地下空間三維探測車
一 裝備功能
1、大功率低頻雷達，全自動仰角波列相位旋轉掃描
2、配置天線（75Mhz）
3、測控范圍：窗口2800ns，大于100次疊加。半球狀空間全覆蓋，水文地質有效解譯范圍：里程長度120m，周邊圍巖寬左右各50~70m，高上下各50~70m
4、供電系統：220V
5、數據采集約需2小時，現場干擾環境允容度高（大面積金屬遮蔽物除外）
6、特點全域空間覆蓋、大探深、非接觸、抗干擾、弱信號提取、物性智能識別、量化計算。
二 地下空間水文地質情況探測
三 工程應用
誘發巖爆的條件主要是地層應力過大，隧道開挖形成臨空面造成地應力失衡，尤以硬巖地層易發生巖爆。為此掌握較高地應力地層里程段規模，適時采取預防措施，就是地質超前預報的任務內容。
地質背景：草果山隧道屬于大埋深，掌子面巖性為灰色～灰白色黑云母石英二長巖，微風化，硬質巖石；巖體節理裂隙不發育，有兩組X型剪切節理，結構面結合好；掌子面揭露圍巖顯示地層內應力偏高，時常出現小型巖爆現象。
解譯結果：（ZK35+775～ZK35+875段）隧道周邊圍巖完整性較好，破碎松散區規模不大，呈零散分布，隧道洞身周邊圍巖10m范圍內呈貧水狀，不利于地層內應力釋放條件；推斷測區范圍內巖爆隱患呈較高發生率。（如圖1）
圖1 巖體完整貧水易于內應力聚集
建議采取相應措施（如大當量控制爆破，擴大松動圈，卸載內應力）減小安全風險；針對其無規律性和隨機性的問題，主要對策為改善圍巖物理力學性能、圍巖應力條件、加固圍巖、加強設備和人員防護等。
針對高應力軟巖大變形地層的超前預報，可通過開挖揭露出的軟巖物性特征，預報掌子面前方地層巖性變化界面，預判易產生軟巖大變形圍巖的延伸規模及變化趨勢，進而有針對性地采取相應措施，如減少圍巖擾動，主動控制圍巖變形，支護寧強勿弱及寧補勿拆，施工快挖、快支、快封閉、少分步，大斷面機械化作業等，科學安排工藝工法，指導安全、高效、合理施工。
誘發地下工程安全危害的有害氣體隱患的生成條件：產生有害氣體源的地層（如煤系地層），達到構成安全危害濃度的賦存條件（如封閉型構造）。通過物探方法對地層內部存在的封閉型構造進行探查，即可有效地圈定出地下氣體存儲狀態及規模，預防可能危害地下工程安全的有害氣體存在（如瓦斯毒氣）。
地質背景：扎西勝利隧道進口左幅掌子面前方以泥灰巖為主，夾有薄煤層，弱風化，屬較堅硬巖，呈中薄層狀結構，巖體較破碎，節理裂隙較發育，拱頂偶有小塊掉落，層間結合一般，自穩能力一般。掌子面潮濕，巖層產狀：172°∠63°，節理發育程度：掌子面見兩組節理，J1：274°∠35°5條/m，J2：172°∠48°3條/m。
解譯結果：（1）隧道ZK36+855里程為巖性變化界面，ZK36+795～ZK36+855段圍巖為泥灰巖，有溶腔、溶洞，巖溶積水；ZK36+855～ZK36+895段節理裂隙發育，巖體較破碎,裂隙水呈零星分布。（圖2）
圖2 扎西勝利隧道進口左幅周邊圍巖水文地質探測結果
（2）隧道ZK36+795～K36+855段左側巖溶裂隙水存在兩處較明顯的積水溶腔，其中ZK36+810里程洞身左側底腳積水溶腔侵入設計洞身；ZK36+815～K36+835段右側斜下方3m外有一規模約4500m³的溶洞、溶蝕發育區；ZK36+815里程左右拱頂上方2m外存在一溶蝕發育區，影響圍巖完整性。（圖3）
圖3 扎西勝利隧道進口左幅ZK36+795～K36+855段周邊圍巖富含水及溶蝕發育區分布探測結果
（3）掌子面前方ZK36+795～ZK36+855（60m）圍巖里程段巖性沒有變化，周邊圍巖有多處封閉型空腔洞室和富積存水囊，易于有害氣體積存，建議采取措施，靶向排查預排，降低有害氣體的濃度；ZK36+855～ZK36+895（40m）圍巖里程段巖體呈較破碎不完整，表現為開放型破碎帶，易誘發掉塊坍塌事故發生的潛在隱患（如圖4）。
圖4 封閉型地層構造與開放型破碎帶
查明隧道開挖前方溶洞、地下水分布的水文地質情況，預報突泥涌水等地質災害易發段，以確保施工安全。
地質背景：翠屏隧道隧址區屬于構造剝蝕—溶蝕低山地貌區，易于剝蝕和溶蝕；出口右幅掌子面出露地層為奧陶系中統上巧家組（O2s），巖性為白云質灰巖，屬較堅硬巖，巖層層間結合一般，巖體較完整，為塊狀砌體和塊狀鑲嵌結構，隧道出水形式以潮濕或點滴狀為主。
