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摘要：简要介绍了地质雷达在地下介质中的传播原理，分析地质雷达在隧道基底岩溶探测的可行性，分析在隧道半空间结构环境中，地质雷达法探测的干扰源并通过现场试验总结典型干扰源雷达反射波形特征;通过工程实例及现场钻探验证情况，总结地质雷达法探测隧底岩溶的方法及注意事项。
关键词：隧道基底岩溶;地质雷达法;可行性分析;干扰信号剔除
引言
中国南方尤其是云贵川地区，普遍发育喀斯特地貌。在湿热气候条件下，可溶性岩石可广泛而强烈地遭受地下水的溶蚀。在地下水长期溶蚀作用下，岩石原有空隙逐渐扩大，形成各种形状和大小的洞穴[1]。在岩溶隧道段落，隧底岩溶具有隐蔽性、动态变化性和分布广泛性，更是一个隐蔽于勘察设计及施工阶段的棘手问题，它的存在是隧道施工及运营过程中极大的安全隐患。因此如何快速有效地查清岩溶的分布就显得尤为重要。通过对比分析，针对隧底岩溶探测普查工作量较大等实际情况，选择了地质雷达法作为隧底岩溶的快速探测方法，对有探测异常段落辅以钻探法综合探查。
1 地质雷达探测原理及岩溶探测可行性分析
1.1地质雷达方法简介
地质雷达（Ground Penetrating Radar，简称GPR）方法是一种用于确定地下介质分布的光谱（1MHz～1GHz）电磁技术[2]。地质雷达利用发射天线发射高频宽带电磁波脉冲，接收天线接收来自地下介质界面的反射波。电磁波在介质中传播时，其路径、电磁场强度与波形将随所通过介质的电性性质及几何形态而变化，因此，根据接收到的波的旅行时间（双程走时）、幅度与波形资料，可推断介质的结构和形态大小。
1.2地质雷达在介质中的传播公式及主要的影响参数
根据波的合成原理，任何脉冲电磁波都可以由不同的单一频率的电磁波合成，因此，单一电磁波的传播特征是地质雷达的理论基础。
电磁波在介质中的传播速度可近似为[3]： （1）
式中，光速c=3×108m/s;ε′为相对介电常数;μ′为相对磁导率;ε0为真空的介电常数;μ0为真空的磁导率。
由（1）式可知，电磁波在介质中的传播速度主要由ε′决定，与ε′成反比。
由以上论述可知，地质雷达在地下介质中的传播特性主要是由雷达主频率、介质的相对介电常数和导电率3个因素决定的。雷达主频率和介质导电率决定地质雷达的分辨率和探测深度，而介质的相对介电常数则决定了电磁波在介质中的传播速度。
1.3 岩溶探测可行性分析
与其他波一样，电磁波在地下介质传播过程中遇到不同的速度界面（不同媒介）时将产生反射波和透射波，雷达反射回波的强弱是我们分辨目标体界面的基础，而目标体与围岩之间的电性差异是否能导致有足够的反射或散射能量被地质雷达系统所识别是地质雷达探测可行性的关键。电磁波在介质分界面上的反射波能量大小取决于反射系数。
在常见的地层环境中，磁导率μ基本不变，介质的电导率σ≈0。反射系数r可简化为下式[3]：， （2）
式中为介质1的相对介电常数;为介质2的相对介电常数;对于常见的介质有1≤ε‘≤81。
由（2）式可知，反射系数值介于+1和-1之间，其大小取决于反射界面相邻两层的相对介电常数。当相邻两层的相对介电常数相等时，反射系数r为0，电磁波不会反射;相邻两层的相对介电常数差异越大，则反射系数r越大，雷达接收信号越强。从实际探测经验上看，反射系数数值>0.1是比较理想的探测条件。
探测目标—岩溶根据其充填物大致可分为含水、含空气、含沙泥3类，其上层覆盖物可分为岩层和泥土层，与岩溶有关的介质的相对介电常数见表1。
表1 岩溶相关介质电性参数
由表2可以看出，虽然隧道基底岩溶的具体情况是复杂多变的，它可能含水、含空气、含泥沙岩屑，也可能是上面几种情况的混合物。除了极个别的特殊情况外，在地质雷达的探测深度范围内，应用地质雷达探测岩溶是可行的。
