地質雷達在隧道超前預報中的應用

李 輝 程振華

(江西省交通科學研究院，江西南昌 330038)

近年來隧道工程的規模不斷擴大，其重要性也越來越顯著。在隧道掘進過程中，對隧道前方的地質情況進行預報，尤其是對巖溶地區的溶洞、富水帶和斷層破碎帶等不良地質體及時準確的預報，不僅提高了隧道施工的效率，節約了成本，而且確保了施工的安全［1，2］。目前常用的超前地質預報方法有工程地質調查與推斷法，超前鉆探法，地震波反射法，地質雷達法等［3，4］，而地質雷達法因其掃描速度快、操作簡便、分辨率高、圖像直觀、可跟蹤施工全過程等諸多優點［5］，在隧道超前地質預報中得到廣泛的應用。

1 工作原理［6，7］

地質雷達是基于地下介質的電性差異(如介電常數)，向地下發射高頻電磁波，并接收地下介質反射的電磁波進行處理、分析、解釋的一項工程物探技術。其工作原理見圖1，利用高頻電磁波(主頻為數十至數百乃至數千兆赫)以寬頻帶短脈沖形式，由地面通過發射天線傳入地下，經地下地層或目的物反射后返回地面，被接收天線接收。電磁脈沖波旅行時間為t。當地下介質的波速已知時，可根據t值計算目標體的位置和埋深，根據反射波組的波形與強度特征，便能分析出地層的特征信息(如介電常數、層厚、空洞等)。

圖1 地質雷達工作原理圖

在巖土介質中，其反射系數和波速主要取決于介電常數:

其中，r為反射系數;v為介質中電磁波的傳播速度;c為光速常數;ε為相對介電常數，下角標1，2分別表示上、下介質。空氣的相對介電常數為1，水的相對介電常數為81，灰巖為4～8，水泥及其他巖土的相對介電常數為幾到十幾。

目標體到掌子面的距離d為:

其中，t為電磁波的雙程走時。

2 測試方法

使用地質雷達實施地質超前預報，應按以下步驟進行:準備工作、測線布設、參數選擇、數據采集、數據后處理、提供地質預報信息。

2.1 準備工作

運用地質雷達進行地質超前預報，首先要收集隧道地質資料，完成掌子面地質素描工作。在地質雷達采集數據時，盡量清除測線附近的金屬物體、電磁干擾等干擾源，如不能清除應將其記錄在冊，并標出位置。

2.2 測線布設

由于掌子面通常采用上、下導坑開挖，工作面比較狹小，在測試過程中常用兩橫一豎的布線方式，見圖2。實際測試時應根據掌子面的具體情況靈活布置測線，以保證足夠的數據以備后期處理。為提高測試準確性，測試過程中一般每條測線至少測試2遍。

圖2 測線布置圖

2.3 參數選擇

雷達探測參數選擇合適與否關系到探測效果，探測參數包括天線中心頻率、時窗、采樣率、天線方向的取向、數據采集方式等。在隧道超前地質預報探測中，應根據現場工程地質條件進行動態設置。

天線的中心頻率越大，其分辨率越高，而探測深度越小;反之則分辨率越小，探測深度越大。選擇天線時一般在滿足分辨率且場地條件許可時，盡量采用中心頻率低的天線。

時窗是指數據采集開始到數據結束之間的時間長度，它決定了雷達系統對反射回來的雷達波信號取樣的最大時間范圍，直觀地說，就是決定雷達的探測深度。時窗主要取決于最大探測深度與地層電磁波速度。

地質雷達數據采集方式一般有三種，即測量輪控制采樣、連續采樣和點測采樣。測量輪控制采樣是通過測量輪滾動觸發雷達信號發射接收;連續采樣是按預先設定好的時間間隔自動采集數據;點測采樣是通過電腦鍵盤發送指令，天線按固定間距移動，移動一次采集一道數據。

根據隧道工作環境及現場探測經驗，隧道超前地質預報一般選用中心頻率為100 MHz的地面耦合天線，時窗為300 ns～600 ns，預報范圍為10 m～30 m，由于100 MHz天線淺部干擾較大，故另外選用一個中心頻率為400 MHz的地面耦合天線做輔助測量，時窗為60 ns～100 ns，確定掌子面前方3 m～5 m范圍的地質情況［5］。數據采集采用點測采樣和連續采樣兩種方式相結合，每條測線使用兩種天線、兩種采樣方式各測試一遍，測試時天線長軸方向垂直于測線方向。

2.4 數據處理及資料解譯［6，7］

地質雷達探測資料的解釋包括兩部分內容，一為數據處理，二為資料解譯。

由于地下介質相當于一個復雜的濾波器，介質對波的不同程度的吸收以及介質的不均勻性質，使得脈沖到達接收天線時，波幅減小，波形變得與原始發射波形有較大的差異。另外，各種隨機噪聲和干擾，也影響實測數據。因此資料解譯前必須對雷達數據進行處理，處理方式主要有濾波、增益、道分析、時差校正、褶積、速度分析、消除背景干擾等。

