公路隧道超前地質預報中地質雷達的運用

魏成義

（中鐵科學研究院有限公司成都分公司，四川 成都 610000）

隨著科學技術的發展，交通事業發揮的重要作用愈加明顯，在近幾年中我國加大了對高速公路的建設工作，隧道是公路工程建設的重點，由于受到不同地質以及巖土巖性的變化等影響，因此隧道工程在施工時都會開展對隧道的超前地質預報以掌握掌子面前方的地質條件，這樣做的目的就是能夠保障隧道的正常施工，減少建設風險的發生。為了能夠更好地進行隧道的開挖，需要借助地質雷達等了解地質狀況，在進行超前的預報后能夠促進隧道順利施工，提升施工的效率。

1 地質雷達的基本原理

作為無損探測儀器，地質雷達用于確定地下介質分布的光譜技術，它主要借助電磁波脈沖進行工作，并且還根據地下傳播的原理，在發射天線T 后，能夠被地下的埋藏物反射，使用接收天線接收相關的反射信息，當這些信號在記錄下來后能夠顯示出成像圖[1]。工程人員能夠借助波形資料和相應的接受波幅度等，對介質的結構等進行推斷，實際上電磁波之所以能夠在介質界面上出現反射，其主要是因為兩側的介質常數有差異，其差異值越大，反射的信號也就變的越強烈，相反信號就會變得越來越差。

2 地質雷達預報技術類型

2.1 地質預報技術

雷達地質預報技術能夠確定預報長度，明確其長短，其與電磁波在巖體中傳播的特性有直接的關系。電磁波在傳播過程中能夠在完整性能較好地在巖體中傳播中直接射透，并且對于堅硬均勻的巖體具有透射能力強的特征，而電磁波的反射系數越大，接收到的準確信號也會增強，所預報長度也會出現適當放長的情況。在對隧道圍巖的基本特征進行剖析，最終所預報的長度很可能就在20 m～30 m。在選擇介電常數時，需要對圍巖介質介電常數進行優選，這也是比較關鍵的部分，能夠提升雷達地質預報結果的可靠性。巖體的介電常數在選擇時都是在5～8，在確定具體的數值時，還是要根據巖性進行有效的確定，圍巖的含水率也會對圍巖介質的介電常數產生重要的影響，在選擇時還會考慮到圍巖的含水率，在對其進行適合的調整和完善。相關人員借助雷達進行超前地質預報時，需要結合不同的測程，結合線測和點測的方式，或者線測、點測的方式，對這些方式進行對比分析后，得出不同的測試結果，在第一時間反映出圍巖發生不良地質的情況。針對一些圍巖完整性能較好的圍巖，其測程為700 ns，對于破碎的圍巖，測程相應的降低，即為300 ns。

2.2 探地雷達法預報技術的應用

探地雷達法預報技術是在隧道工作面的前方采用連續掃描電磁波反射曲線疊加進行傳播電磁波或者反射的一項技術，再根據所測出的反射脈沖波，對隧道面與反射面的距離進行有效的計算。電磁波還能夠有效識別水域存在的風險，其能力相對較強。因此，針對含水地區或處于斷裂帶的位置，施工人員可以選擇探測雷達方法，以對數據的精度開展有效計算，而對于短距離的隧道，應該慎重選擇這一方法，其主要是受到隧道施工設備的影響，所測出的結果會與實際出現較大偏差。

2.3 超前預報法

超前預報法主要是施工人員在施工之前在隧道中借助適當的炸藥，再將其作為震源之后，震源所產生的地震波在遇到一些比較差的地質時，就會發生反射波，這時施工人員再根據這一方法所提供的數據，如反射波方向、傳播速度、反射波的波形等反射波的時間等進行一一分析和計算，最后施工人員借助這些數據了解到當前地質的情況，并設計出隧道相關的圖片，對可能出現的問題展開預測和反復驗證。

超前預報方法的流程如下：1）相關人員做好提前的準備工作，提前收集好地質勘察的資料，并對原來的勘測成果等進行搜集，在研究中了解到隧道通過不良地質或者不同地層巖性的地段所展現出的規律，通過把握隧道所要穿過的高風險地段位置和長度、類型和特征后，能夠分析出勘察工作中存在的不足。2）對掌子面地質進行描述。對掌子面所處于的位置（樁號）進行了解，并對圍巖的巖性、圍巖的結構、圍巖的構造和圍巖的強度等進行掌握，同時還能夠對所處構造的部位、風化的程度和裂痕、是否發生漏水的情況、圍巖的穩定性和完整性等，能夠準確地推斷出掌子面的不良地質可能出現的風險，這些都是能夠成為超前地質預報提供資料，這些觀察數據也為之后開展預報工作提供了重要依據，找出探測工作的有效手段[2]。

