地質雷達在隧道超前地質預報中的應用

吳曄 林彤

(中國地質大學工程學院，湖北武漢 430074)

0 引言

隧道開挖前期的勘探資料由于未能詳細的掌握施工段的地質情況，所以只能為其提供大致性的技術指導，隨著隧道施工環境和地質條件的復雜程度大幅度上升，內部隱藏的大量地質災害因前期沒有準確查明而對開挖掘進產生極大的威脅，一旦引發相應的工程事故便會對施工造成影響，所以在隧道開挖過程中跟蹤探測掌子面前方的地質情況并及時預報地質災害，提前做好防護措施降低施工風險是很有必要的。地質雷達是利用高頻脈沖電磁波探測地下介質分布的一種地球物理探測方法，與其他物探方法相比，它具有輕便、快速、分辨率高、抗干擾能力強、無損傷性等優勢，在隧道工程建設超前地質預報中有著廣泛的應用[1]。

1 地質雷達工作的基本原理

如圖1所示，地質雷達通過發射天線T向地下定向輸送某一中心頻率的脈沖電磁波，中心頻率的范圍一般為1 MHz～1GHz[2]。在巖土介質中傳播的電磁波，其路徑和波形都會因介質的電性、幾何形態的變化而改變[3]。當電磁波通過均勻介質時則不會產生反射并仍以一定速度繼續向下傳播，當遇到地電特性和幾何形態有差異的異常目標物或不良構造時，就會有部分電磁波發生反射返回至地面被接收天線R接收，而另一部分電磁波則會繼續向地下傳播并對地下更深的部位進行探測。接收天線在接收到反射波信號后會先將其數字化，再通過雷達主機將其記錄下來并生成雷達特征圖像。根據反射電磁波的雙程走時[1]可以求出地下異常目標物的埋藏深度。

圖1 地質雷達探測原理示意圖

其中，z為反射界面深度;x為收發天線之間的距離;v為電磁波在地下介質中傳播的速度，可按式(2)求得:

理論研究得出反射電磁波的雙程走時t為:

其中，c為電磁波在空氣中的傳播速度;εr為地下介質的介電常數。

由式(1)可變換得到的反射界面深度的計算式:

在實際工作中，收發天線的距離一般要遠小于反射界面的深度，即x?z，所以反射界面的深度可近似為:

在確定地下異常目標物的埋深后可根據雷達主機生成的雷達特征圖像分析反射波的振幅、頻率和相位等特征綜合判斷隱藏在地下深處的異常目標物或不良構造的幾何形態，從而達到精確探測地下不良地質條件的目的。

2 數據的采集和處理

2.1 數據的采集

在現場采集數據時需要根據隧道的實際情況合理選擇測線的布置方式和探測方法，它們的選擇在很大程度上影響著數據質量和解譯結果的可靠性。

測線的布置一般隨著開挖方式的改變而改變。隧道在全斷面開挖時可布置成“兩橫兩豎”型;在臺階法開挖時可布置成“一橫三豎”型或“兩橫”型;在預留核心土開挖時可布置成“半弧”型。有時還可以通過加密布置測線或在隧道底面及內壁布線的補充方式來獲取更全面的數據，從而提高探測結果的準確性。

實際應用較多的雷達探測方法是點測和連續探測。點測是在預設測線上每隔一段距離布置一個測點，再在收發間距固定的情況下手動地逐點采集數據。這種方法的測量速度較慢且探測剖面信號較少，但能在掌子面凹凸不平時使用。連續探測是將天線緊貼掌子面以一定速度沿預設測線移動，儀器會以時間觸發的方式自動采集數據，最后系統會自行將各個記錄組合在一起形成探測剖面。這種方法的測量速度快且探測剖面信號多，但需要在剖面上做標記以確定掃描剖面的水平距離信息。

2.2 數據的處理

由于現場探測時存在各類干擾因素，嚴重影響了數據的質量。為了突顯對解譯有用的反射波信息，提高數據資料的可譯性，需要對其進行適當的處理。

1)濾波處理:濾波處理的目的是要剔除采集得到的數據中摻雜的高頻和低頻干擾波。濾波分為垂向濾波和水平濾波。在垂向濾波處理時會設置高通截頻和低通截頻阻止干擾波通過。水平濾波分為水平平滑和背景剔除，目的是消除儀器和環境的背景干擾[4]。