地質雷達資料解譯是一個經驗積累的過程，一方面基于地質雷達圖像特征，另一方面由工程實踐成果獲得。地質雷達圖像解釋的核心內容是識別干擾波及目標體的地質雷達圖像特征，各種不良地質情況在雷達圖像上有不同的表現方式。

破碎帶在雷達波形上通常表現為界面反射強烈，反射面附近振幅顯著增強且變化大，常產生繞射、散射，波形雜亂，同相軸錯斷，電磁波衰減快且規律性差。

巖溶洞穴在雷達圖像上一般表現為由許多的雙曲線強反射波組成，在洞穴側壁一般為高幅、低頻、等間距的多次反射波組，而洞穴底界面反射則不太明顯，只有當洞穴底部部分充填水或粘土物質時底部反射波會有所增強。可見一組較短周期的細密弱反射，有充填物時電磁波能量迅速衰減，高頻部分被吸收，反射的多為低頻波。

富水帶在雷達圖像上一般表現為在含水層表面發生強振幅反射，電磁波穿透含水層時將產生一定規律的多次強反射，在富水帶內產生繞射、散射現象，電磁波頻率由高頻向低頻劇烈變化，電磁波能量快速衰減。反射波同相軸連續性較好，波形相對較均一［8］。

3 工程實例

某隧道為上下行分離式長隧道，隧址區域出露地層主要為三疊系灰巖、泥質灰巖及砂巖、砂質泥巖、二疊系及石炭系灰巖，并有覆蓋于基巖上的第四系粉質粘土、碎石、砂卵石等。隧址區溝谷縱橫，有石芽殘丘、巖溶洼地等形態，洼地常伴有落水洞、溶洞等分布，地處亞熱帶暖濕氣候區，其氣候條件有利于巖溶發育。

圖3為使用美國GSSI公司SIR-20型雷達連接主頻為100 MHz地面耦合天線在掌子面采集的雷達數據，采用連續采樣，時窗為350 ns，采樣點數為512，測試時天線長軸垂直于測線方向。圖4為主頻400 MHz地面耦合型屏蔽天線采集的雷達數據，采用連續采樣，時窗為80 ns，采樣點數為512。從圖3中可以看出，掌子面前方2.0 m ～4.5 m，6.5 m ～7.5 m 和9.5 m ～11.0 m 范圍有明顯異常。從圖4中可以看出，掌子面前方0.7 m～4.0 m范圍有明顯異常。根據雷達波形圖并結合掌子面及此前開挖的地質情況，判斷掌子面前方0.7 m～4.5 m為溶洞，充填粘土，含水;掌子面前方6.5 m～7.5 m和9.5 m～11.0 m為溶蝕腔，充填少量粘土。根據施工現場開挖實際情況顯示，預測情況與實際情況較為吻合。

圖3 100 MHz耦合天線測試數據

圖4 400 MHz耦合天線測試數據

圖5為100 MHz天線在另一個掌子面采集的雷達數據，采用連續采樣，時窗為350 ns，采樣點數為512，測試時天線長軸垂直于測線方向。從圖5中可以看出，掌子面前方4.5 m～6.0 m和10.5 m～11.5 m范圍有明顯異常，結合掌子面地質情況判斷為溶蝕腔，充填少量粘土。根據施工現場開挖實際情況顯示，預測情況與實際情況較為吻合。

圖5 100 MHz天線測試數據

4 結語

地質雷達能夠較準確地探測出掌子面前方一定范圍內的不良地質情況，對隧道施工具有重要的現實意義。在預報過程中儀器參數的合理選定與實際經驗關系密切，測試圖像的識別應該根據雷達測試的異常情況、掌子面地質情況、區域地質情況進行綜合判斷，推斷出掌子面前方的地質情況，同時注意排除圖像中的干擾因素，提高預報的準確性。

［1］高才坤，郭世明.采用地質雷達進行隧道掌子面前方地質情況預報［J］.水力發電，2000(3):11-13.

［2］代高飛，夏才初，毛海河.地質雷達在隧道超前預報中的應用［J］.西部探礦工程，2004，16(9):116-118.

［3］張志龍，王蘭生，王躍飛.公路隧道施工超前地質預報技術方法研究現狀綜述［J］.公路交通科技，2005(Z2):126-128.

［4］何繼善，柳建新.隧道超前探測方法技術與應用研究［J］.工程地球物理學報，2004，1(4):293-298.

［5］王正成，譚巨剛，孔祥春，等.地質雷達在隧道超前預報中的應用［J］.鐵道建筑，2005(2):9-11.

［6］李大心.探地雷達方法與應用［M］.北京:地質出版社，1994.

［7］曾昭發，劉四新，王春江，等.探地雷達方法原理及應用［M］.北京:科學出版社，2006.

［8］李 鎬，仲曉杰，韓 煜.地質雷達在隧道富水區超前預報中的應用［J］.土工基礎，2010，24(4):88-90.