3.3.3.1　不同岩性的探测差异

不同的岩性具有不同的介电常数与电阻率，而物性的差异影响着雷达波的传播速度和衰减速度。地质雷达图像在不同的介质中有不同的图像特征，要针对不同的地质条件布置相应的观测系统，选择最佳的工作参数。因此，在岩溶发育区时应通过对地质雷达细部剖面信号和二维谱相结合来分析岩溶的特征及属性。其典型地质体与地质雷达波形图像特征关系见表3.3-1。

表3.3-1　典型地质体与地质雷达波形图像特征关系

3.3.3.2　不同岩性的图像特征

不同的岩性有着不同的雷达图像特征。从笔者从事多年的工作经验来看，以灰岩和砂板岩两种不同的岩性地层来分析，由于砂板岩地层中的碳质含量较重，雷达波形杂乱，能量分布不均匀，同相轴连续性较差。除探测距离明显不如灰岩地层，其雷达波形特征与灰岩地层明显不同（图3.3-2）；完整灰岩地层的雷达波形较为规则，能量分布均匀，同相轴连续性较好（图3.3-3）。

3.3.3.3　不同不良地质缺陷的探测差异

（1）断层或含水裂隙探测。断层或含水裂隙的走向与隧洞轴线的空间位置关系主要有两种：①垂直于隧洞轴线（平行与掌子面），如图3.3-4所示；②与隧洞轴线呈小角度相交，如图3.3-5所示。

当出现第①种情况是，在掌子面增加测线，采用“井”字形观测系统就能够满足精度要求，如图3.3-6所示。

当出现第②种情况时，在与断层或含水裂隙较近的隧洞边墙采用“井”字形布置测线，在掌子面采用“土”字形或“井”字形布置测线（图3.3-7），通过对边墙的准确探测，可以推算结构面与隧洞相交的位置。

图3.3-2　砂板岩的雷达图像图

图3.3-3　完整灰岩的雷达图像图

图3.3-4　断层或含水裂隙走向垂直于隧洞轴线

图3.3-5　断层或裂隙与掌子面呈小角度相交

图3.3-6　“井”字形观测系统

图3.3-7　边墙上的“井”字形观测系统

采用上述两种观测系统还无法对含水规模进行确定的情况下，就需要在掌子面上打超前钻孔进行孔内雷达测试，其孔数及孔深需现场确定。为了防止孔内出现较大的水流压力导致雷达天线不能放入孔内，原则上钻孔不能直接打在富水带上。超前钻孔不宜同时存在于一条直线上，目的是为查明构造的产状，同时也保证了分辨率。

（2）岩溶及岩溶管道探测。对岩溶的探测，应根据现场的地质情况，初步推断岩溶的规模及位置，再在掌子面上布置不少于4条测线进行测试，每条测线需尽量穿越溶洞两侧；对岩溶管道的探测，可以参照断层的探测模式。

（3）破碎带或裂隙密集带探测。对破碎带及裂隙密集带的探测，主要是为了探测在掌子面前方的位置与规模，一般采用∏字形观测就能够满足预报要求。

3.3.3.4　不同不良地质缺陷的图像特征

（1）完整岩体的雷达图像。当岩体完整时，基本不存在电磁波反射界面、地质雷达反射波反射能量很弱或基本不发生反射，在雷达记录剖面上波形均一、振幅、波长基本一致，同相轴连续。如图3.3-8所示。

图3.3-8　完整岩体的雷达图像

（2）断层的雷达图像。在断层附近，岩体裂隙增多、岩体破碎、地下水发育，所以在完整岩体与断层面接触面上，电磁波反射波能量强、反射振幅增大，如图3.3-9所示。当断层走向垂直于洞轴线时，反射波同相轴一般连续，与完整岩石的差别在于振幅、波长的不同；当断层走向平行洞轴线时，在断层带上的雷达记录道次将形成频率低、反射能量强的雷达记录，而在其他道次的雷达记录与完整岩石的雷达记录一样。

图3.3-9　断层及破碎带的雷达图像

（3）破碎带的雷达图像。破碎带常常是由于断层或裂隙的发育而引起的，因此，在雷达记录剖面上除了具有断层的波形特征外，常常还会形成频率低、反射能量强、波形杂乱的波形特征。因此，根据雷达记录剖面上的波形特征及地质分析，就可判断完整岩石的界面及破碎带的厚度。

（4）裂隙密集及含水裂隙的雷达图像。裂隙密集地区主要存在于地质构造附近。由于裂隙内经常被其他物质所充填，与周边围岩就形成了物性差异。当裂隙垂直于洞轴线时，其雷达记录与断层有相似的特征；当裂隙平行于洞轴线或不规则发育时，反射波能量发生变化、频率降低，反射波同相轴连续性变差，雷达图像又具有破碎带的特征。而含水裂隙由于在裂隙界面上存在较大的波阻抗差异，常常形成反射能量很强，频率很高的雷达记录，如图3.3-10所示。(www.daowen.com)

