基于山嶺隧道地質雷達法的研究

聶田　姚文勝

摘要：隨著我國交通事業的飛速發展，山嶺隧道已經成為基礎建設的重要環節。由于隧道地質條件的復雜多變，前期勘察設計方法、準確性受到種種限制，導致巖溶、斷層、破碎帶等不良地質帶造成的隧道塌方、涌水、突泥災害事故頻發。超前地質預報不僅可以優化設計、指導施工，還能降低施工風險、避免災害發生。通過結合山頭頂隧道的具體實例，分析了隧道超前地質預報地質雷達法的探測原理和探測結果，為今后地質雷達法探測隧道地質預防災害事故發生積累了經驗。

Abstract： With the rapid development of China's transportation industry， mountain tunnels have become an important part of infrastructure construction. Due to the complex and varied geological conditions of the tunnel， the methods and accuracy of the preliminary survey and design were subject to various restrictions， resulting in frequent occurrence of tunnel collapse， gushing water and mud disasters caused by unfavorable geological belts such as karst， faults， and fracture zones. Advance geological prediction can not only optimize design and guide construction， but also reduce construction risks and avoid disasters. By combining the specific examples of the Donghua tunnel， the detection principle and detection results of the Geological Radar method for geological prediction of the tunnel are analyzed， and the experience of geological disaster prevention accidents in the geological radar detection tunnel is accumulated.

關鍵詞：超前地質預報;地質雷達;不良地質

Key words： advanced geological prediction;geological radar;bad geological

中圖分類號：U452.1+1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2019）28-0189-03

1? 地質雷達探測原理

地質雷達探測法（ground penetrating radar簡稱GPS）是一種利用波的反射原理的無損檢測技術。地質雷達系統主要包括雷達天線（集發射、接受信號于一體）、連接線、筆記本計算機等設備。（見圖1）電磁波在通過不同介面時會發生反射，由于介質的導電性、介電常數的差異性，波的路徑、電磁波場強度以及波形也會發生變化。根據雷達天線接收回的電磁波特征，既波的旅行時間、幅度、頻率和波形等信息，通過雷達軟件濾波變換，傅立葉變換，強制增益變化等后處理手段得到波的時間深度圖像，推斷掌子面前方一定范圍內地層的形狀和性質。預報的距離根據圍巖等級和復雜性綜合判定，當巖體較完整的情況下，預報距離可達30m;在巖溶發育地段或者圍巖較破碎的條件下，為保證探測準確性，預報距離一般不超過10m;連續預報時兩次重疊長度應大于5m。

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計算方法：

通過多次理論研究與實踐證明，當已知波在介質中傳播的波速v，讀取雷達剖面上波的旅行時間可以確定界面深度z 值。電磁波在物體或介質中的傳播速度v、波的旅行時間t、界面深度z關系見式（1）：

2? 工程實例

2.1 工程概況

山頭頂隧道位于福建省尤溪縣山頭頂隧道境內，最大埋深 173m，進口均為削竹式洞門，出口均為端墻式洞門。隧道左線起迄樁號Z1K138+199.294～Z1K139+048，長848.706m;右線起迄樁號YK138+172.207～YK139+035，長862.793m，為雙洞分離式隧道。

山頭頂隧道區上覆第四系土層主要坡殘積層（Qe1+d1），下伏基巖為前震旦系稻溪組（Zdx2）變質巖，變質巖以石英片巖為主，隧道進出口變質程度稍有不同，進口及洞段以青灰色深變質石英片巖為主，巖芯見片理化，細小褶皺發育，出口段以淺黃色片巖為主，變質程度稍淺，巖石具片理化，局部中層狀層理明顯。根據現場地質情況調查，出口左洞樁號ZK138+332的掌子面圍巖主要為全-強風化變質石英巖，屬于較軟巖，巖體破碎，層間結合較差，呈碎塊狀松散結構，圍巖穩定性較差，洞內呈點滴狀出水。初步定性判定圍巖等級為Ⅴ級。

2.2 數據采集

本次探測對隧道出口左洞進行了超前地質預報，采用GSSI公司生產SIR-20地質雷達進行數據采集，配屬100MHZ的屏蔽天線進行了探測。本次探測范圍為出口左洞ZK138+332～ZK138+357，有效探測距離為25m。測線主要布置ZK140+332掌子面拱腰（H2）和拱腳（H1），測量方式為連續測量，掌子面測線具體布置圖見圖2。

2.3 結果分析

通過對收集到的原始數據進行處理濾波、增益、反褶積處理和偏移處理，消除背景及多次波的干擾，增強信號，提高了信噪比。根據波形、頻率、幅度等信息處理得到4地質雷達記錄圖（見圖4～圖5）。

根據掌子面地質條件和雷達波譜分析：有效預報距離為25m;掌子面前方的ZK138+332～ZK138+357段雷達反射圖整體上反射強烈，振幅相對增強，能量團分布較為均勻，同相軸彎曲錯段，同相軸間斷，波形雜亂。推測該段圍巖主要全-強風化變質石英巖，為較軟質巖，強度較低，巖體相對破碎，節理裂隙較發育，呈裂隙塊狀結構，含少量裂隙水。故綜合判定該段圍巖等級為Ⅴ級，與原設計相符。

3? 結論

①地質雷達法操作簡單，不影響施工，在長距離預報基礎上，能進一步探明掌子面前方的地層地質情況，探測精度高，結果準確。②地質雷達探測時天線應與掌子面完全耦合，避開測線附近的金屬物等電磁干擾，增強回波的信號強度。③野外收集的數據進行預處理和后處理，濾出無關波，消除背景干擾，降噪處理，得到清晰準確的時間-深度波形圖，提高探測準確性。

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