地質雷達在西山隧道超前地質預報中的應用

曹延海 張甫珂

0 引言

地質雷達(Ground Penetrating Radar，簡稱GPR)是一種廣泛用于地質探測的高頻電磁脈沖波技術，再利用電磁脈沖波的反射來探測地下目的體分布形態及特征。近年來被廣泛地應用于高速公路隧道、鐵路隧道、路基病害等領域，隨著我國公路隧道工程數量和建設速度的加快，為了更好地保障隧道施工過程安全和加強隧道工程質量管理，通過地質雷達超前地質預報來及時發現異常變化，預報出掌子面前方不良地質體的位置產狀，為隧道選擇正確的開挖斷面、支護設計參數和優化施工方案提供了依據。另外由于地質雷達與其他型預報相比具有設備簡單、測量速度快、高分辨率、基本不干擾現場施工，特別是在20 m～30 m范圍內的高精度預報等特點，而被廣泛應用于隧道短距離超前地質預報中。

1 地質雷達的基本探測原理和方法

1.1 地質雷達探測原理

地質雷達的探測原理是根據巖層、土質及其他物質電導率和介電常數的不同，以及相鄰兩種物質的電性、物性差異作為測試條件，形成反射界面而探測地下目的體分布形態及特征(見圖1)。

圖1 地質雷達工作原理示意圖

地質雷達工作時在主機控制下，雷達脈沖源產生周期性的毫微秒信號，經過電纜直接反饋給發射天線，經由發射天線耦合到前方圍巖的信號在傳播路徑上遇到介質的非均勻體(如斷層、空洞、破碎帶等)時，產生反射信號。發射信號接收后傳輸到接收機，信號在接收機經過整形和放大等處理后，再經由電纜傳輸到雷達主機，經處理后傳輸到微機。在微機中對采集的信號依照幅度進行編碼，并以偽彩色圖或灰色圖的方式顯示出來，再通過分析電磁波的時頻特征、振幅特征、相位特征、頻譜等，便可以推斷出掌子面前方異常地質或目的體分布情況。

1.2 地質雷達探測方法

1.2.1 測試頻率和測線布置

考慮到本隧道不具備巖溶發育條件，超前地質預報主要在于精確定位掌子面前方的斷層、破碎帶、含水區等，即以準確預報不良地質的分布為首要目的。本隧道每次的探測深度為30 m，連續預報，且前后兩次重疊長度為5 m，當日測試便當日提交超前地質預報報告，并及時報送決策部門和施工單位。

地質雷達的測線布置方法相對比較靈活，可以根據現場情況布置一些測線、測點或網格。一般以掌子面前方為檢測目標，以拱頂為中心，“十”字形布置兩條測線，有時開挖工作面會凸凹不平整，可采用點測法，一般點距0.5 m～1 m。在地質復雜地段可以采用“井”字形布置測線，當發現明顯異常反射時，可以加密雷達測線以提高測試結果。隧道采用了一條測線加點測的方式，如圖2所示。

圖2 雷達測線及測點布設示意圖

1.2.2 數據采集及處理

對于不同深度、不同巖性的探測目的層與目的物，在應用地質雷達檢測時，需選擇相應頻率的天線和適當的儀器參數。當探測深度為20 m～30 m時，一般選用頻率相對較低的天線。本隧道使用美國勞雷公司SIR-3000型地質雷達，天線頻率100 MHz，采樣點數1024，時間根據探測深度而定。

實測的數據處理主要采用“RADAN5.0”軟件進行分析。通過該軟件可以對雷達波原始數據進行數字濾波器(如FIR Filter，IIR Filter)、偏移(Migration)、希爾伯特變換(Hilbert Xform)等預處理，然后再結合掌子面地質情況、地質勘探資料、區域地質情況和地質工程經驗對數據處理結果做出合理準確的解釋。

2 地質雷達在西山隧道中的實際應用

2.1 工程地質概況

西山隧道是太原至古交高速公路第三合同段一座分離式隧道。隧道位于山西省太原市西部的呂梁山脈東翼的石千峰山北麓，是目前國內第二大公路隧道，屬特長隧道。隧道右線全長13570 m，最大埋深 445.85 m，位于 YK6+960處;左線全長13654 m，最大埋深451.61 m，位于ZK7+020處。左右線均屬特長隧道，最大間距55 m，最小間距48 m。

隧址區位于五臺山塊隆次級構造單元古交掀斜地塊的中部，共有發育斷層17條。局部地段顯示一些規模不大的斷裂和微弱的褶皺，構造線方向大多呈北東向，少數呈東西向或近南北向。