2)增益處理:增益是通過調節增益點的數目來改變增益點位置從而放大反射波振幅使雷達圖像目標更加清晰易辨。增益處理時要適當調節增益點的數目，因為增益偏大會出現信號削頂現象，而增益偏小則會丟失微弱的有效信號[5]，這都會影響探測結果的準確判讀。

3 工程實例

3.1 工程概況

京臺線建甌至閩侯高速公路南平段的八外洋1號隧道位于福建省西北部位，屬剝蝕丘陵地貌單元，微地貌形態為呈近東向西的帶狀陡峻山嶺與三間溝谷相間分布，山巒起伏，地勢陡峭，支溝發育，多呈“V”字形。八外洋1號隧道左線里程ZK28+365～ZK29+459，右線里程為YK28+375～YK29+468。隧道最大埋深約130.14 m。左右洞縱坡均為2.0%。隧道區域圍巖以前震旦系下統龍北溪組云母石英片巖為主，巖石節理裂隙發育，結構面結合程度和風化程度不一。隧道洞口淺埋地段圍巖風化程度較大，圍巖以強風化云母石英片巖為主，為軟質巖，結構松散易碎，穩定性差，初期若不及時支護則會造成拱頂坍塌，圍巖級別設計為Ⅴ級。隧址區位于分水嶺部位，地表水較發育。

本次探測主要是對八外洋1號隧道的右線進行探測，現場探測采用的是美國GSSI公司生產的SIR-20地質雷達，掌子面測試的主要數據采集參數為:中心頻率為100 MHz的屏蔽天線;每次掃描所采集到的樣品數為512;每秒鐘采集到的掃描數為100;天線間距為0.5 m;時窗為500 ns;疊加次數為32次。現場采集數據時主要采用連續測量的模式，必要時會采用點測方式探測加以核對檢驗。

3.2 探測結果分析

下面是利用SIR-20地質雷達對八外洋1號隧道右線進行超前地質預報過程中探測到的幾種不良地質現象:圍巖強風化帶、斷層破碎帶、節理裂隙密集帶和富水帶，首先結合如隧道巖層、地質概況、地質剖面圖等與隧道相關的常規資料對其相應的雷達波形圖進行簡要分析解譯，再通過開挖結果對探測成果進行驗證。

圖2 YK28+380掌子面地質雷達圖像

3.2.1 圍巖強風化帶

圖2是在隧道右線進口掌子面YK28+380處經過反復探測得到的具有代表性的雷達圖像，有效預報距離為22 m，其波形特征是反射面較多，但反射面振幅較小且無明顯突變，同相軸的連續性一般，但很少出現錯位、斷開和分叉等雜亂無序的現象。由此波形特征預測整個探測范圍內介質的介電常數沒有突變的情況，圍巖和掌子面圍巖質量基本一致，受風化作用影響強烈且風化程度均一，結構松散破碎，穩定性較差。現場的開挖情況如圖3所示，該段圍巖為灰黃色強風化云母石英片巖，巖體風化程度均一，含水較少，這與預報結果基本相符。

圖3 YK28+390掌子面

3.2.2 斷層破碎帶

圖4是在右線進口掌子面YK28+470處經過多次探測得到的典型雷達波形圖，有效預報距離為24 m，由波形圖可知，在掌子面前方0 m～10 m范圍內反射波波形錯斷無序，同相軸連續性較差，反射界面波幅顯著增大且變化明顯，預測這一范圍的圍巖體內存在斷層破碎帶，斷層界面大致在掌子面前方4 m的位置，斷層面的平整性和連續性都較差;在掌子面前方10 m～20 m范圍內所對應的波形圖顯示反射波信號微弱，分析出現這種現象的原因是電磁波在通過破碎帶時出現了繞射和散射，而且其能量快速衰減、高頻部分被吸收。經過現場開挖后發現，掌子面前方出現一條橫跨整個掌子面的壓性斷裂，為政和—大浦斷裂的一部分，斷裂帶巖石松散破碎，斷層產狀為115°∠75°，長度約為20 km，寬度約為20 m，而且斷層兩側節理裂隙發育，這與探測預報的結果基本吻合。