2 隧底地质雷达法探测实例分析
2.1 云南东南地区隧道概述
云南省东南地区为典型的岩溶发育区。该地区隧道从现场开挖过程中揭示了较多的溶洞、地下暗河等，喀斯特地貌普遍发育。为查明已铺设仰拱和填充层的隧道基底10米范围内岩溶的发育和分布情况，笔者应用地质雷达方法对岩溶发育区的岩溶进行了探测调查。
2.2 现场探测情况
隧道底部构成基本是由素混凝土填充层和隧底围岩组成，根据此情况，以隧道中心水沟为界，在左右隧底中线各布设一条雷达测线，对整个隧道基底进行无遗漏探测勘察;因探测介质较为固定，故采用100 MHz天线采集数据;第一遍采集完后，现场进行初步判识，针对有初步异常的里程段落，进行二次加密测线、增加采集叠加次数复查，以查清隧底岩溶发育和分布情况;探测进行时还应详细记录现场铁磁性干扰源的里程位置。
干扰信号的剔除：雷达发射的电磁波信号会受到铁磁性物质的天然磁场干扰，资料解释时应予以剔除。如隧道中心水沟钢板及钢台架的影响如下图1。
图1 隧道内钢板及钢台架的类似干扰信号图像
图2为云南省某在建铁路隧道中基于填充面地质雷达法探测的溶洞雷达剖面，根据剖面分析，在左侧隧底中线DK***+170-135段隧底深度约2.6-6.0米范围内存在溶洞或填充型溶洞。 图2 左侧隧底中线DK***+170-135段100MHz天线溶洞探测剖面
图3 左侧隧底中线DK***+155和+158钻探芯样
根据该异常段落，现场在+155里程处进行了钻探验证，钻探的芯样如图3左所示，钻探深度为7.4m，具体如下：0.0-2.0m为柱状砼，2.0-2.8m为弱风化灰岩，2.8-5.6m为充填型糊状黏土，5.6-7.4m为弱风化灰岩。针对此情况，在左侧隧底中线DK***+158处进行补钻，芯样情况如图3右所示。钻探深度为8.0m，具体如下：0.0-2.0m为柱状砼，2.0-2.5m为弱风化灰岩，2.5-6.1m为充填型糊状黏土，6.1-8.0m为弱风化灰岩。钻探验证结果和雷达探测结果吻合。
2.3 几种常见的隧底岩溶在地质雷达剖面图上的波形特征
隧底岩溶发育段落，通常其形态各异。通过大量的探测和验证工作，下面就几种常见的隧底岩溶探测情况进行讨论，阐述它们的实际形态和在雷达测线波形图上的反映。
（1）孤立发育较好的圆形岩溶，内部中空或半空，附近没有伴生岩溶发育，围岩较为完整。在地质雷达侧线剖面图上呈理想的双曲线弧形形态，俗称“拱形”（图2）。
（2）大型落水洞和岩溶通道是岩溶发育的重要部位，岩溶一般随裂隙或层面发育，规模大，深度深。在地质雷达探测剖面图上也表现为深度深、延展广（图4）。
图4 大型溶洞雷达剖面图
（3）岩溶的形成原因是复杂多样的，我们经常发现多种岩溶形态伴生叠加在一起，形成复杂的岩溶形态。如何分辨这些复杂岩溶，是地质雷达探测的难点。3 结论
（1）应用地质雷达探测岩溶区岩溶具有较好的理论基础，工作方法快捷方便，经济可行。
（2）地质雷达方法可针对地下目标体实施大范围的连续扫描，能提供直观连续的剖面图和平面图，能有效弥补常规地质调查和钻探的不足，有利于岩溶区的治理和地基评估。
（3）使用多种频率重复探测可以较好处理不同深度、不同大小的目标体，并且可将不同频率的资料相互对比印证，提高解释的精度和可靠性。
（4）现场速度参数的标定要充分利用钻孔资料等现场已知资料，要将探测结果与钻孔地质资料结合起来综合分析，以降低雷达探测资料的多解性。
（5）现场探测工作时详细记录干扰源（如铁磁性物质、水和电线等）的里程位置，在后期资料处理时对干扰产生的异常予以剔除。
参考文献：
