收。高频电磁波在介质中传播时，其路径、电磁场强度和波形将随所通过介质的电性质及几何形态而变化，由此通过对时域波形的采集、处理和分析，结合掌子面围岩地质情况，可预测掌子面前方围岩状况。探测成果可用地质雷达时间剖面图像表示，其中横坐标记录了天线在隧道掌子面的位置，纵坐标为反射波双程走时，表示雷达脉冲从发射天线出发经地下界面反射回到接收天线所需的时间。这种记录能准确描述掌子面前方各反射界面的形态。051第 49 卷 第 15 期2 0 2 3 年 8 月山西建筑SHANXIACHITECTUEVol 49 No 15Aug2023图 1探地雷达工作原理示意图发射机噪声信号主机接收机收发转换开关发射接收目标体3地质雷达正演模拟基于时域有限差分法(FDTD)原理6，为了进行对比，分别对断层和充填型岩溶进行正演模拟。如图 2 所示，模型大小为 12 m(宽)30 m(长)，离散化网格为0005 m 0 005 m，异常体为断层类和泥质充填溶洞，所模拟的雷达发射频率为 100 MHz。图 2地质雷达模拟模型设计示意图121086420X 轴121086420X 轴24681012141618202224262830Y 轴24681012141618202224262830Y 轴121086420121086420X 轴X 轴51015202530Y 轴51015202530Y 轴XZY2.0e+001.81.61.41.21.0e+00材料0000如图 3 所示，根据地质雷达成像原理，断层类图像呈现平直形态，无弯曲;溶洞由于溶洞内外介电常数差异明显，在雷达探测形成的图像中，溶洞界面常呈现典型“双曲反射”特征7 10。图 3不同类型介质目标正演模拟图（a）断层类（b）泥质充填溶洞120240360480600时间/ns100806040200-20-40-60-80-100场强/（V m-1）1202403604806006004002000-200-400-60010记录道编号30 5010 30 50时间/ns场强/（V m-1）记录道编号4工程验证叙毕铁路(川滇段)位于我国西南岩溶山区，隧道沿线穿越灰岩、白云岩等可溶岩地层，极易引发隧道涌突水、涌突泥等地质灾害。叙毕铁路庙坝隧道 D1K260+240D1K260+445 段可溶岩发育，主要为下二叠统茅口组、栖霞组灰白色、深灰色、灰黑色灰岩。现场采用美国产 GSSI SI 3000 型探地雷达，选用100 MHz 屏蔽天线(见图 4)。图 4地质雷达测试系统41庙坝隧道 D1K260+391 岩溶探测本次 地 质 雷 达 预 报 探 测 范 围 D1K260+391D1K260+361(30 m)，其探测图像见图 5。图 5D1K260+391 掌子面雷达探测成果图0.05.010.015.020.025.030.00.05.010.015.020.025.030.00.000 2.0004.0006.000测线长度/m0.000 2.0004.0006.000测线长度/m探测深度/m探测深度/mD1K260+391 掌子面情况:掌子面主要为深灰色灰岩，岩体较破碎，局部破碎，呈厚层状、碎裂状结构，节理裂隙较发育，结构面间胶结较差，偶见掉块，掌子面干燥无水。如图 5 所示，掌子面前方 6 m 12 m 范围，雷达波形图像出现强反射、同相轴错断，呈现较明显的弧形反射，结合掌子面地质情况，推测 D1K260+385D1K260+379 溶腔发育，泥质充填。现场开挖至 D1K260+382，发现溶洞，冲泥物质突出(见图 6)。图 6D1K260+382 掌子面出现涌突泥42庙坝隧道 D1K260+348 岩溶探测本次 地 质 雷 达 预 报 探 测 范 围 D1K260+348D1K260+318(30 m)，其探测图像见图 7。D1K260+348 掌子面情况:掌子面主要为深灰色灰岩，岩体较破碎，局部破碎，呈厚层状、碎裂状结构，节理裂隙较发育，掌子面干燥无水。如图 7 所示，掌子面前方 10 m 30 m 范围，雷达波形图像出现强反射、同相轴错断，呈现典型的“双曲反151第 49 卷 第 15 期2 0 2 3 年 8 月唐俊林，等:地质雷达在隧道穿越充填型岩溶区的应用射”特征，结合掌子面地质情况，推测 D1K260+338D1K260+332 溶腔发育，泥质充填。图 7D1K260+348 掌子面雷达探测成果图0.05.010.015.020.025.030.00.05.010.015.020.025.030.00.000 0探测深度/m探测深度/m测线长度/m测线长度/m0.000 0现场开挖至 D1K260+335，发现溶腔，充填黏土夹灰岩碎块(见图 8)。