地質雷達在地鐵隧道超前地質預報中的應用研究

范 佳 俊

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300251)

地質雷達在地鐵隧道超前地質預報中的應用研究

范 佳 俊

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300251)

從波速確定、天線中心頻率、時窗長度、采樣間距等方面，介紹了地質雷達的探測原理，并闡述了其在地鐵隧道超前地質預報中的具體應用，為地鐵隧道超前預報工作提供了方法。

隧道，地質雷達，超前地質預報，掌子面

0 引言

隨著我國城市交通擁堵問題愈發顯著，城市軌道交通的修建是當下經濟發展的需要。在地鐵隧道施工過程中，由于勘察設計的局限性和隧洞圍巖地質條件的復雜多變性，致使隧道掘進過程中局部經常出現塌方、突泥突水等地質災害，導致工期延誤，人員傷亡，造成經濟損失。因此，在施工過程中對掌子面前方地質情況進行及時的超前預報是十分重要的[1]。

地質雷達(GPR)是一種較新的地球物理勘探方法，具有操作簡易、便于攜帶、掃描速度快、分辨率高和圖像直觀等諸多優點[2]。近年來，煤炭科學研究院、鐵二院、高等院校等科研機構在地質雷達技術方面做了大量的試驗和研究，在理論研究、模擬實驗、設備開發制造等方面取得了大量的成果[3]，工程應用方面也積累了大量數據和圖像分析經驗。本文主要介紹地質雷達的探測原理、預報方法和在徐州城市快速軌道交通2號線一期工程地下市政工程第11標段隧道超前預報中的應用。

1 地質雷達探測原理

地質雷達利用超高頻窄脈沖電磁波探測介質分布的一種地球物理勘探儀器，其工作原理是發射天線向隧道掌子面前方發射高頻寬頻帶電磁波，在電磁波向掌子面前方傳播的過程中，遇到不同的電介介質分界面時，電磁波一部分便發生反射，由接收天線接收反射波，另一部分發生折射透過界面繼續傳播，在更深處發生反射與折射，直至電磁波的能量完全被吸收(如圖1所示)。電磁波在介質界面產生反射是因為兩側介質的介電常數不同， 差異越大反射信號越強烈，反之反射信號越差。在對地質雷達數據進行處理和分析的基礎上，可獲得雷達探測圖像，以此來推斷掌子面前方異常目標體的分布狀況，從而實現超前地質預報的目的[4]。

在實際探測中，雷達探測參數的選取十分重要。其有助于避開干擾信號，便于后期數據處理、解譯和圖像判定。主要的雷達參數包括介電常數、波速、時窗長度等。

1.1 波速確定

雷達電磁波在掌子面前方巖體中的傳播速度的準確性直接影響著異常體空間的具體位置的判定。電磁波在介質中的傳播速度可由式(1)計算所得：

(1)

式中：c——電磁波在真空中的傳播速度；εr——介質的相對介電常數；μr——介質的相對磁導率(通常可以忽略其變化，即μr≈1)。

由式(1)可知，在隧道超前地質預報中，為準確判定異常體距離掌子面的空間位置，對圍巖介電常數設定顯得尤為重要。在實際工程中需要綜合考慮掌子面巖體的情況，設定掌子面巖體的介電常數。

1.2 天線中心頻率

天線中心頻率的選擇需要兼顧目標體深度、目標體最小尺寸以及天線尺寸是否適合場地要求。中心頻率fc可表示為：

(2)

式中：x——空間分辨率，m；εr——相對介電常數。

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。

1.3 時窗長度

時窗w是數據采集開始到結束的歷程值。時窗的選擇也就確定了電磁波向前傳播的最遠距離，其公式如下：

(3)

式中：dmax——最大探測深度，m；v——電磁波在介質中的傳播速度，m/ns。

由式(3)可知，最大探測深度和電磁波的速度是時窗選擇的決定性因素。

1.4 采樣間距

根據Nyquist定律，測點間隔nx應為圍巖中子波的1/4波長，以保證目標體的反射波在空間上不重疊[5]。公式如下：

(4)

