地質雷達探測技術在隧道進口段超前探測中的應用

尚本峰，李永輝，浦少云

(1.貴州大學 國土資源部喀斯特環境與地質災害防治重點實驗室，貴陽 550025；2.貴州大學 土木工程學院，貴陽 550025)

近年來，隨著我國基礎設施建設投入不斷增大，全國各地的高速鐵路、公路和地鐵建設進入一個新的時期。相應地，隧道的修建與日俱增。在隧道開挖過程中，由于地質條件的復雜性，如穿過采空區、巖溶區、軟弱破碎帶等[1]，若事先未能探查清楚往往容易發生塌方、涌水等災害性事件，不僅會影響施工進度、增加隧道建設成本，甚至會給施工單位帶來隧道施工安全等方面的隱患。因此，利用有效物探方法對隧道地質情況進行超前預報十分必要。目前，超前地質預報常用方法有地質分析預報法、隧道地質超前預報系統(TSP)、探地雷達(Ground penetrating Radar，簡稱 GPR)、瞬變電磁法、BEAM法等[2]。

從近些年國內外探地雷達的應用和發展情況來看，地質雷達技術在工程檢測中的應用效果不錯，前景也非常廣闊，同時考慮到地質雷達設備簡單、測量快速、精度高、抗干擾能力強，因此采用地質雷達對隧道進口段區域進行超前預報是本文的首選方法[3]。

1 地質雷達原理及參數

1.1 地質雷達工作原理

現場測試方法為電磁波反射法，采用設備為地質雷達。

地質雷達是采用無線電波檢測地下介質分布和對不可見目標體或地下界面進行掃描，以確定其內部結構形態或位置的電磁技術[4]。其工作原理為：高頻電磁波以寬頻帶脈沖形式，通過發射天線被定向發射，經存在電性差異的目標體反射或透射，由接收天線所接收，見圖1。

圖1 地質雷達探測原理圖Fig.1 Principle of geology prediction by geo-radar

電磁波的傳播取決于物體的電性，物體的電性中有電導率μ和介電常數ε，前者主要影響電磁波的穿透(探測)深度，后者決定電磁波在該物體中的傳播速度，所謂電性界面也就是電磁波傳播的速度界面。不同地質體(物體)具有不同的電性，因此在不同電性地質體的分界面上，都會形成電性界面，雷達信號傳播到電性界面時產生反射信號返回地面，通過接收反射信號到達地面的時間就可以推測地下介質的變化情況。

高頻電磁波在介質中傳播時，其路徑、電磁場強度與波形將隨所通過介質的電性特征及幾何形態而變化。通過主機記錄下反射波到達的時間、相位、振幅、波長等特征，再通過信號疊加放大、濾波降噪、圖像合成等數據加工處理手段，形成地下斷面的掃描圖像[5]。反射波波形的正負峰分別以黑白表示，或者以灰階或者彩色表示。這樣，同相軸或等灰線、等色線即可形象地表征出地下反射面或目標體。在波形圖上各測點均以測線的鉛錘方向記錄波形，構成雷達剖面[6]。通過對波形的分析，就可以確定地下界面或目標體的空間位置或結構狀態。

電磁波在相同介質中的傳播速度V是不變的[7]，因此根據探地雷達記錄上的地面反射波與地下反射波的時間差T，即可計算出地下異常體的埋藏深度H，公式如下：

H=V·T/2

(1)

式中：V為電磁波在地下介質中的傳播速度，其大小由式(2)表示：

(2)

式中：C為電磁波在大氣中的傳播速度，約為3×108m/s[7]；ε為相對介電常數，取決于地下各層構成物質的介電常數。

1.2 地質雷達系統

本文采用美國GSSI-3000型地質雷達，雷達主要采用高頻、寬頻帶、短脈沖和高速采樣技術，儀器配置包括主機、發射機、接收機、天線、計算機和電池包。該機主要技術指標如下：

1) 主機。

量程:50～2 975 ns

發射脈沖重復頻率:115 kHz

掃描速度:56次/s

采樣:128,256,512/s

增益控制范圍:0～80 dB

動態范圍:128 dB

濾波:用戶可選

檢測模式:連續

轉換:16位

數據傳輸:以太網接口

輸入電源:12 V

充電電池,10.5～13 V

電池容量:6.5 Ah

消耗電流:0.7 A

尺寸:35 cm×30 cm×5.5 cm

重量:3.0 kg

2) 天線。測試采用100 MHz屏蔽天線。

類型:藕極，空氣耦合

發射器輸出:200 V

接收器敏感性:50 mV

探測深度:10 m(75M)

尺寸:95 cm×12 cm×4 cm

重量:2～7 kg

3) 軟件。采集與分析軟件為同一軟件包，與本探測儀器系統配套。

2 工程實例

2.1 工程地質條件

區域構造線方向與地層總體走向一致，均為北北東向，地層傾向北西，傾角平緩，一般5°～15°。隧道區構造主要受印支運動、燕山運動的影響，形成近東西向的背向斜、斷層和北北東向的斷層和褶曲構造。

由于隧道施工區域的地質復雜性,查明隧道掌子面前方巖層的裂隙、巖溶、斷層等不良地質因素,對隧道進行超前地質預報則顯得尤為必要。本次探測的主要目的是：探測隧道進口段DK242+039～DK242+079范圍內地表至隧道正洞的不良地質體情況，為安全施工提供依據。