图 8D1K260+335 掌子面出现溶腔5结论1)西南山区岩溶发育，充填型岩溶极易引发隧道突水突泥灾害，严重威胁隧道施工安全。2)地质雷达作为常规成熟地质预报手段，能有效预报岩溶，充填型岩溶常呈现典型的“双曲反射”特征。3)地质雷达对岩溶的位置、界面形态的预报均需结合具体地质情况进行分析，才能得到较为准确的预报结果。参考文献:1 何发亮，卢松 地质复杂隧道施工预报研究与工程实践 M 成都:西南交通大学出版社，2019 2 牟元存，曹强，高树全，等 隧道综合超前预报效果及其影响因索分析J 工程地球物理学报，2021，18(5):603 612 3 王玉琴，高树全 综合超前地质预报技术在贵南铁路岩溶隧道中的应用J 工程地球物理学报，2021，18(4):538 546 4 董昌帅，葛颜慧，刘友博 地质雷达在平顶山隧道超前地质预报中的应用J 山西建筑，2019，45(2):165 167 5 朱自强，郭有军，刘涛影 地质雷达超前地质预报正演模拟及应用研究 J 铁道科学与工程学报，2018，15(1):148 155 6 周黎明，付代光，张杨，等 典型不良地质体地质雷达探测正演试验研究 J 现代隧道技术，2018，55(4):47 58 7 高树全，王玉琴，牟元存 岩溶隧道地质雷达超前地质预报及图像分析J 工程地球物理学报，2021，18(5):642 646 8 苏涛，侯俊敏，车立刚 探地雷达在岩溶区隧道超前地质预报中的应用研究 J 公路工程，2018，43(4):53 56 9 姜洪亮，杨庭伟，卢超波 地质雷达法隧道超前地质预报岩溶探测应用研究J 工程技术研究，2018(11):6 9 10 张海超，苟晓军，花晓鸣，等 叙毕铁路隧道典型施工致灾构造及地质雷达超前预报 J 现代隧道技术，2020，57(增刊 1):1022 1029Application of GP in geological prediction of filling karst tunnelTang Junlin，Guo Deping，Li uilin*，Wang Feng，Liao Yankai(Xuzhen ailway Co，Ltd，Weixin Yunnan 657999，China)Abstract:Karst is developed along the newly-built railway in southwest mountain area，and the geological disasters such as wa-ter gushing and mud bursting are likely to occur when the tunnel passes through the karst section，which endangers the con-struction safety and even damages the surface environment At present，Ground Penetrating adar(GP)has been widelyused in tunnel engineering as a conventional and mature method of tunnel geological prediction According to the principle ofGP imaging，forward modeling is carried out，and by comparing the fault-like radar images，the filling karst usually presentsthe characteristic of“hyperbolic reflection”，which is verified by two typical cases of filling karst in miaoba tunnel of xubi rail-way，it provides a scientific basis for accurately predicting the filling karst cave in front of the tunnel faceKey words:tunnel;filling karst;geological forecast;geological radar251第 49 卷 第 15 期2 0 2 3 年 8 月山西建筑