2 工程實例分析

2.1 工程概況

徐州市軌道交通2號線一期工程第11標段隧道，區間主體均采用礦山法施工，結構采用復合式襯砌結構。至2016年10月，左線小里程方向上臺階已施工至K17+331.5、下臺階施工至K17+336.5，在掌子面噴漿過程中，上臺階右下角出現突泥現象，突泥量約為1.0 m3，且伴隨有線狀出水情況。

掌子面情況如圖2所示，掌子面以石灰巖為主。

1)上臺階：中～左半部分裂隙較發育，且夾泥明顯；右側掌子面頂部呈線狀滴水，右下角有一突泥口，并伴隨有滲水情況，突泥量在持續增加，截至2016年10月15日突泥量約為1.0 m3；

2)下臺階：圍巖較完整，呈大塊狀發育，局部裂隙發育，部分裂隙夾泥、滲水。

2.2 地質雷達儀器及測線布置

此次探測采用美國SIR-3000便攜式地質雷達，具有儀器輕便，自動化程度高，探測速度快，分辨率高的特點。結合現場施工環境、地質條件及探測精度要求，采用400 MHz和100 MHz屏蔽天線(如圖3所示)。由于掌子面寬度較小，且掌子面圍巖表面具有一定的起伏，因此采用時間觸發模式。

掌子面測線布置如圖4所示，總共布置了17條測線。測線1～測線3緊貼右側一開挖斜面，朝向掌子面右前方約30°；測線4，測線5朝向掌子面左前方30°；測線6朝向掌子面右前方約30°；其他測線探測方向垂直于測線表面。

此次探測重點在于確定掌子面前方突/夾泥范圍，上臺階使用400 MHz屏蔽天線,下臺階使用100 MHz天線，雷達掃描參數如表1所示。

表1 地質雷達探測參數

2.3 地質雷達圖像分析

運用Randan 7.0地質雷達處理軟件對采集數據進行后期處理分析，限于篇幅，主要典型圖像解譯如下所述:

圖5為測線3地質雷達探測剖面圖。從圖5中可知：豎直0 m～1.35 m，深0.35 m～0.6 m范圍內，圍巖存在一道電磁波反射面，反射波波幅較大，同相軸連續，推斷該區域為裂隙夾泥層，且富水性較強；豎直0.3 m～0.85 m，深1.0 m～2.0 m存在一連續正反射波，推斷為夾泥裂隙界面發育；豎直0.15 m～0.70 m，1.30 m～1.60 m，深3.2 m～4.5 m范圍內，圍巖存在明顯電磁波反射，反射波幅較強，局部同相軸連續，推斷該區域為圍巖裂隙發育區，且夾泥充水可能性較大。

測線4豎直0 m～1.05 m、深1.2 m～2.8 m范圍內，圍巖存在多道電磁波反射，且以正波為主，局部同相軸連續，推斷為圍巖裂隙發育區，且裂隙夾泥/充水；其他部分區域存在單道正反射電磁波，推斷為局部夾泥裂隙發育(見圖6)。

測線8豎直0 m～0.20 m、深1.2 m～3.6 m和豎直0.7 m～1.2 m、深2.6 m～4.6 m范圍內，存在多道電磁波反射，反射波同相軸連續、反射波波幅較強，且呈正負反射交替情況，推斷為圍巖裂隙發育區，且裂隙夾泥或富水(見圖7)。

測線10水平0 m～1.4 m、深3.0 m～3.8 m以及水平0 m～0.9 m、深5.4 m～6.2 m范圍內存在兩道明顯電磁波反射，反射波波幅較強、同相軸連續，推斷圍巖裂隙較發育，有較大可能性存在夾泥，且富水性較強(見圖8)。