解譯結果：（1）測控區空間范圍近洞身周邊存在影響洞身穩定的3處巖溶裂隙發育和3處巖溶裂隙水徑流通道，其中①號（圖5（a））巖溶裂隙水徑流通道異常區位于掌子面K52+161～K52+146里程段前后洞身左側及底部，推斷為自上向下的裂隙水徑流通道；②號（圖5（b））巖溶裂隙水徑流通道異常位于K52+136～K52+126里程段前后洞身左側及上方，推斷為自上向下的裂隙水徑流通道；③號（圖5（c））巖溶裂隙水徑流通道異常位于K52+086～K52+076里程段前后洞身左側及底部，推斷為自上向下的裂隙水徑流通道；3處巖溶裂隙發育：K52+147里程附件距洞身約2～3m左側斜上方，K52+133里程附件洞身右側，K52+083里程附件洞身洞身右側。
（a）掌子面K52+161～K52+146里程段前后洞身左側及底部巖溶裂隙水徑流通道異常區
（b）K52+136～K52+126里程段前后洞身左側及上方巖溶裂隙水徑流通道異常區
（c）K52+086～K52+076里程段前后洞身左側及底部巖溶裂隙水徑流通道異常區
圖5 翠屏隧道右幅出口周邊圍巖巖溶裂隙發育及巖溶裂隙水徑流通道分布探測結果
（2）洞身K52+176～K52+161段周邊巖體較破碎，含水；洞身K52+161～K52+126段周邊圍巖巖溶裂隙發育，其中K52+161～K52+146段、K52+136～K52+126段圍巖富含水并存在巖溶裂隙水通道；洞身K52+126～K52+076段周邊圍巖巖溶裂隙較發育，其中K52+086～K52+076段圍巖富含水并存在巖溶裂隙水通道。（圖6）
圖6翠屏隧道右幅出口洞身中軸線縱剖面水文地質分布圖
開挖驗證：超前預報出口右幅巖溶裂隙水徑流通道異常區位于掌子面K52+161～K52+146里程段前后洞身左側及底部，推斷為自上向下的裂隙水徑流通道，與預報結果吻合。（圖7）
圖7 掌子面K52+161巖溶裂隙水徑流通道異常
在以構造剝蝕—溶蝕為主的低山地貌區域，極易出現剝蝕和溶蝕現象。巖溶發育無規律、勘察困難、易產生突水突泥災害，主要對策為加強超前預報工作，探明溶蝕發育規模、形態，排水泄壓。
地下空間施工作業偶遇突發事故，搶險救災的第一要務就是查明事故影響規模、范圍及被埋前方的狀態，為科學施救提供依據。
2021年8月23日上午7時許，元綠高速公路在建哈達東1號隧道因持續降雨，山體滑移，導致隧道洞口冒頂坍方。洞內五名作業人員被困。
接省交通廳安監司指示，云南航天工程物探檢測股份有限公司派出《地下空間三維探測車》物探裝備（主要設備參數見表1）趕赴現場，對塌方封堵洞身前方坍塌體規模及工程結構受損狀況，進行了三維成像探測，為現場指揮部制定營救方案，及時提供決策依據。
表1 配置的主要儀器、設備信息
序號 | 設備名稱 | 設備型號 | 設備編號 |
1 | 地質雷達主機 | AGI-GPR | GL0210000308 |
2 | 地質雷達天線 | AGI-75MHZ | S1001618 |
使用地下空間三維探測車，基于傘角回旋自動掃描疊加點測模式，雷達波束以環向掃描間距5°，空間掃描傘角分別為10°、20°、30°、40°、50°、60°、70°、80°、90°，根據現場了解的事故現狀，對探測點YK38+345里程沿隧道施工掘進前方呈半球狀對右幅測區空間全覆蓋，探測點ZK38+345.5里程向左斜交隧道施工掘進方向約30°呈半球狀對左幅測區空間交叉覆蓋。
根據坍塌現場的坍塌主要物質分布情況，有針對性的對圍巖含水率、圍巖孔隙度、松散坍落物、砼/堅硬巖塊、金屬構件5種影響打通救援通道的目標介質進行頻譜響應特征標定（目標介質標定參數見表2）。
表2 75MHz雷達天線頻率響應參數標定值
目標介質 | 頻率響應 | 頻帶寬度 |
空氣 | 80 | 10 |
水 | 6.5 | 5 |
松散坍落物 | 31.6 | 5 |
砼/堅硬巖塊 | 39.8 | 5 |
金屬構件 | 47.4 | 5 |
通過介質分析處理軟件，對空間質點的目標介質譜能占比強度值進行計算（圖17），分別獲取各空間質點的目標介質譜能強度值。
