鄧亮

(湖南省高速集團(tuán)城龍高速公路建設(shè)開發(fā)有限公司，湖南 長沙 410000)

0 引言

巖溶又稱喀斯特，是碳酸鹽類等可溶性巖石在水的溶蝕作用下形成空洞、裂隙等不良地質(zhì)體現(xiàn)象的總稱[1]。巖溶地貌在我國分布廣泛，約占國土總面積的1/3[2]。巖溶發(fā)育形成的不良地質(zhì)體會導(dǎo)致地表穩(wěn)定性下降，進(jìn)而影響高速公路的修建，因此在高速公路修建之初查明路基下方不良地質(zhì)體情況，對道路后續(xù)施工具有重要意義。

目前用于探測道路路基隱伏巖溶的方法有很多。鉆探法[3-6]最為直接，獲得的結(jié)果直觀準(zhǔn)確，但應(yīng)用于大面積工程時的效率低、成本高，會對研究區(qū)域造成破壞。相比之下，地球物理方法更高效便捷，能夠在不破壞巖土體的情況下完成對地下不良地質(zhì)體的探測。綜合考慮工程需求的探測深度及各種地球物理方法的優(yōu)缺點，優(yōu)選探地雷達(dá)法[7-13]，該方面的探測精度和效率都非常高，通過對其結(jié)果進(jìn)行分析能夠準(zhǔn)確地查明路基范圍內(nèi)巖溶等不良地質(zhì)體的走向、規(guī)模、形狀等相關(guān)地質(zhì)情況。本文就探地雷達(dá)在湖南某高速公路下方不良地質(zhì)體探測中的應(yīng)用進(jìn)行介紹。

1 工程地質(zhì)概況

1.1 工程概況

某高速公路北接衡炎高速，向南延伸，終于湘粵兩省交界處大麻溪，線路總體呈由北向南的走向。公路沿線地形地貌復(fù)雜，巖溶等不良地質(zhì)體發(fā)育。進(jìn)行探測前，路基已完成至精加工層頂面，兩側(cè)排水邊溝已施工完成，在K104+419、K104+470左側(cè)邊溝處分別出現(xiàn)巖溶塌洞，邊溝底部脫空，塌洞直徑2～3m，可見深度1m左右。路基開挖過程中揭露多處溶蝕裂隙，局部位置灰?guī)r層夾砂頁巖層。

1.2 地層巖性

根據(jù)前期勘察資料，結(jié)合地表地質(zhì)調(diào)查結(jié)果可知探測區(qū)域地層從上至下依次為：

（1）第四系的素填土，土壤主要為褐黃色，部分地區(qū)為雜色，主要成分為粉質(zhì)粘土夾少量碎石，因路基超挖換填形成，厚度約1m。

（2）第四系的粉質(zhì)黏土，土壤呈褐黃色，主要為硬塑狀，稍濕，含少量灰?guī)r碎屑，該層主要分布于基巖表層，分布厚度不一，溶蝕溝槽內(nèi)厚度變化較大，厚度約1～3m。

（3）泥盆系上統(tǒng)錫礦山組的灰?guī)r，呈現(xiàn)灰色，為隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，厚層狀構(gòu)造，方解石脈、節(jié)理裂隙、溶蝕裂隙、溶洞發(fā)育，局部夾砂頁巖層，砂頁巖淺部巖石強風(fēng)化。

2 探地雷達(dá)的工作原理

探地雷達(dá)通過發(fā)射天線(T)向地下發(fā)射高頻電磁波短脈沖，當(dāng)電磁波遇到地下地質(zhì)介質(zhì)體或介質(zhì)分界面時，部分能量反射回地表被布設(shè)在地表的接收天線(R)接收。電磁波在介質(zhì)中傳播時，其路徑、電磁波場強度及波形將隨所通過介質(zhì)的電磁特性與幾何形態(tài)而發(fā)生變化，接收記錄到的電磁波特征，即波的旅行時間(雙程走時)、幅度、頻率、波形等圖，形成反映這些特性的雷達(dá)波剖面圖，通過對雷達(dá)波場資料分析處理，可推測地下目標(biāo)介質(zhì)的空間位置、電性、結(jié)構(gòu)與幾何形態(tài)，達(dá)到對隱伏地下目標(biāo)物探測目的[14]。其工作原理圖見圖1所示。

圖1 探地雷達(dá)探測原理圖

3 探地雷達(dá)工程應(yīng)用與成果分析

3.1 數(shù)據(jù)采集及處理

探測采用地球物理勘探中的探地雷達(dá)輔以工程地質(zhì)調(diào)查的綜合方法，使用的雷達(dá)是美國GSSI公司SIN-3000型探地雷達(dá)，搭配中心頻率為100MHz的接收天線。測線主要沿高速公路方向布置，測線的橫向距離控制為3m，共布置測線9條，每條測線長度均為150m，采用點測采樣的方式，記錄長度為300ns，測點距離為0.1m，介電常數(shù)為7，掃描速度為40。測線具體布置情況詳見表1所示。