測線12探測方向0.4 m～1.3 m、深3.2 m～5.8 m范圍內，存在少量電磁波反射，且反射波呈簇狀分布、波幅較小，推斷為局部圍巖較破碎區(見圖9)。

測線15水平0 m～0.70 m、深1.8 m～2.0 m以及水平0 m～0.40 m、深4.6 m～5.2 m范圍內，存在兩道明顯電磁波反射，反射波振幅較大、局部同相軸連續，推斷圍巖裂隙發育區；水平1.45 m～1.75 m、深2.6 m～5.6 m范圍內，存在明顯正負交替電磁波反射，反射波振幅較大，推斷該區域圍巖較破碎(見圖10)。

測線17水平0 m～0.3 m、深6.0 m～16.0 m存在多道強正反射電磁波，推斷為圍巖裂隙發育；水平0.6 m～3.0 m、深5.2 m～12.0 m范圍存在明顯正電磁波反射，反射波同相軸連續，推斷為圍巖裂隙發育區；水平4.6 m～5.4 m、深1.0 m～4.0 m以及水平3.4 m～5.0 m、深6.0 m～8.0 m范圍內，存在正負交替電磁波反射，反射波振幅較大、同相軸連續，推斷該區域圍巖裂隙較發育，存在裂隙夾泥，且富水性較強(見圖11)。

2.4 探測結果綜合結論

根據各測線探測異常區位置情況可知，K17+331.5掌子面前方存在4處主要異常地質區，表現為破碎、夾泥或充水，可能的賦存位置如圖12所示，各異常區具體情況為：

1)異常區1。

上臺階掌子面右側前方0.4 m～0.5 m為巖層夾泥帶，夾泥厚度約為0.2 m～0.4 m；前方2.0 m～6.0 m范圍存在裂隙發育區，且裂隙夾泥或充水；

2)異常區2。

掌子面中部偏右0.8 m位置、深1.0 m～3.0 m為圍巖破碎區，裂隙夾泥或富水；

3)異常區3。

掌子面靠左邊墻水平0 m～2.0 m、深2.0 m～6.0 m圍巖破

碎、局部夾泥或富水；

4)異常區4。

下臺階掌子面中部前方1.0 m～3.0 m圍巖破碎區，且圍巖夾泥、富水。

3 結論及建議

1)對地質雷達應用于地鐵隧道超預報的技術問題進行了具體分析，為今后地質雷達在地鐵隧道中的應用提供了參考。

2)探測結果表明：掌子面前方存在多處破碎區發育，且上臺階右側底角處已發生突泥情況，且后續開挖過程中仍存在多處夾泥或富水破碎區，在掌子面開挖后需盡早施加初期支護，以防圍巖坍塌冒頂。

3)在地鐵隧道施工過程中，根據工程的實際情況設置雷達探測參數，并結合雷達探測結果、隧道掌子面情況和區域地質情況對雷達圖像進行綜合分析，有效預報是可行的，在很大程度上消除了施工的盲目性，對保證地鐵隧道安全施工具有重要的指導意義。

[1] 劉錄剛.超前地質預報在雁門關隧道施工中的綜合應用[J].西部探礦工程,2004(7)：111-113.

[2] 李大心.探地雷達方法與應用[M].北京：地質出版社，1994.

[3] 王齊仁.隧道地質災害超前探測方法研究[D].長沙：中南大學，2007.

[4] 孫計同.探地雷達技術在青島地鐵隧道超前地質預報中的應用研究[D].青島：中國海洋大學，2012.

[5] 張明臣.地質雷達在寒區隧道襯砌質量檢測中的應用[J].現代隧道技術，2016(2)：187-192.

Study on GPR in subway tunnel geological forecast

Fan Jiajun

(ChinaRailway3rdSurvey&DesignInstituteGroupCo.,Ltd,Tianjin300251,China)

Starting from aspects of wave speed determination, antenna center frequency, time window length and sampling interval, the thesis introduces geological radar detecting principles, and describes its specific application in subway tunnel advanced geology forecast, which has provided some guidance for subway tunnel advanced geology forecast.

tunnel, geological radar, advanced geology forecast, tunnel face

1009-6825(2017)02-0191-03

2016-11-01

范佳俊(1990- )，男，助理工程師

U456.33

A