[1]夏邦栋.普通地质学[M].北京：地质出版社，1990。
[2]冯慈璋，马西奎.工程电磁场导论[M].北京：高等教育出版社，2000。
[3]李大心.地质雷达方法与应用[M] . 北京：地质出版社，1994。
关键词：隧道基底岩溶;地质雷达法;可行性分析;干扰信号剔除
引言
中国南方尤其是云贵川地区，普遍发育喀斯特地貌。在湿热气候条件下，可溶性岩石可广泛而强烈地遭受地下水的溶蚀。在地下水长期溶蚀作用下，岩石原有空隙逐渐扩大，形成各种形状和大小的洞穴[1]。在岩溶隧道段落，隧底岩溶具有隐蔽性、动态变化性和分布广泛性，更是一个隐蔽于勘察设计及施工阶段的棘手问题，它的存在是隧道施工及运营过程中极大的安全隐患。因此如何快速有效地查清岩溶的分布就显得尤为重要。通过对比分析，针对隧底岩溶探测普查工作量较大等实际情况，选择了地质雷达法作为隧底岩溶的快速探测方法，对有探测异常段落辅以钻探法综合探查。
1 地质雷达探测原理及岩溶探测可行性分析
1.1地质雷达方法简介
地质雷达（Ground Penetrating Radar，简称GPR）方法是一种用于确定地下介质分布的光谱（1MHz～1GHz）电磁技术[2]。地质雷达利用发射天线发射高频宽带电磁波脉冲，接收天线接收来自地下介质界面的反射波。电磁波在介质中传播时，其路径、电磁场强度与波形将随所通过介质的电性性质及几何形态而变化，因此，根据接收到的波的旅行时间（双程走时）、幅度与波形资料，可推断介质的结构和形态大小。
1.2地质雷达在介质中的传播公式及主要的影响参数
根据波的合成原理，任何脉冲电磁波都可以由不同的单一频率的电磁波合成，因此，单一电磁波的传播特征是地质雷达的理论基础。
电磁波在介质中的传播速度可近似为[3]： （1）
式中，光速c=3×108m/s;ε′为相对介电常数;μ′为相对磁导率;ε0为真空的介电常数;μ0为真空的磁导率。
由（1）式可知，电磁波在介质中的传播速度主要由ε′决定，与ε′成反比。
由以上论述可知，地质雷达在地下介质中的传播特性主要是由雷达主频率、介质的相对介电常数和导电率3个因素决定的。雷达主频率和介质导电率决定地质雷达的分辨率和探测深度，而介质的相对介电常数则决定了电磁波在介质中的传播速度。
1.3 岩溶探测可行性分析
与其他波一样，电磁波在地下介质传播过程中遇到不同的速度界面（不同媒介）时将产生反射波和透射波，雷达反射回波的强弱是我们分辨目标体界面的基础，而目标体与围岩之间的电性差异是否能导致有足够的反射或散射能量被地质雷达系统所识别是地质雷达探测可行性的关键。电磁波在介质分界面上的反射波能量大小取决于反射系数。
在常见的地层环境中，磁导率μ基本不变，介质的电导率σ≈0。反射系数r可简化为下式[3]：， （2）
式中为介质1的相对介电常数;为介质2的相对介电常数;对于常见的介质有1≤ε‘≤81。
由（2）式可知，反射系数值介于+1和-1之间，其大小取决于反射界面相邻两层的相对介电常数。当相邻两层的相对介电常数相等时，反射系数r为0，电磁波不会反射;相邻两层的相对介电常数差异越大，则反射系数r越大，雷达接收信号越强。从实际探测经验上看，反射系数数值>0.1是比较理想的探测条件。
探测目标—岩溶根据其充填物大致可分为含水、含空气、含沙泥3类，其上层覆盖物可分为岩层和泥土层，与岩溶有关的介质的相对介电常数见表1。
表1 岩溶相关介质电性参数
由表2可以看出，虽然隧道基底岩溶的具体情况是复杂多变的，它可能含水、含空气、含泥沙岩屑，也可能是上面几种情况的混合物。除了极个别的特殊情况外，在地质雷达的探测深度范围内，应用地质雷达探测岩溶是可行的。
2 隧底地质雷达法探测实例分析
2.1 云南东南地区隧道概述