（5）岩溶及岩溶管道雷达图像。岩溶的发育必须具备两个条件，一是可溶性岩石；二是有地表水的渗漏和地下水的流通通道。对岩溶及岩溶管道的探测归根到底是对断层及裂隙密集带的探测，岩溶及岩溶管道除了具备断层及裂隙密集带的雷达图像特征外，电磁波在岩溶壁上还会产生强烈的反射，形成振幅较强的弧形反射波；当部分充填岩石碎块时，与破碎区相似，表现为振幅增强、波形杂乱；当部分充填黏土时，由于黏土对电磁波的强吸收，表现为局部反射波振幅减弱或消失，如图3.3-11所示。

图3.3-10　裂隙密集带的雷达图像

图3.3-11　溶洞的雷达图像

3.3.3.5　同向轴与地质体的空间关系

（1）陡立正交结构面。当结构面陡立且与隧洞轴线正交进行掌子面雷达测试时，如图3.3-12所示，测线水平布置，其雷达记录剖面同相轴的连接线为一水平直线（即不同测点的反射点深度相同），同相轴的连线即为结构面的走向，反射点的深度即为掌子面到结构面的距离；进行钻孔雷达测试时（图3.3-13），其雷达同相轴的连接线为V字形结构。V字形的点顶即为钻孔与结构面的交点，V字形的两翼与水平方向的夹角为45°。结构面距隧洞的距离l满足下列公式：

式中　l1为掌子面距发射点的距离；r为发射点距结构面的距离；当发射点在结构面后方时，r为“+”，当发射点在结构面前方时，r为“-”。

图3.3-12　陡立正交结构面的掌子面雷达探测

图3.3-13　陡立正交结构面的钻孔雷达探测

（2）倾斜正交结构面。当结构面倾斜且与隧洞正交进行掌子面雷达测试时，测线在掌子面上水平布置，同一测线上不同测点对应的反射点深度相同，其同相轴的连接线仍为结构面的走向；当测线在掌子面上垂直布置时（图3.3-14），雷达同相轴的连接线为一倾斜直线，其夹角β与结构面的倾角α存在以下关系：

式中　r2为测点2距结构面的距离；r1为测点1距结构面的距离，其中r2＞r1；R为测点1、2的垂直距离。

图3.3-14　倾斜正交结构面的掌子面雷达记录

图3.3-15　倾斜正交结构面的钻孔雷达记录

进行钻孔雷达测试时（图3.3-15），雷达同相轴的连接线仍为V字形结构。V字形的点顶同样为钻孔与结构面的交点，V字形的两翼与水平方向的夹角不再是45°，其夹角β与结构面的倾角α满足：

式中　r为发射点距结构面的距离（雷达反射点深度）；l′为结构面与钻孔的交点距发射点的距离。

（3）陡立缓交结构面。当结构面陡立且与隧洞缓交，在进行掌子面雷达测试时（图3.3-16），当测线在边墙上水平布置时，雷达同相轴的连接线为一倾斜直线，其倾角β与结构面与隧洞的夹角α存在以下关系：

式中　r1为测点1距结构面的距离；r2为测点2距结构面的距离；R为测点1、2的水平距离。

图3.3-16　陡立缓交结构面的掌子面雷达测试及雷达记录

当测线在掌子面上水平布置时，雷达同相轴的连接线与倾斜正交结构面的雷达图像相似，都满足：α=arccos（cotγ）=，但其参数的意义不一样。在倾斜正交结构面中，α为结构面的倾角，R为两测点的垂直距离；而在陡立缓交结构面中，α为结构面与隧洞轴线的夹角，R为两测点的水平距离。当测线在掌子面上垂直布置时，其雷达同相轴为一水平直线。

在进行钻孔雷达测试时，其雷达图像与倾斜正交结构面雷达图像相似，同样满足上述关系，只是其参数的意义不一样。

（4）倾斜缓交结构面。倾斜缓交结构面，需要在掌子面上和边墙上不同位置布置多条测线，其对施工影响较大，为了适应快速掘进的要求，在实际工作中，都未对该种结构面进行详细的探测，在此不进行详细论述。

（5）孤立体。孤立体的探测主要包括岩溶管道及岩溶空腔（溶洞）探测。根据多年的工作经验，岩溶管道或岩溶空腔的发育常常是由于较大结构面引起的。因此，对上述孤立体的探测归根结底就是对不同结构面的探测。同时，不同的孤立体有特定的雷达图像特征，如岩溶管道的雷达同相轴的连接线是一条直线，而岩溶空腔的雷达图像常常是具有一定幅度的双曲线。