地質雷達法在隧道超前預報檢測中應用的探討

汪清河　蘇漢飛　夏信友

摘 要：隨著我國經濟的高速發展，我國的隧道工程愈加完善，隧道超前地質預報對于隧道的安全施工而言十分重要。由于地質雷達法具有操作簡單，探測效率高，使用靈活，成本相對較低等優點，可將其運用于隧道超前預報之中。本文將對地質雷達法和地質雷達設備的探測原理等進行介紹分析，并結合實例論述地質雷達法在預報短距離地質災害方面具有較高的準確率。

關鍵詞：地質雷達;隧道;超前預報

中圖分類號：U452.11 文獻標識碼：A

0 引言

近年來，隨著我國經濟水平的蓬勃發展，我國開始注重完善基礎設施建設，增加各類高速鐵路、高速公路的建造量，除此之外也建造了大量如隧道工程般的隱蔽工程。由于隧道工程是處于地下環境中的隱蔽工程，復雜多樣、無法預知的地質因素為隧道工程帶來了極大的影響和挑戰。在隧道工程的前期勘測階段，容易因時間、技術和經濟等因素影響勘測結果，導致設計結果與實際施工環境不匹配的情況。而在施工過程中，尤其是在地質復雜的區域，易出現如地層破碎帶、斷層、溶洞、地下暗河等對施工不利的條件，若無法提前預測前方地質情況，不僅會影響正常施工，還會對施工隊伍的安全造成威脅，造成較大的人員和經濟損失，因此隧道地質超前預報對隧道工程具有重大意義。

隧道超前預報檢測中常用的方法有：地質雷達法、紅外探水法、TSP預測法、超前鉆探法等。地質雷達法由于具有操作簡單、成本較低、高效便捷、不會對施工環境造成影響等優點，且對于破碎巖體、溶洞等復雜地質探測效果較好，被廣泛運用于隧道超前預報監測之中。本文就地質雷達法對貴州某鐵路隧道在建工程進行隧道超前預報檢測，對地質雷達法在隧道超前預報監測中的準確性進行論述和驗證。

1 地質雷達探測原理

地質雷達是一種電磁無損探測技術。通過向地下發射頻率通常在106 Hz～109 Hz的高頻窄脈沖電磁波，對接收到的反射波形的振幅、波形、頻率等特征進行分析，進而推斷地質因素的探測技術。該方法的理論依據是，探測對象內部存在明顯的介電性差異，電磁波遇到地址分界面會產生不同的反射、散射差異，對于接收到的反射波形的差異進行相關分析，即可推斷隧道前方是否存在不良地質，并對不良地質的空間位置、規模等信息進行推測。

2 雷達數據處理基本理論

（1）三振相：香味、振幅、頻率。三振相即瞬時相位、瞬時頻率和瞬時振幅，是隧道超前地質預報中不可或缺的三個指標。相位：一個垂直的單道波形的波峰和波谷可以直觀地表達出波形的相位，每一個完整的信號周期都至少包含一個波峰和波谷，地下不同的介質的接觸面反射的電磁波會在地質雷達探測設備上顯示出一個完整的反射信號周期。振幅：振幅幅值沒有單位，有時可使用電壓值來表示，波峰的振幅幅值為正值，波谷的振幅幅值為負值。在地質雷達接收到的反射波圖像中，波谷與波峰到中心線的距離越長，則表示反射信號越強。頻率：波谷與波峰波動的距離反映出了信號的頻率的高低，距離越大則探測出的信號頻率越低，反之同理。

（2）同相軸。同相軸是雷達圖像的時間剖面上所記錄的各道振動相位相同的波峰或波谷的連線。在勘察資料中，通常會根據雷達圖像的時間剖面上有規律地出現的形狀相似能連成線狀軸線的振動畫出不同的同相軸，以此來表示不同界面反射回的電磁波。

（3）波形圖。由于超前地質預報數據的采集方式為鍵盤觸發，采集的電磁脈沖數較少，因此通常使用波形圖對雷達圖像進行表述。雷達圖像采用波形圖的形式，能夠更加直觀地表述出雷達探測儀接收到的信號的相位、頻率和振幅;用探測雷達進行超前地質預報時，為確保信號的分辨率和準確度，要盡量保證有足夠多的脈沖，通常情況下每個掌子面采集的脈沖數不可少于50個脈沖。

