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摘 要： [摘要]主要采用公路隧道中最常用的地質雷達法(GPR)進行，通過對其使用原理、優缺點、應用條件的分析，以湖南某隧道工程為例，采用有限差分方法對巖溶地質災害進行數值模擬，結果表明，如果某地區存在較大的電解質差異性，最終能夠通過各種手段得到較好的雷達
[摘要]主要采用公路隧道中最常用的地質雷達法(GPR)進行，通過對其使用原理、優缺點、應用條件的分析，以湖南某隧道工程為例，采用有限差分方法對巖溶地質災害進行數值模擬，結果表明，如果某地區存在較大的電解質差異性，最終能夠通過各種手段得到較好的雷達探測效果。溶洞的探地雷達具有較強的反應，空洞、填充溶洞或者基巖的電常數具有較大差異，溶洞界面很可能將導致探地雷達出現弧形，并且造成比較強的反射。雷達同相軸的散亂、不連續等情況也經常出現再裂隙發育、巖體破碎等狀況，同時其反射能量非常強，在評價巖體完整性的過程中需要綜合上述指標進行操作。
[關鍵詞]地質雷達法,洞穴,巖溶,公路路基,弧形
目前我國正處于交通運輸產業迅速發展的重要階段，也在不斷增多公路建設隧道施工的項目，與此同時也需要面對各種各樣的地質問題，特別是在巖溶地帶，常會有斷層破碎帶、溶洞、巖爆、涌水突泥、軟弱夾層等地質災害出現[1]。要對地質災害進行有效預防，在隧道開挖時，需探測、判釋、分析圍巖及不良地質體，能夠進一步指導隧道施工的推進[2]。
超前地質預報指的是通過多元化手段和方法，探測并分析前方工程當中可能存在的地質體情況，從而為隧道施工項目的正常運行保駕護航[3]。超前地質預報當中所需要判定的內容主要有地下水、地層巖性以及地質構造等，在超前地質預報方法當中出現頻率較高的方法主要是超前鉆探和物探[4]。
在超前地質預報過程中，最為有效且直接的方法是超前鉆探法，能夠直接揭示其所包含的各項內容和情況，但是需要花費較高的成本，甚至會影響隧道的正常工期。因此，以紅外探水、地質雷達為代表的物探在超前預報當中的使用范圍最廣，其具有時間短、成本低等優勢[5]。本文主要采用公路隧道中最常用的地質雷達法(GPR)進行，通過對其使用原理、優缺點、應用條件的分析，以湖南某隧道工程為例，采用有限差分方法對巖溶地質災害進行數值模擬，研究分析了地質雷達的工程應用效果。
1地質雷達法及其優勢
1.1地質雷達法
地質雷達法屬于一種地球物理方法，通過寬帶高頻電磁波的利用，對地下各種介質分布狀況進行確定，地質雷達主機可以在很大程度上控制微毫秒級脈沖信號，在系統處理環節以后，通過發射天線發射信號，探測地層的信號傳播形式以特定高頻電磁波形式為主，一旦有異常體對其進行信號阻擋，將發生顯著的異常反應[6]。
磁導率、介電常數等各種參數均會對地下介質的雷達傳播產生影響，這些參數在不同介質間會有較大差異存在[7]。在進行水、洞穴等有關地質異常體探測時，地質雷達法較為敏感，能較為準確的探測出，因而，在公路隧道超前預報中，地質雷達法被廣泛使用。
1.2地質雷達法優勢
對于傳統暗河、溶洞檢測時，常采用的是鉆芯取樣法，該方法檢測結果缺乏代表性，隨機性較大，難以對暗河、溶洞質量狀況進行全面把握，且效率低，工作量較大[8]。探地雷達可對這種情況進行改變，可便捷、高效、無損、連續完成暗河、溶洞檢測任務，可將檢測速度加快，使工作效率提高，確保暗河、溶洞的檢測精度，全面對暗河、溶洞質量狀況進行掌握。若掌握等出現質量問題，可從電磁波圖形上看到病害部位[9]。
2工程概況
本工程為湖南某高速公路隧道工程，該工程全長405.5m。近年來，由于降雨等因素的影響，在距隧道進口250.3m附近，道床發生大量涌水，并將泥砂帶出，涌出泥砂將道床充填，從而使軌道線路得到抬高，對行車運行造成一定的安全隱患。