表1 測線數(shù)據(jù)表

采集的實測數(shù)據(jù)導(dǎo)入電腦中，在專業(yè)軟件“RADAN 5.0”中進(jìn)行處理分析。雷達(dá)數(shù)據(jù)受外界干擾較大，地下介質(zhì)成分復(fù)雜對信號有較強的吸收作用，這使得最后的數(shù)據(jù)信噪比較低，因此需要對其進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚硪蕴岣咝旁氡韧癸@異常值。處理的過程中主要通過飄移去除、信號增益、數(shù)字濾波器、褶積、希爾伯特變換等方法對實測結(jié)果進(jìn)行預(yù)處理，同時要結(jié)合現(xiàn)場實際的工程地質(zhì)狀況，選擇合適的相對介電常數(shù)[15]。

3.2 探測成果解譯分析

高速公路下方巖溶發(fā)育，雷達(dá)測線沿公路路線方向布置。結(jié)合前期勘察資料和地質(zhì)調(diào)查成果將各測線雷達(dá)成果解譯如下：

（1）R1—R1′測線起點位于K104+370左12m，終點位于K104+520左12m。測線范圍內(nèi)存在兩處較為明顯的異常：異常①位于測線45～51m處，深度約1～2m，雷達(dá)信號振幅較大，反射能量強，同相軸紊亂，結(jié)合現(xiàn)場情況，推測此處為溶洞，且洞內(nèi)充填物含水量較大，編號RD1；異常②位于測線98～105m處，深度約1～2m，雷達(dá)信號振幅較大，反射能量強，同相軸紊亂，結(jié)合現(xiàn)場情況，推測此處為溶洞，且洞內(nèi)充填物含水量較大，編號RD2。

（2）R2—R2′測線起點位于K104+370左9m，終點位于K104+520左9m。測線范圍內(nèi)存在三處較為明顯的異常：異常①位于測線45～47m處，深度約1～2m，雷達(dá)信號振幅較大，同相軸紊亂，推測此處為溶蝕裂隙發(fā)育，編號RS1；異常②位于測線90～93m處，深度約1～2m，呈現(xiàn)出較強的弧形反射，同相軸紊亂，推測此處存在溶蝕裂隙發(fā)育，編號RS2；異常③位于測線136～145m處，深度約6～10m，同樣呈現(xiàn)出弧形強反射，推測此處為溶蝕裂隙發(fā)育，編號RS3。

（3）R7—R7′測線起點位于K104+370右6m，終點位于K104+520右6m。整條測線雷達(dá)反射信號稍弱，同軸連續(xù)性一般，結(jié)合現(xiàn)場情況，測線范圍內(nèi)巖體總體較完整，存在一處較為明顯的異常：異常位于測線9～12m處，深度約0.5～1.5m，推測為溶蝕裂隙發(fā)育，編號RS4。

（4）R9—R9′測線起點位于K104+370左12m，終點位于K104+520左12m。整條測線雷達(dá)反射信號稍弱，測線范圍內(nèi)存在三處較為明顯的異常：異常①位于測線55～60m處，發(fā)育深度約5～8m，同相軸連續(xù)性散亂，推測此處存在溶蝕裂隙發(fā)育，編號RS5；異常②位于測線90～100m處，發(fā)育深度約5～8m，同相軸連續(xù)性散亂，推測此處存在溶蝕裂隙發(fā)育，編號RS6；異常③位于測線130～140m處，發(fā)育深度約5～8m，同相軸連續(xù)性散亂，推測此處存在溶蝕裂隙發(fā)育，編號RS7。

根據(jù)對所有物探測線結(jié)果歸納、分析，結(jié)合地表地質(zhì)調(diào)查以及前期勘察資料成果，推測該路段下方共有兩個溶洞與7處溶蝕裂隙發(fā)育區(qū)。溶洞與溶蝕裂隙發(fā)育特征如表2所示。

表2 推測巖溶發(fā)育特征

4 結(jié)束語

本次研究可知，該高速公路路基屬覆蓋型巖溶區(qū)，巖溶發(fā)育中等，巖溶形態(tài)主要為溶蝕裂隙，其次為溶洞。在測線范圍內(nèi)，推測共有兩個溶洞與7處溶蝕裂隙發(fā)育區(qū)。其中RD1、RD2號溶洞埋藏淺，頂板灰?guī)r薄，地表已產(chǎn)生塌洞；RS1、RS2、RS4號溶蝕裂隙發(fā)育區(qū)埋藏淺，RS5、RS6、RS7號溶蝕裂隙發(fā)育區(qū)埋藏較深，但局部溶蝕裂隙與地表相連通，在地表水的沖蝕、地下水的潛蝕作用下路基存在產(chǎn)生巖溶塌陷的安全隱患，宜進(jìn)行處治。RS3號溶蝕裂隙發(fā)育區(qū)埋藏相對較深，與地表連通性相對較差，路基產(chǎn)生巖溶塌陷的可能性較小，可不進(jìn)行處治。