所以通過超前預報預測隧道掌子面前方巖層的裂隙、斷層、含水區等不良地質，及時反饋施工方，采取有效的技術措施和安全措施，保障施工的安全進行。

2.2 典型雷達圖像分析

2.2.1 巖層含水區預測

西山隧道左線在里程為ZK9+692的掌子面巖性為石灰巖，強風化，節理、裂隙較發育且分布密集雜亂，呈鑲嵌碎裂結構，掌子面潮濕局部層間夾有粘性土，設計為Ⅲ級圍巖。勘察設計認為該段平均埋深較大，且圍巖巖性以石灰巖為主，富水可能性較小，但實際由于西山隧道所在山體內煤層發育，曾經歷過數年的采掘，可能會有積水，再由于地表水補給容易，富水性仍較強。如圖3所示是在掌子面自左向右進行超前地質預報的波形圖。

圖3 西山隧道左線里程ZK9+692雷達波圖像

從圖3中可見，掌子面(里程為ZK9+692)前方0 m～18 m段為相對低幅反射波組，局部存在強反射同相軸，預計該段圍巖特征與目前掌子面基本相似。相比較而言，距目前里程18 m～30 m范圍內(即ZK9+710～ZK9+722)雷達電磁波出現多組規律性較強的反射波同相軸，且反射波同相軸連續，振幅較大，以低頻為主，推斷該段圍巖破碎，可能存在滲水現象。

后經開挖證實，在ZK9+712處圍巖破碎松散，掌子面出現股狀滲水并伴有掉塊現象，由于預報及時準確，施工方提前進行了加固處理和排水措施，保障了施工安全。

2.2.2 裂隙破碎帶預測

裂隙破碎帶或密集帶一般存在于斷層影響帶、巖脈帶及軟弱夾層中。由于裂隙內比較破碎且不連續，與周邊圍巖形成電性差異，在雷達波形圖上顯示為區域性的高頻密紋反射波。

從西山隧道右線出口里程YK12+456雷達波圖像上看，距目前掌子面10 m～25 m范圍內(即YK12+446～YK12+431)雷達波信號相對比較平靜，振幅不大，沒有較強的反射波和連續的同相軸出現，說明該段圍巖與掌子面特征相似，相對穩定。但掌子面前方5 m～10 m和25 m～30 m范圍內存在多組區域性的強反射波，同相軸錯亂，反射界面較多，推斷該段圍巖節理裂隙發育，巖層層面結合性較差，可能存有斷層或軟弱夾層。

實際開挖至該段時，掌子面風化程度不均勻，呈壓碎～松散結構，有一條破碎帶且有軟弱夾層，預報結果與實際情況基本吻合。

3 地質雷達的注意事項

1)在探測之前要進行場地調查，地質雷達采集數據時，極易受到施工現場的影響，特別是金屬(臺車，錨桿)、對講機等對電磁波的干擾，應準確記錄實際情況，并標出位置，必要時應布置多條測線，以保證雷達采集數據的準確性。

2)在探測過程中，原則上應盡量靠近掌子面軸心位置，測線距離盡可能長，盡可能多采集數據，便于后期數據分析處理。

3)圖像解釋時應著眼整條波形線，重點研究連續距離長、振幅變化大、波形穩定的波，對繞波、散波、同相軸現象不連續進行解析。

4)波速是不穩定的，判讀一般都有誤差，這就需要在施工進度達到預報里程時，把預測結果和現場掌子面情況進行對比，不斷檢驗和修正。

4 結語

通過地質雷達在西山隧道超前地質預報中的應用實例，得到以下體會:

1)采用地質雷達探測隧道掌子面前方地質狀況是一種快速簡便、分辨率高、屏蔽效果好、圖像直觀、對施工影響小的方法。

2)地質雷達對斷層、含水區、裂隙破碎帶等具有較高的識別能力，探測效果明顯，為保障施工安全提供了有效指導。

3)含水區巖層在雷達圖像中表現為強反射帶，反射波主頻降低，相位發生翻轉，并且通過富水區后能量衰減較快，削波現象嚴重。

4)裂隙反射波同相軸雜亂，反射界面較多，如果巖層比較破碎時，頻譜較寬，主頻特征不明顯，并且波幅衰減很快。

5)把雷達探測的解釋和地質特征解釋進行綜合分析和判讀是一種提高預報準確度的方法，但由于不同的地質構造差異很大，對雷達圖像的判讀和識別具有多解性。這就要求廣大工程技術人員不斷努力，積累實際工程經驗，提高專業技能，使雷達預報技術達到一個新的高度。

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