地質雷達在平頂山隧道超前地質預報中的應用

董昌帥 葛顏慧 劉友博

(山東交通學院，山東 濟南 250357)

1 概述

隨著國家大力倡導基礎設施建設，越來越多的隧道工程進入規劃建設。然而在建設過程中由于地質情況的復雜多變，因隧道建設范圍內地質資料掌握不足而導致的安全事故時有發生。如“6·21臨滄隧道突泥涌水事故”“9·14西雙版納隧道坍塌事故”等[1]。

上述一系列事故充分說明了在隧道施工過程中，準確、及時、有效的超前地質預報工作，對避免重大地質災害，保證隧道施工安全起著不可替代的作用[2]。目前，常用的超前地質預報方法有:地質雷達法、TSP法、TRT法等[3]。其中地質雷達法具有效率高、精度高、抗干擾、操作便捷等優點[4]，在短距離精確探測中得到了廣泛應用。本文以平頂山隧道為工程背景，對超前地質預報進行了介紹。

2 實際應用

2.1 工程概況

平頂山隧道位于山東省煙臺市境內，設計為分離式隧道。隧址范圍內圍巖主要為下元古界粉子山群崗崳組云母片巖，風化程度包括全風化～未風化，風化深度大。

隧址區分布有三條構造破碎帶及三塊風化破碎區，三條構造破碎帶均對隧道構成不利影響。三塊風化破碎區主要分布在隧道進口，其中兩塊對隧道造成了不利影響。隧址區主要發育兩組構造節理，其中第二組對隧道的穩定性造成不利影響。隧址區的主要地下水為基巖風化裂隙水，該含水層分布于整個工作區。

故隧道超前地質預報的主要內容是正確分辨出破碎帶、破碎區的范圍及不同巖性的接觸帶、同一巖性的風化程度和涌水問題等。限于篇幅，本文僅介紹平頂山北線BK1+028的地質雷達探測情況。

2.2 地質雷達探測方法及結果分析

2.2.1參數選擇

為了達到預報的最好效果，準確預測掌子面前方地質，在進行超前地質預報時采用近距離較微觀的預報方式。采用儀器為美國勞雷公司最新的SIR4000型地質雷達，并把隧道的每次探測深度定為30 m，且前后搭接5 m，測試結果當天反饋，以便快速指導施工。具體地質雷達參數設置見表1。

表1 采樣參數設置

2.2.2測線布置

在進行超前地質預報時，由于開挖方法的不同，測線的布置靈活多樣。一般沿掌子面的豎直、水平方向布置。由于平頂山隧道出口采用臺階法施工，根據實際情況，在掌子面布置1測回，2條測線，具體布置見圖1。

2.2.3采集數據

數據的采集選用時間模式，時間模式是在數據采集時，系統在每一秒鐘記錄定量的掃描信息，其數據密度依賴于天線在掌子面上的移動速度。數據采集時由2個人將100 MHz天線豎立貼近掌子面，并按布置好的測線沿掌子面勻速前進，在每條測線的開始和結束打一條標記用以區分測線的位置。

2.2.4結果分析

完成現場采集后，后續數據采用專業分析軟件RADAN7對雷達信號進行分析處理。在測試資料的解釋中首先要通過RADAN7對現場測試的雷達圖像進行編輯數據塊、距離歸一化、濾波、偏移歸位、反褶積、希爾伯特變換等一系列后處理，然后對圖像中異常的形態、特征及電磁波的衰減情況進行解釋。反射信號強則說明前方存在異常的形態和特征，電磁波衰減則說明前方圍巖質量較差當圍巖較破碎或含水率較大時對電磁波的吸收較強,衰減較快[5]。

由于隧道內地質情況錯綜復雜,為了提高地質預報的準確度減少誤判，在進行地質預報的結果分析中不能只考慮采集到的數據，還要結合掌子面的地質狀況、地質勘探資料以及區域地質狀況進行綜合判斷。縱觀本次平頂山隧道北線BK1+028地質雷達圖像，結合相應的地質分析，在測線長度和探測深度范圍內，可得如下結論：本次預報范圍內圍巖屬強風化云母片巖，巖體破碎主要呈碎塊狀，雷達電磁波反射界面較強，結合掌子面圍巖情況，推斷掌子面前方圍巖破碎，裂隙發育，圍巖完整性差，穩定性差，地下水不發育，其中BK1+016～BK1+012附近節理裂隙極發育，巖體破碎，施工時應特別注意。在之后的開挖過程中，證實了預報結果與實際情況基本吻合。其中圖2,圖3為BK1+028處測線1和測線2的地質雷達探測成果圖。

3 地質雷達預報效果的影響因素

1)在原始數據采集過程中，由于隧道掌子面爆破后清渣不干凈凹凸不平，在探測過程中天線與掌子面貼合不夠緊密，可能會造成探測圖像的偏差，從而導致在對圖像進行解釋時無法準確定位不良地質體的位置，造成結果不能實際反映真實地質情況。

2)在原始數據采集過程中，隨身攜帶的手機、對講機，或隧道臺車、挖掘機就在采集工作面附近，這些因素的出現很可能會產生干擾信號，使形成的圖像雜亂無章，從而導致無法辨識有效信號，降低了原始數據的有效性和可靠性。

3)由于參與人員缺乏相應的知識，在不考慮實際的情況下，僅僅照本宣科按默認內置參數進行數據的采集和處理，可能會造成預報結果不真實或有效性大大降低，甚至造成錯報。

4 結語

地質雷達作為一種高效、便捷且快速的超前地質預報手段，對探明掌子面前方不良地質體如斷層、含水帶、裂隙破碎帶、溶洞等的分布狀況有良好的效果，且能夠做到當天預報，當天出結果，是及時指導施工、保證隧道安全的關鍵所在。

為了增加超前地質預報的精確度，在進行數據采集時要盡量減少外界的干擾，并根據實際情況合理選擇儀器的參數，在數據處理時要正確使用分析軟件,并在解釋過程中要結合隧道掌子面描述[6]，進行反復的研究，從而提高量化處理的水平得到有效、精確的預報結論。