2.2 采集信號時注意事項

1) 進行掌子面探測時,要盡量保持掌子面的平整,以保證天線在移動過程中能勻速移動并能貼緊掌子面，否則容易造成采集信號的異常。

2) 在采集過程中，要及時記錄環境中的干擾信號,如金屬管件、臺車等的反射信號。如不參考現場記錄，則很容易將其判斷為地質異常體。在記錄過程中,要記錄干擾物的性質及其與測線的位置關系,以便分析。

3) 天線移動過程中要及時打碼,并且標記位置準確。

2.3 測線布置

在皇后嶺隧道進口DK242+03～DK242+079段地表布置3條測線，測線1位于正洞中線左側約3 m，測線2位于隧道中線，測線3位于正洞中線右側約3 m。圖2為地質雷達測線布置圖。

圖2 地質雷達測線布置圖Fig.2 Line of geology prediction by geo-radar

2.4 數據處理

探測的雷達圖形常以脈沖反射波波形的形式記錄。由于隧道內巖體構成的復雜性及各種介質對電磁波反射和吸收程度的差異,同時受到外界的各種干擾,使得接收天線接收到的雷達波后,振幅降低、波形雜亂,難以直接從圖像識別巖體的構成,所以要對接收到的信號進行適當處理。圖像處理包括增益調節、濾波處理以及反卷積處理等[8]，對數據文件進行預處理之后，最終得到各測線的成果圖，并據此進行探測對象的地質判斷。

2.5 探測結果分析

皇后嶺隧道進口DK242+039～DK242+079段地表探測分析成果圖見圖3～圖5。

從圖3～圖5的地質雷達剖面圖可知，在DK242+039～DK242+079范圍內局部存在異常區域，分析如下：

在有效測試范圍深度內，雷達反射波反射較強且雜亂，部分區域有異常反射波，其中：

右線：DK242+039～DK242+049測線，路面，積水，距拱頂4.6 m。深2～5 m及深10 m以下反射較強烈，推測為巖體破碎。

DK242+039～DK242+049測線，地臺1，距拱頂8.1 m。DK242+049～DK242+051.5深8～15 m，DK242+56.5～DK242+60.5深14 m附近反射強烈，推測為巖土體軟弱破碎；DK242+049～DK242+059深8 m附近，DK242+63～DK242+69深9.5 m附近有異常界面反射，推測為巖土體軟弱破碎。

圖3 測線1地質雷達剖面圖Fig.3 Profile of geology prediction by line 1 geo-radar

圖4 測線2地質雷達剖面圖Fig.4 Profile of geology prediction by line 2 geo-radar

圖5 測線3地質雷達剖面Fig.5 Profile of geology prediction by line 3 geo-radar

中線：DK242+039～DK242+049測線，路面，積水，距拱頂4.6 m。深3～17 m無較大異常反射，17 m以下反射較強烈且雜亂，推測該段巖體破碎。

DK242+049～DK242+069測線，地臺1，距拱頂8.1 m。DK242+049～DK242+051.5深8～9 m有界面反射，推測為軟弱夾層發育，10 m以下反射較強烈且雜亂，推測該段巖體破碎。

DK242+069～DK242+079測線，地臺2，距拱頂8.1 m。深12.5～17.5附近有界面反射，推測為巖性分界面。

左線：DK242+039～DK242+049測線，路面，積水，距拱頂4.6 m。深3～17 m無較大異常反射，10 m以下反射較強烈且雜亂，推測該段巖體破碎。

DK242+049～DK242+059測線，地臺1，距拱頂8.1 m。DK242+049～DK242+051深8～9 m有界面反射，推測為軟弱夾層發育，10 m以下反射較強烈且雜亂，推測該段巖體破碎。

DK242+059～DK242+079測線，地臺2，距拱頂10.1 m。DK242+059～DK242+065深12.5 m以下反射強烈且雜亂，推測該段巖體破碎。

2.6 建議措施

在進行DK242+039～DK242+079范圍內的圍巖施工時，為了保障隧道開挖安全施工，特提出以下建議：

1) 堅持貫徹“短進尺、弱爆破、勤量測、早封閉”的原則，合理組織施工，注意拱頂掉塊、坍塌，做好排險、防護工作。

2) 該測段開挖后，應及時施作支護措施，盡量減少圍巖的暴露時間，以保護圍巖的自承能力。

3) 在軟弱破碎洞段建議適當加強支護措施。

4) 注意施作加深炮孔探測，結合超前地質預報資料，進一步確定前方圍巖及地下水發育情況，以確保施工安全。

3 結 論

在皇后嶺隧道進口段地質雷達探測的應用對安全施工是非常有指導意義的。通過實際開挖情況對比也證明地質雷達探測是比較準確的，地質雷達能較好的對地質情況做定性的判斷，并且從現場施作情況來看地質雷達探測具有對施工干擾小、現場要求低的優點。目前，地質雷達探測是一種正在發展中的預測方法，它受技術人員的技術水平及現場施作環境影響較大，仍需要在實踐中不斷改進、提高，以便有效地為現場施工及安全提供可靠的依據和保證。