因此，非常有必要對該隧道進行病害勘察。通過排查確定隧道病害的主要影響因素，從而促進隧道病害整治工作的有序推進。隧道的地理位置主要在山丘陵地區，其特點主要包括構造溶蝕，地勢起伏等特征，山坡上有非常茂密的灌木叢和植被覆蓋。本工程區四季分明、雨量充沛、無霜期長、汛期雨量集中，屬亞熱帶季風濕潤氣候。年降雨量在1465～1495mm，年平均相對濕度為75.5%。
2.1不良地質體的解譯判讀
在本工程區高速路段，巖溶發育，地表多巖溶洼地、管道，同時有多條地下河流存在，具有非常大的施工難度。隧道上行全長為405.8m，下行段線長為404.1m，高7.3m，寬10.4m，建筑限高5.0m。隧道大部分基巖為強風化白云質灰巖、二迭系白云質灰巖。工程區內巖溶具有較高的發育的程度，在隧道北面和南面，有串珠狀的溶洼分布，在低洼處，常有巖溶洞穴裸露。
在工程區內，有一個庫容量為39.5萬m3的水庫存在，受重力滲入水的影響，隧道工程為裂隙水類型。在隧道周邊，具有發育明顯的斷層。基于本工程概況，本文選取研究對象為K147+974～K147+979段和K148+155～K148+207段，對于隧道不良地質體及地質災害，采用探地雷達超前探測技術進行探測識別。
2.2巖溶地質災害的數值模擬
模擬地層介質傳播電磁波的過程主要通過數值方法來實現，對巖溶地質災害的電磁響應特征進行分析。通過正演模擬巖溶地區的地質體，與地質雷達實測圖像進行對比分析，可將雷達圖像解譯精度有效地提高。在地下介質傳播時，由于電磁波遵循Maxwell方程組，因而，基于Maxwell方程組，建立地質雷達數值模擬的正演理論。
介質傳播過程中電磁波涉及到以下特征:如果界面兩側的介電常數差異較大，此時將會出現巨大的反射能量，而如果界面兩側的介電常數差異較小，此時所產生的反射能量則比較小;如果存在介質穿透的現象，且有比較低的電阻率，則具有相對較大的介電常數，但電磁波衰減則非常劇烈，同時有反射波的細、窄同相軸出現，且波幅較小，在情況相反時，出現的反射波全部為粗、寬同相軸，且波幅較大;在介質松散時，或有成分不均的、不連續的反射介面介質出現，此時很容易形成散射現象，甚至雷達當中的圖像情況非常雜亂，同相軸現象的發生概率非常低，在情況相反時，反射波具有連續穩定的同相軸;如果被測介質存在空隙，則會有雷達反射波形的波寬和振幅同時變大的情況出現[10]。
本文在進行對應的數值解求取時，所使用的手段以時域有限差分法(FDTD)為主，實現模擬探地雷達數值的目的。通過建立3種不同的地電模型，對巖溶地區不同地質體的雷達圖像特征進行準確模擬，在進行設計時，結合隧道開挖面大小，將模型尺寸設計為11.5m×15.5m，設定地質雷達主頻為100MHz，模型網格尺寸設計為0.051m，點測模式采集通過0.10m的步距進行，設定時窗大小為254ns，移動方向從左往右。
3數據采集與分析
3.1選取雷達天線
本研究在進行探測時，采用的是LTD-2100型探地雷達儀。為確保探測的深度與精度，主要對探地雷達儀進行3個方面的綜合衡量，分別為穩定性、分辨率、穿透力，在工程現場，有2種實驗中選取的天線，天線的探測深度分別為100、300MHz，如果天線的探測深度為300MHz，則意味著其具有較高的探測精度。
再將2種天線放在同一條探測線上，并采取重復探測的方法，這樣可對路基巖溶發育規模進行宏觀控制，同時對巖溶局部充填、發育情況進行詳細了解，全面結合2種不同天線測量得出的雷達圖像特征，并展開分析探究，得到準確度更高的效果。
3.2線路布置的探測
結合本工程檢測過程中的實際情況，最終進行雷達檢測共使用了5條線，測線箭頭即為檢測防線。
3.3數據處理