圖17 目標介質分析軟件
（1）通過空間質點坐標建模軟件，根據空間質點不同介質的譜能強度差異，重構在測區空間中，獲得不同物性分布的三維成像結果，以便解譯各類物質在測區空間內的分布及量化關系。
圖8 三維成像探測綜合結果
從圖8結果反映出：哈達東1號隧道K38+345～K38+225段圍巖以全風化粉砂泥巖為主。巖體為強風化，中厚層狀構造，局部互層狀。巖體富水性一般，開挖時可能存在較小量的滴水、滲水等現象，雨季滲水量會有所變化。
探測結果顯示，測控區K38+335～K38+225里程段內，洞身周邊圍巖巖體風化程度嚴重，巖體破碎松散，含水一般。
（2）受地質災害影響，坍塌屆時造成出口右幅坍落堆積填充段為K38+337～K38+290（約47m）；出口左幅坍落堆積填充段為K38+337～K38+305（約32米）。
從洞內坍落堆積填充物分類看，松散坍塌物約1272m³，約占洞身空間比28%；砼/ 堅硬巖塊約320m³，約占洞身空間比7%；金屬構件約96.5m³，約占洞身空間比2%（圖9）。
圖9 洞室坍塌段坍落物分布狀況
（3）從坍落堆積填充物在左右洞身內的分布形態及洞身上方坍塌冒頂的狀況推測：坍塌方向來自洞身上方偏右的位置（圖10）。
圖10 推斷坍塌滑動方向
（4）從坍落物分布情況及冒頂位置分析，隧道洞身結構受損狀況主要是左洞外側邊墻，連拱中隔墻受力坍塌，右洞外側邊墻受影響較輕（圖11）。
圖11 推斷洞身結構受損狀況
（5）將坍落堆積物填充洞身段橫向分為A、B、C、D、E、F六個單元，對每個單元中的各目標物體積進行比較（圖12），選取主要影響打通通道的“砼/堅硬巖”、“金屬”體積（占比）較小的A、B單元，可作為優選救援通道位置。
圖12 洞室分單元空間坍塌物單元分析
表3 洞室分單元空間坍塌物體積（占比）對比表
洞室單元 | 松散體m3 | 砼/堅硬巖塊m3 | 金屬m3 | 影響里程K38+m |
A | 142 | 64 | 9 | +337 ~ +290 |
B | 223 | 62 | 16 | +337 ~ +292 |
C | 255 | 60 | 26 | +337 ~ +293 |
D | 244 | 40 | 19 | +337 ~ +294 |
E | 233 | 39 | 17 | +337 ~ +290 |
F | 209 | 68 | 15 | +337 ~ +305 |
（6）在A、B單元上中下再進行細化分析，各子單元中，A①、A②、B①子單元各類坍落物占比相對更小，且洞身結構受損較輕，其支撐自穩性更佳，即在水平方向上，右幅洞身右側邊墻底腳A①位置最適合開展打通救援通道工作（圖13）。
圖13 探測結果分析
表4 A、B子單元坍塌物體積（占比）對比表
坍落物m3 | A | B | |||||
① | ② | ③ | ① | ② | ③ | ④ | |
松散體 | 45 | 43 | 61 | 51 | 82 | 45 | 52 |
砼/堅硬巖塊 | 18 | 21 | 28 | 11 | 16 | 16 | 16.5 |
金屬 | 2 | 3 | 3.5 | 1.5 | 2.5 | 6 | 6 |
（1本次坍塌造成出口右幅坍落堆積填充段為K38+337～K38+290（約47m）；出口左幅坍落堆積填充段為K38+337～K38+305（約32米）。
（2在水平方向上，右幅洞身右側邊墻底腳位置適合開展打通救援通道工作（圖14）。
（a）立體相對位置 （b）斷面相對位置
為確保被困人員及施救人員的安全，綜合對比多方探測及論證，因隧道埋深淺，經被困工人了解到洞室內安全空間相對較大，現場指揮部在3套救援方案中，決定選用旋挖豎井模式，跨過坍塌體，打穿35米埋深地層，建立起救援通道的方案。經過四天三夜奮戰，成功將全部5名工人安全升井救出，所有被困人員生命體征良好。
通過參與本次救援和后期復盤總結，地質雷達三維成像技術，對地下洞室坍塌事故分辨坍塌狀況及規模，解析坍落體分布，為救援方案提供決策依據，具有快速、結果形象具體等特點。
隨著后期復工作業的開展，需及時核對救援現場給出判斷結論的準確性和差誤，完善探測方法的科學性，為今后類似情況的發生，多提供一種救援方案決策依據。