地質雷達監測技術在隧道工程中的應用

楊 君 金愛兵 北京科技大學土木與環境工程學院

地質雷達監測技術在隧道工程中的應用

楊 君 金愛兵 北京科技大學土木與環境工程學院

簡述地質雷達的工作原理，并介紹賜兒山隧道的地質雷達超前預報的測線布置、探測技術參數等。通過對地質雷達掃描圖像的研究和分析，以及與隧道掌子面開挖后的實際地質情況作對照，指導該隧道掌子面的開挖，并進一步證明地質雷達在隧道掘進時能準確地探測掌子面前方圍巖狀況，從而有效避免事故的發生。

地質雷達；超前預報；掌子面

地質勘探資料是隧道設計時的基本依據，由于勘測時受技術，氣候，經濟等諸多條件的限制，往往在施工時發現實際情況與勘察設計不符。因此，在地質條件復雜時，超前地質預報能準確地預測掌子面前方的地質情況，使施工人員能靈活調整，避免發生災害，確保施工安全。地質雷達探測法具有探測速度快、非接觸、非破壞性探測、分辨率高、可直接獲得低下剖面圖、可進行資料的實時成像處理、不影響施工等優點，因此被廣泛應用于超前地質預報。

1 地質雷達的工作原理

地質雷達方法是一種能確定地下介質分布狀況的電磁波法。其原理是利用發射天線把高頻電磁波以寬頻脈沖的形式定向送入地下。當電磁波遇到不同介電常數或電導率亦或是磁導率的介質分層面時，電磁波會發生反射，反射波由接收天線接收并由主機記錄。通過對反射波的振幅特征、相位特征以及時頻特征進行處理，結合地質資料和對現場的觀察對目標進行地質描述。

2 監測技術設計

（1）側線布置

隧道掌子面雷達探測布線如圖1所示：在開挖地面上方2 m處，從左邊墻向右邊墻方向布置一條水平測線。探測結果可預測掌子面前0 m~20 m進深范圍內的不良地質、水文地質、斷層及其破碎帶、圍巖類別及其穩定性狀況。地質條件復雜時，可加密雷達側線。

圖1 賜兒山1#隧道掌子面測線布置圖

（2）探測方法和參數選取

本次測量采用連測法。其參數選取如下，972 MHz采樣頻率，512采樣點數，自動疊加，0.12 m觸發間距。

3 在賜兒山隧道中的應用

3.1 工程概況

賜兒山隧道所在區域位于華北平原與內蒙古高原過渡帶的冀西北山地邊緣，本項目采用單洞對向行車布置方案，按二級公路兩車道雙向行車標準設計，設計速度為60 km/h，隧道建筑限界凈寬為12.5 m，建筑限界凈高為5.0 m。隧址區總體處于中低山與丘陵區，南臨張家口斷陷盆地。山體坡度陡緩不一，大多數山體斜坡為25°~40°。受節理密集帶和較大型斷裂切割地段，形成較長沖溝，地形起伏變化較大，海拔高度的變化值為（按線路走向）：790~1010~850~950~830m，最大相對高差220m。

3.2 現場實施

現場儀器采用瑞典RAMACCUIII型探地雷達，100 MHz屏蔽天線。現在隧道采用上下臺階開挖。此次實驗在賜兒山1#隧道掌子面進行，探測掌子面里程樁號為K1+560，探測范圍K1+560~ K1+540（面向小里程方向）。

3.3 地質預報相關成果與分析

掌子面觀測：開挖處斜坡地貌，表層覆蓋有第四系松散坡積土，圍巖為強風化～中風化凝灰巖，節理發育，夾雜質，多沿開挖界面處分布，掌子面中央部位巖體完整性相對較好，局部破碎（賜兒山1#隧道掌子面圍巖地質情況見圖2）。

圖2 賜兒山1#隧道掌子面圍巖地質照片

圖3 賜兒山1#隧道掌子面雷達探測剖面圖

圖3為雷達縱剖面圖，結合掌子面情況，可得到以下分析結果：

（1）在掌子面前方0 m～6 m（時間深度0 ns～60 ns）的范圍內

存在數條較強反射信號，信號以中高頻信號為主，表示該區域內相對較為干燥；振幅大，表示該區域內介質差異變化較大，裂隙充填情況較多，且充填質巖性與圍巖相差較大。信號同相軸連續，存在明顯的層狀連續波形，揭露圍巖整體性較好，裂隙呈層狀規律分布。

（2）在掌子面前方6 m～12 m（時間深度60 ns～120 ns）的范圍內

反射信號以中高頻信號為主，圍巖干燥；振幅小，僅存在極少量的強振幅信號，表示該區域內介質差異較少，裂隙及裂隙充填情況較少；仍可見到明顯的同相軸連續特征，推斷為貫通裂隙，但表明該裂隙填充較少，圍巖整體性較好。

（3）在掌子面前方12 m～20 m（時間深度120 ns～200 ns）的范圍內

反射信號以高頻信號為主，揭示圍巖的干燥特點；同相軸雜亂無序，表明本區域圍巖相對破碎，裂隙分布雜亂呈無序狀，整體性較差；信號振幅較強，初步推斷該區域內圍巖介質差異較大，多為破碎圍巖與裂隙間軟弱充填雜質無序分布所致。

綜合超前地質預報圖可得出，本探測區段圍巖差異較大，淺部圍巖整體性較好，但裂隙充填雜質較多；中部圍巖整體性好，充填少；深部圍巖整體性較差，裂隙分布雜亂，且多為充填裂隙。

3.4 結論

結合地質雷達圖像分析結果和進行超前地質預報探測時的掌子面圍巖情況進行綜合分析，可推斷前方圍巖干燥、深部圍巖整體性較差、裂隙充填質較多。但通過觀測可知之前所揭露的軟弱夾層對圍巖仍存在影響。隧道施工時應認真做好超前支護工作，密切注意拱頂及左右拱肩范圍內圍巖穩定性；開挖時應嚴格堅持小進尺開挖，盡量減少掘進過程對圍巖的擾動，開挖后及時支護，超挖部分務必按規范要求進行及時有效處理，防止拱后脫空、噴漿不密實等現象，預防可能發生的冒落、塌方等地質災害。

4 結束語

（1）地質雷達對裂隙帶、斷層破碎帶、富水帶等不良地質體有明顯的反映。

（2）通過與實際揭露的掌子面情況對比，結合掌子面觀測的地質雷達預測技術在地質條件較復雜的情況下，能有效地指導施工。

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責任編輯：許耀元

來稿日期：2015-08-25