云南省东南地区为典型的岩溶发育区。该地区隧道从现场开挖过程中揭示了较多的溶洞、地下暗河等，喀斯特地貌普遍发育。为查明已铺设仰拱和填充层的隧道基底10米范围内岩溶的发育和分布情况，笔者应用地质雷达方法对岩溶发育区的岩溶进行了探测调查。
2.2 现场探测情况
隧道底部构成基本是由素混凝土填充层和隧底围岩组成，根据此情况，以隧道中心水沟为界，在左右隧底中线各布设一条雷达测线，对整个隧道基底进行无遗漏探测勘察;因探测介质较为固定，故采用100 MHz天线采集数据;第一遍采集完后，现场进行初步判识，针对有初步异常的里程段落，进行二次加密测线、增加采集叠加次数复查，以查清隧底岩溶发育和分布情况;探测进行时还应详细记录现场铁磁性干扰源的里程位置。
干扰信号的剔除：雷达发射的电磁波信号会受到铁磁性物质的天然磁场干扰，资料解释时应予以剔除。如隧道中心水沟钢板及钢台架的影响如下图1。
图1 隧道内钢板及钢台架的类似干扰信号图像
图2为云南省某在建铁路隧道中基于填充面地质雷达法探测的溶洞雷达剖面，根据剖面分析，在左侧隧底中线DK***+170-135段隧底深度约2.6-6.0米范围内存在溶洞或填充型溶洞。 图2 左侧隧底中线DK***+170-135段100MHz天线溶洞探测剖面
图3 左侧隧底中线DK***+155和+158钻探芯样
根据该异常段落，现场在+155里程处进行了钻探验证，钻探的芯样如图3左所示，钻探深度为7.4m，具体如下：0.0-2.0m为柱状砼，2.0-2.8m为弱风化灰岩，2.8-5.6m为充填型糊状黏土，5.6-7.4m为弱风化灰岩。针对此情况，在左侧隧底中线DK***+158处进行补钻，芯样情况如图3右所示。钻探深度为8.0m，具体如下：0.0-2.0m为柱状砼，2.0-2.5m为弱风化灰岩，2.5-6.1m为充填型糊状黏土，6.1-8.0m为弱风化灰岩。钻探验证结果和雷达探测结果吻合。
2.3 几种常见的隧底岩溶在地质雷达剖面图上的波形特征
隧底岩溶发育段落，通常其形态各异。通过大量的探测和验证工作，下面就几种常见的隧底岩溶探测情况进行讨论，阐述它们的实际形态和在雷达测线波形图上的反映。
（1）孤立发育较好的圆形岩溶，内部中空或半空，附近没有伴生岩溶发育，围岩较为完整。在地质雷达侧线剖面图上呈理想的双曲线弧形形态，俗称“拱形”（图2）。
（2）大型落水洞和岩溶通道是岩溶发育的重要部位，岩溶一般随裂隙或层面发育，规模大，深度深。在地质雷达探测剖面图上也表现为深度深、延展广（图4）。
图4 大型溶洞雷达剖面图
（3）岩溶的形成原因是复杂多样的，我们经常发现多种岩溶形态伴生叠加在一起，形成复杂的岩溶形态。如何分辨这些复杂岩溶，是地质雷达探测的难点。3 结论
（1）应用地质雷达探测岩溶区岩溶具有较好的理论基础，工作方法快捷方便，经济可行。
（2）地质雷达方法可针对地下目标体实施大范围的连续扫描，能提供直观连续的剖面图和平面图，能有效弥补常规地质调查和钻探的不足，有利于岩溶区的治理和地基评估。
（3）使用多种频率重复探测可以较好处理不同深度、不同大小的目标体，并且可将不同频率的资料相互对比印证，提高解释的精度和可靠性。
（4）现场速度参数的标定要充分利用钻孔资料等现场已知资料，要将探测结果与钻孔地质资料结合起来综合分析，以降低雷达探测资料的多解性。
（5）现场探测工作时详细记录干扰源（如铁磁性物质、水和电线等）的里程位置，在后期资料处理时对干扰产生的异常予以剔除。
参考文献：
[1]夏邦栋.普通地质学[M].北京：地质出版社，1990。
[2]冯慈璋，马西奎.工程电磁场导论[M].北京：高等教育出版社，2000。
[3]李大心.地质雷达方法与应用[M] . 北京：地质出版社，1994。