地質雷達在公路隧道超前地質預報中的應用

趙俊杰，李 妮

(1.山西省交通建設工程質量檢測中心(有限公司)，山西 太原 030032；2.晉能集團晉華宮礦，山西 大同 037000)

1 地質雷達技術的超前地質預報基本原理

在隧道工程建設中，隧道掌子面前方的圍巖情況十分復雜，時常遇到不良地質體，如巖溶發育、斷層破碎和地下水資源富集等，可能會使隧道產生突泥突水、坍塌及巖爆等災害。對此，隧道工程建設初期，通常都會開展地質勘察工作，然而，由于受到成本、條件和技術等方面的限制或影響，地勘結果可能和實際狀況存在明顯偏差。由此可見，在隧道工程建設中開展超前地質預報工作是十分重要且必要的。就目前來看，對基于地質雷達技術的超前地質預報工作進行的研究有很多，比如對典型地質現象雷達圖像和現場實際情況實施對比，取得了顯著的成果，但對圖像振幅、頻率和地質情況之間的關系的分析還有待于進一步深入，怎樣根據波形圖對地質現象進行識別還需要進行完善。

地質雷達是由發射天線向介質持續發射高頻電磁波，如果發射出去的電磁波遇到在電性上存在明顯差別的界面，則會產生折射與反射，并且介質本身也會對電磁波進行散射、吸收與濾波，此時利用接收天線對反射波進行接收與記錄，并借助專門的處理軟件開展數據信息處理，以處理之后的圖像為依據，并結合現有的工程地質報告和各類地球物理特征等完成推斷解釋，最終對掌子面前方地質情況進行準確預測。

2 地質雷達技術的超前地質預報方法和步驟

2.1 前期準備

在正式采用地質雷達技術開展探測工作之前，應先對探測場地實施全面清理，使掌子面盡可能保持平整，同時確保周邊環境對探測的正常開展是有利的，然后對地質雷達設備進行安裝與連接，并對其功能進行相應的調試，以保證各項功能使用正常。做好前期準備工作是確保地質雷達預報工作順利完成，并取得理想的探測結果的關鍵，必須引起相關人員的高度重視，按照相關規定完成各項準備工作。

2.2 測線布置

在確認現場檢測環境達到良好，同時地質雷達的各項功能均保持正常狀態以后，方可開始測線布置工作。對于測線布置，其方式可謂多種多樣，但必須嚴格遵循可以探測掌子面前方開挖斷面實際地質情況的基本原則，通常在沒有特殊規定的情況下采用十字形的測線布置方式，也就是將隧道的拱頂作為中心，然后在橫向與豎向分別布置測線；此外還可以采用類似于等號的測線布置方式，按照從左到右和從右到左的方向分別布置測線。無論采用何種測線布置方式，都要注意在圍巖條件相對較差的地方對測線予以適當加密處理，確保測線布置滿足探測基本要求，保證探測結果的全面性和真實性，為之后的地質超前預報奠定良好基礎。

2.3 數據采集

在完成了各項前期準備工作并將測線布置完成且通過檢查合格后，方可開始數據采集，在實際的數據采集過程中，雷達信號主要有三種觸發方式：第一種為測距輪方式，該方式要求掌子面必須保持光滑和平整，確保測距輪能在掌子面上自由滾動；第二種為時間觸發方式，即數據采集系統以一定時間間隔自動發出電磁波，同時對發出的電磁波的反射信號進行采集；第三種為點觸發方式，即利用電腦鍵盤生成并發送指令，在數據采集系統接收到指令后，工作人員每操作一次鍵盤雷達天線即向外發射一次電磁波，并采集一次電磁波反射后的數據，之后按照固定的間隔距離對屏蔽天線進行移動，采用相同的方式再次采集數據。該方式適合開挖掌子面平整度較差且不容易處理的情況。數據采集方式的選擇一方面要明確不同采集方式的特點和性質，然后充分考慮現場實際情況，保證所選數據采集方式的適宜性對數據采集準確性和流暢性有重要作用。

2.4 參數選取

根據以往工作經驗，地質雷達以由IDS公司研發的RIS-K2型最為常用，其主要參數包括：(1)天線頻率為80 mHz；(2)點之間的距離為0.10 m；(3)采樣點數為1 024；(4)時窗為600 ns。具體的疊加次數、記錄時間和采樣頻率等均可根據隧道實際情況進行調整，并在超前地質預報工作開展初期予以標定。

2.5 數據處理與解譯

在數據采集結束后，應立即對采集到的數據予以后處理，常用的處理軟件為Reflexw，數據后處理步驟為：(1)減平均值，并去除偏移的信號；(2)靜校正；(3)去除水平信號并進行背景去噪；(4)增益；第五步為帶通濾波；(5)去除毛刺噪聲，并取滑動平均。

由于地質雷達技術的應用已經達到比較普遍的程度，所以為基于地質雷達的圖像解譯工作提供了一些寶貴經驗。然而，考慮到不同隧道工程的地質情況不盡相同，而且往往隧道中的地質情況十分復雜，所以只從雷達波形這一個角度對隧道圍巖進行解譯往往是不準確的，需要充分結合現場觀察結果、現有地勘資料和圖像解譯三者進行分析，以此提高解譯與預報結果的準確性。圖像解譯實際上是對完成后處理的波形圖實施深入分析與解讀，需判斷的參數包括波形、波速、振幅、振頻與相位變化，此外還應確定同相軸是否保持連續和電磁波能量實際吸收狀況。

2.6 開挖驗證

將隧道開挖至之前地質預報的里程后，需要對之前得到的圖像解譯結果予以驗證，具體的驗證方法為對比預測結果和現場開挖后的各項地質情況，這實際上是一個不斷累積相關經驗的過程。如果預測的結果和現場開挖后的情況基本相符，則說明基于地質雷達技術的超前地質預報方法合理可行，能實現對隧道開挖掌子面之前地質情況的準確預報，為下一步的開挖施工提供可靠參考依據，之后的施工都可以運用這一方法。

3 結 語

綜上所述，在隧道工程超前地質預報工作中引入地質雷達是一種先進可行的做法，能在順利完成地質預報的基礎上，保證預測結果的真實性與完整性。基于地質雷達的隧道超前地質預報工作需嚴格按照前期準備、測線布置、數據采集、參數選取、數據處理與解釋、開挖驗證的步驟進行，并在實際工作中加強管控，保證探測過程順利完成和探測結果的真實性與準確性，為之后的預測預報奠定良好基礎。