雷達數據的影響因素有很多，包括空中規則和地下規則以及隨機因素等，因此必須要采取一定手段處理深部信息，盡可能壓制干擾因素，增強雷達剖面的信噪比和分辨率。本研究在進行雷達數據的處理時，主要進行5個步驟，第1步需要將飄移消除，盡可能將所有不穩定的因素和延遲因素都去除，設定領先和剖面起始時間;第2步是增益信號，放大深部信息，均衡淺部信息和深部信息的能量，使弱信號顯示得到增強;第3步是需要對背景和聲進行消除;第4步是濾波化處理一維，采取多元化手段壓制干擾信號;第5步需要增強圖像質量，進一步分析異常現象。
4探測成果處理分析
8條雷達探測剖面，其中100kHz天線4條，300kHz天線4條，同時與現場地質調研相結合，對本工程高速公路隧道K147+974～K147+979～K148+155～K148+207段路基穩定情況和巖溶發育情況進行推斷，結果表明，全路段共有18條較大規模的裂隙，路基溶蝕裂隙發育程度較高，在上行線和下行線的路基當中多存在裂隙現象;寬度通常在0.25～0.75m之間，充填為碎石或粘土等，間或夾小孔洞。工程隧道路段路基的溶洞數量較多，且其大小均小于1.0m，路面不容易出現動蕩情況，較為穩定。在地表水浸入以及行車壓力等情況的影響，沿著裂隙帶，路面可能會有沉降發生，對行車安全會造成一定的影響。
5成果分析
本次探測工區巖溶為白云巖巖性，且發育程度較高，通過LTD-2100型探地雷達儀的選擇為隧道路基的安全性保駕護航，對路基下方巖溶發育情況進行探測。對雷達成果進行分析:對于L1—L1’線，有3處異常存在，其中異常1位于K147+974段左13.5m處，深約為5.2～6.3m，為弧形異常，具有較強的反射能量，因此推測由反射引起裂隙;異常2位于K147+979左12m，頂面埋深約為6.0m，這是典型的弧形異常現象，因此其反射能量較大，并且反射情況較多，所以我們暫時可以將其視為小型空洞;在K147+997段左15m可能存在異常3，深度達到2.4m，因為其表現處斷開跡象，因此我們推測存在巖溶裂隙發育現象。
對于L8—L8'線，在測線范圍內，有1處明顯異常存在，記為異常4，位于K148+063段右8.5m附近，頂面埋深約為3.75m，為弧形異常，具有較強的反射能量，因此推測該位置有溶洞存在。對于L9—L9'，在測線范圍內，有兩處范圍存在較大異常，1處記為異常5，位于K148+124右12.5m附近，深約為1.5～7.5m，雷達波形具有雜亂的同相軸，且具有較強的反射能量，因此推測巖體破碎、裂隙發育;另1處記為異常6，位于K148+132右13.0m附近，深度約為2.7～6.6m，為弧形異常，具有較強的能量，因此推測為巖溶裂隙發育，可能有溶洞存在。對于L10—L10'，在測線范圍內，有一明顯異常存在，記為異常7，位于K148+190段右13.5m附近，其深度達到3.2～7.0m，且存在散亂的雷達同相軸現象，所以我們認為其存在巖體破碎現象。
6結論
本文主要采用公路隧道中最常用的地質雷達法(GPR)進行，通過對其使用原理、優缺點、應用條件的分析，以湖南某隧道工程為例，采用有限差分方法對巖溶地質災害進行數值模擬，得出結論如下。
a.如果某地區存在較大的電解質差異性，最終能夠通過各種手段得到較好的雷達探測效果。溶洞的探地雷達具有較強的反應，空洞、填充溶洞或者基巖的電常數具有較大差異，溶洞界面很可能將導致探地雷達出現弧形，并且造成比較強的反射。
b.雷達同相軸的散亂、不連續等情況也經常出現再裂隙發育、巖體破碎等狀況，同時其反射能量非常強，在評價巖體完整性的過程中需要綜合上述指標進行操作。
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