地質雷達在公路隧道超前地質預報中的應用

山東鐵正工程試驗檢測中心有限公司 山東 250014

摘要：從地質雷達預報的基本原理出發，采用地質雷達進行隧道超前預報，提前采取有效的防范措施，確保隧道施工的安全是可行的，且具有較高的預報精度。

關鍵詞：地質雷達；超前地質預報；隧道；探測

引言：在隧道施工中，尤其是地質條件復雜的隧道工程，它關系到工程的安全、質量、成本和進度。隧道地質超前預報由來已久，超前預報的方法也有很多，地質雷達具有掃描速度快、重量輕、分辯率高、屏蔽效果好、圖像直觀、對施工影響小和可跟蹤施工全過程等優點，并積累了大量的工程實測數據和圖像分析經驗，近年來在施工檢測及地質預報中得到了廣泛應用。

1、地質雷達的工作原理

探地雷達依據電磁波脈沖在地下傳播的原理進行工作。發射天線將高頻（100～800MHz或更高）的電磁波以寬帶短脈沖形式送入地下，被地下介質（或埋藏物）反射，然后由接收天線接收。根據電磁波理論，當雷達脈沖在地下傳播過程中，遇到不同電性介質交界面時，由于上下介質的電磁特性不同而產生折射和反射。在對接收天線接收到的雷達波進行處理和分析的基礎上，根據接收到的雷達波形、強度、雙程時間等參數便可推斷地下目標體的空間位置、結構、電性及幾何形態，從而達到對地下隱蔽目標物的探測（如圖1所示）。

圖1中T為發射天線，R為接收天線，電磁波在地下介質中 遇到目標體和基巖時發生反射，信號返回地面由天線R接收并記錄，通過主機的回放處理，就可以得到雷達記錄的回波曲線（如圖2所示）。

圖2中橫坐標的單位為m，橫軸代表地表面的探測距離，在 地表面均勻打點可以得到相應點位的地下介質分布情況；縱坐標代表的是電磁波從發射到遇見地下目標體或基巖時反射回地面并被儀器接收所需要的時間。有了雷達記錄的雙程反射時間即可據公式（1）算出該界面的埋藏深度H：

其中，t為目標層雷達波的反射時間；c為雷達波在真空中的 傳播速度（0.3m/ns）；εr為目標層以上介質相對介電常數均值。這時就可以對雷達資料進行進一步的數據處理，其方法與地震反射法勘探數據處理基本相同，主要有以下幾方面：1）濾波及時頻變換處理；2）自動時變增益或控制增益處理；3）多次重復測量平均處理；4）速度分析及雷達合成處理等。

2、地質雷達應用技術方法

2.1雷達預報原理

地質雷達的試驗原理為由控制單元向地層發射一組以某一頻率為中心的高頻電磁波，在傳播的過程中，電磁波遇到不同電磁性介質分界面時，一部分電磁波能量會轉換成反射波返回地面，另一部分能量則透過界面繼續向前傳播，再次遇到界面時，又有一部分電磁波產生反射返回地面。

2.2地質雷達地質預報技術

2.2.1雷達地質預報長度的確定

預報長度的長短同電磁波在巖體中傳播的特性密切相關，根據波的傳播原理，電磁波在堅硬均勻完整性好的的巖體中傳播時，其透射能力較強，當其遇到介電常數相差較大的巖層界面時，電磁波的反射系數較大，天線接收器接受的信號就越強，預報長度可適當放長。根據杜公嶺隧道的圍巖的基本特征，預報的長度一般為20～30米左右。

2.2.2介電常數的選擇

雷達地質預報結果的可靠程度，圍巖介質的介電常數的選取是關鍵，一般情況下，巖體的介電常數在5～8之間，具體的數值應根據具體巖性進行確定，另外圍巖含水率對圍巖介質的介電常數有重要的影響，因此，還應依據圍巖的含水率的大小進行相應的調整。

2.2.3測程的選擇

利用雷達進行隧道地質預報時，應采用線測和點測相結合，線測或點測時，應采用不同測程相結合，以便對各種測試結果進行對比分析，相互驗證，突出圍巖不良地質狀況。圍巖完整性較好時，測程可采用700ns，圍巖破碎時，測程采用300ns。

3.典型地段超前預報實例分析

3.1軟弱夾層的探測

所謂軟弱夾層是指巖體中那些性質軟弱、有一定厚度的軟弱結構面或者軟弱帶。按成因分為原生軟弱夾層、構造及擠壓破碎帶、泥化夾層及其他夾泥層，具有高壓縮性和強度低的特征。

在某隧道ZK145+820掌子面探測時，前10m范圍內同相軸不連續，信號頻率較低，幅值較強，在掌子面前方11m處存在一反射信號較強的多次震蕩信號，電磁波衰減加快，結合具體地質情況，推測前方10范圍內巖體節理裂隙發育，在掌子面前方11m處可能存在一軟弱夾層或富含基巖裂隙水，后經開挖證實，在ZK145+810處存在一豎向強風化結構面，有夾泥和鐵錳質礦物充填，且伴有侵潤狀浸水。

3.2節理密集帶的探測

節理是存在于巖體中的裂縫，是巖體受力斷裂后兩側巖塊沒有顯著位移的小型斷裂構造。巖體中的裂隙，在工程除了有利于開挖外，對巖體的強度和穩定性均不產生有利的影響。節理密集帶主要存在于斷層影響帶、巖脈帶及軟弱夾層中，由于節理內有不同的礦物成分、不均勻的充填物，與周邊圍巖形成電性的差異，因此具有采用地質雷達探測巖體中裂隙存在的地球物理基礎。

在某隧道YK145+850掌子面探測時，同相軸錯斷，信號頻率中等，局部信號頻率較低，幅值中等，6～16m范圍內出現平行和雜亂的發射波，推斷前方6～16m，即YK145+844～YK145+834段，為節理密集帶或富含基巖裂隙水，巖體呈碎石狀壓碎結構，圍巖較破碎，后經開挖證實，該范圍內巖體破碎，節理裂隙十分發育，節理張開。

3.3富水帶的探測

富水帶是含水量大的巖體區域，在隧道開挖后可能產生涌水現象。水的相對介電常數最大為81，當巖體含水量較大時，介質的介電常數有較大的增大，而電磁波在介質中的傳播速度則會降低，這樣反射波表現較強的正峰異常，同時出現強反射，能量衰減增快，伴有繞射、散射現象，導致波形紊亂，頻率成分由高頻向低頻轉變。

結語：

對于隧道動工安全與進度特別主要的就是隧道超前地質預報。使用于公路隧道動工中的地質雷達，預報掌子面前方不良地質情況可較快判斷，有利于工程施工，提高了短期地質超前預報的水平工作。因此，地質雷達探測技術在各個領域應用會越來越廣泛，彌補了鉆探工作的不足，大大地縮短了工期、節約了成本、提供更準確、更詳細的地質信息，為工程設計和施工提供科學依據。

參考文獻：

[1]葉觀寶，宋建.地質雷達在公路隧道短期地質超前地質中的應用[J].勘察科學技術，2010（20）：49.

[2]白哲，夏元友.地質雷達在隧道超前地質預報中的應用[J]，武漢理工大學碩士學位論文，2006，4：46-50.