圖4 YK28+470掌子面地質雷達圖像

圖5 YK28+900掌子面地質雷達圖像

3.2.3 節理裂隙密集帶

圖5是在右線進口掌子面YK28+900處反復探測得到的代表性雷達波形圖，有效預報距離為25 m，但波形圖只有淺部有信號，深部信號微弱甚至無信號。掌子面前方0 m～10 m范圍段的波形特征:該范圍內出現了相對平行的條帶狀反射信號，反射波的同相軸連續性較好且波幅較大，預測這一范圍的圍巖體內蘊含著一個節理裂隙密集帶，且節理面的產狀大致相同。由于雷達波形圖上的深部信號微弱，所以無法預測10 m～25 m范圍段圍巖的地質情況。經過開挖后發現，掌子面前方0 m～8 m范圍內發育有2組節理裂隙，節理產狀為168°∠90°，呈3條/m分布，裂隙產狀為196°∠82°，呈2條/m分布，節理多呈閉合狀，構造裂隙無論在平面還是在垂直方向上均存在歸并和分歧現象，這與探測預報的結果基本吻合。

圖6 YK29+010掌子面地質雷達圖像

3.2.4 富水帶

富水帶中的地下水和圍巖介質的電性差異較大，電磁波傳至圍巖與地下水的分界面時會產生強烈反射，反射波具有振幅大、頻率高和波峰尖銳等特點，這為地質雷達能夠精確地探測提供了有利的天然條件。圖6是在右線進口掌子面YK29+010處多次重復探測得到典型雷達波形圖，有效預報距離為24 m，由圖可知，波形圖上出現了一系列明顯的反射界面，反射波的波幅寬大，同相軸連續性較好且呈條帶狀分布，根據肖宏躍[6]總結的地質雷達特征預測掌子面前方圍巖體內存有地下水且均勻連續分布，地下水與基巖的分界面大致在掌子面前方8 m的位置。在對探測范圍段開挖的過程中，在掌子面前方0 m～4 m范圍內的巖體較為干燥;4 m～10 m范圍內的巖體較濕潤，偶有滴水現象;10 m～15 m范圍內的巖體很濕潤，經常有滴水現象;15 m～24 m范圍內的巖體經常有線狀滲水現象。通過探測和開挖對比發現探測預報的成果基本符合預報段的地質情況。

4 結語

地下巖體存有差異性的天然優勢為地質雷達對隧道未開挖段的準確探測提供了有利條件，實地探測結果表明它預報不良地質現象效果顯著。為了提高探測成果的實用性通常需要根據現場探測環境制定合理的預報方案并在獲取數據后結合區域地質情況和多方面的資料對其適當處理，探測到不良地質情況時應及時上報并跟進探測。由于受各方面因素的制約，現階段地質雷達技術在隧道超前預報中仍存在不可避免的缺陷，在應用前人工作經驗的同時需要不斷實踐總結以提高探測的準確率。

[1] 李亞飛.地質雷達超前地質預報正演模擬[D].北京:北京交通大學碩士學位論文，2011.

[2] 李大心.地質雷達方法與應用[M].北京:地質出版社，1994.

[3] 向亮星.地質雷達在隧道超前預報中的應用及其數據分析研究[D].成都:西南交通大學碩士學位論文，2012.

[4] 杜興忠.地質雷達成像實驗研究[D].成都:成都理工大學博士學位論文，2012.

[5] 高 陽，張慶松，原小帥，等.地質雷達在巖溶隧道超前預報中的應用[J].山東大學學報(工學版)，2009，39(4):82-86.

[6] 肖宏躍，雷 宛，楊 威.地質雷達特征圖像與典型地質現象的對應關系[J].煤田地質與勘探，2008，36(4):57-61.

[7] 李 輝，程振華.地質雷達在隧道超前預報中的應用[J].山西建筑，2013，39(35):178-179.