3 不同地質構造體的電磁波反射特征

（1）完整巖體。完整的巖體通常是幾乎沒有電磁波反射信號的，但由于巖體的含水量和風化程度的不同，在巖體內部會產生微弱的信號反射。此類地質元素的反射信號大多為中高頻反射信號，同相軸呈不連續均勻分布或連續且均一平行分布;信號的振幅較弱。

（2）斷層破碎帶。中、低頻信號的不均勻特征表征在斷層破碎帶，并且毫無規律、急劇變化的頻率出現在該位置，錯段、同軸不連續性以及分布雜亂的現象主要以帶狀區域化呈現，同時具有較強的振幅。

（3）富水帶。低頻均勻的信號表現在富水帶中，同時表現為快速變低的電磁波信號，并且主要的表現形式為：震蕩次數多、振幅強、反射呈層面狀、同相軸均一連續。

（4）節理裂隙密集帶。裂隙水嚴重影響著此區域的反射信號，主要表現為均勻變化、信號頻率包括中低頻率，且具有較快的變化速率，規律性強，時續時斷的同相軸信號，強振幅、亂波形以及不平行等表征。

（5）軟弱層（泥夾層）。中低頻信號均勻的表現在軟弱層中，電磁波反射信號規律性強、變化速率快、均一分布的波形、并且具有強振幅和震蕩次數多等表征。

（6）巖溶（非填充型）。巖溶對施工質量影響非常大，不良結構對施工過程中造成危害，若巖溶是非填充型且表征為形態各異、復雜的自然環境，危害程度將被降低，其電磁波反射信號規律性強、頻率變化速率快，大多數為中低頻信號，且不均勻;當巖溶不大于掌子面，連續、反射信號呈孤立體是其同相軸特征;同時反射信號也會出現在非填充型巖溶的前后端面，不規則的巖溶導致信號反射不規則;而巖溶大于掌子面，反射信號呈層面狀，裂隙的現象易發生，判斷依據主要是前后縱深以及反射信號。通常，信號遠，為巖溶;信號近，為裂隙。

（7）巖溶（填充型）。低頻、均勻的電磁波反射信號表征在填充型巖溶中，頻率變化劇烈且有規律，均一的波形、規則、連續表現在同相軸中，同時具有強振幅信號，信號震蕩次數較多，其中也包含大于和小于掌子面的情況。

據以上論證得知，在地質環境復雜多變的情況下，不同的代表性特征體現在電磁波反射信號中。

4 情況驗證

根據具體的施工現場的應用結果，采集試驗數據與上述理論相結合，同時其他測量手段提供輔助，借助試驗的具體數據，同時收集后續施工驗證結果，因此得出，自穩性差的巖層以及破碎圍巖出現在掌子面前方，滲水、掉塊的現象極其明顯，同時又有軟弱夾層間隔在層間不斷出現，小股層間隙水的現象也有發生，具體位置位于中部偏右，與掌子面的距離約為4 m，但是巖溶發育段和溶腔并未在整段隧道中出現。結果準確性較高，當探測距離較短時，可以優先選用地質雷達探測法。在開挖隧道過程中，為保證測量數據具有實際指導意義，探測距離不宜過長，盡可能的通過地質預測避免發生對峙災害的情況。

5 結語

（1）通常情況下，10 m～20 m的距離是超前地質預報采用地質雷達法所測得的有效距離，誤差隨著距離的增加而增大。當超過40 m以上的測量距離，理論研究應該繼續加強，進一步細化地質雷達探測方法，不斷進行工程實踐，在實踐中總結規律，為后續工作提供有力的保障，預報精度也被不斷提高。

（2）水層、溶洞、破碎帶以及軟弱夾層的具體特性在隧道掌子面中的表征可由地質雷達探測法測得，同時也可以探測到實際準確的規模和位置，為避免測量預報誤差，在其他預防方法結果的修正結合下，以此將誤差降到最低。

（3）地質情況在掌子面前方的表征，可以通過超前地質預報得知，提供了具體支護調整參數，提前隧道施工的具體方案，這樣便可以有效的避免和控制地質災害的發生。

參考文獻：

[1]曹旭華.地質雷達法在巖溶隧道超前地質預報中的應用[J].中國公路，2020（22）：102-103.

[2]劉東坤，魏昶帆，吳勇，等.地質雷達法在樁底巖溶探測中的頻譜差異分析[J].地下空間與工程學報，2020（S2）：971-975.

[3]郜君偉.地質雷達法在工程質量檢測中缺陷探測應用與分析[J].建筑技術開發，2020（07）：135-137.