3 案例分析

3.1 工程的主要概況

該預報的隧道工程名稱是：國家高速公路菏澤至寶雞聯絡線（G3511）陜西境旬邑至鳳翔高速公路工程TJ-8 標段老君頂隧道，設計速度80 km/h，雙向四車道，老君頂隧道是淺埋的隧道，隧道進口主要采用全斷面方法進行有效的施工。

3.2 工程的地質情況和水文的情況

工程地質情況和水文情況如下：1）老君頂隧道位于鳳翔縣黃土丘陵地區，屬中、低山地貌，剝蝕堆積地形，海拔 850 m～1060 m，相對切割為50 m～200 m，多數呈“V”字形，絕大部分丘陵、山坡已被開墾，坡面流水侵蝕強烈，黃土崩塌重力地貌發育，微地貌有黃土沖溝、塬梁、山脊、道路、梯田等。隧道進口地勢陡峻，坡角約65°，高差約70 m，為一灰巖陡坎，上覆厚層黃土，其上為農田；隧道出口地勢較陡，坡角約51°，黃土質斜坡，目前邊坡整體穩定，左洞軸線地面高程介于861.97 m～869.81 m，高差7.84 m（右線862.19 m～870.83 m，高差8.64 m），總體來看該區域地形較為簡單。2）地質情況。地層巖性根據地調與地質鉆探結合區域資料，揭示該區域主要地層：第四系雜填土（Q42ml）、第四系坡積亞黏土（Q41dl）、新黃土（Q3eol）、老黃土（Q2eol）、二疊系礫巖（P）和奧陶系（O）灰巖。進口為中風化灰巖，隧道出口為粉質黏土，隧道洞身圍巖地層巖性單一，主要為老黃土和中風化～微風化灰巖，節理裂隙發育，工程地質條件一般。據鉆探及外野地質調繪，可分為如下6 個工程地質層，9 個工程地質亞層：①1 雜填土（Q42ml）：雜色、主要由混凝土、基巖碎塊混少量黏性土，含有磚瓦塊等硬雜質，呈無規則堆積。②粉質黏土（Q41dl）：一級階地表層沉積，棕褐色、濕、可塑，結構不均勻，含礫石，表層耕作土中含大量植物根系。③1 新黃土（Q3eol）：風積形成，分布在低山頂部和斜坡地帶，厚度變化大。淺黃色、稍濕、硬塑，土質較均勻，結構疏松，含菌絲狀白色鈣質條紋及結核、垂直節理發育。地表水概況：老君頂隧道穿越老君頂黃土坮塬，隧道進口位于通往姚家溝的公路旁邊的大和采石場，隧道出口位于老君頂西側的野狐溝內，隧道洞身兩側沖溝內沒有穩定的地表水，為間斷性流水，地表水相對貧乏，主要受大氣降水、山體滲水補給，水流量很小。地下水概況：根據隧址區沿線含水介質及埋藏條件，地下水主要為松散巖類孔隙水和基巖孔隙裂隙水。

3.3 綜合探測技術的應用

由于該地區地勢比較特殊，地形比較復雜，且該隧道進口段發育有灰巖溶洞，在選擇探測技術時，都會選擇2 種不同的探測技術，即超前地質預報雷達技術和TSP 超前地質預報（隧道地質超前預報方法中也包括超前鉆孔法和地質雷達法、TSP 法）。

該文主要介紹了老君頂隧道工程為例，該隧道的埋深深度較淺，隧道進口右線掌子面在預報中發現其洞內發育有灰巖溶洞，因此，在進行地質超前探測時，施工人員需要對掌子面前方以及周圍溶洞發育的情況進行掌握，在掌子面進行地質超前探測，能夠減少事故的發生，及時為施工提供出更多有價值的信息和數據。

3.3.1 采用TSP 超前地質預報的方法

3.3.1.1 觀測系統的設計

隧道進口左線在施工時主要采用全斷面開挖法開挖。接收器位置里程樁號是YK325+849，掌子面的樁號為YK325+907，炮孔的數量在設計時主要運用了24 個，并且這2 個接收器能夠同時的接收隧道左側邊墻和右側的邊墻。其觀測系統的詳細情況見表1。

表1 觀測系統的設計

由圖1 也可以得知，掌子面與接收器相距的距離為58 m，并且接收器與第一個炮孔的位置相距18 m。

3.3.1.2 儀器參數和數據采集的過程

該項目所使用的儀器進行數據采集時，主要運用x-y-z三分量對信號進行接收，每一個采樣需要間隔62.5 μs，記錄的長度為451.125 ms。為了能夠對地震波進行激發，需要應用無爆炸延期的瞬發電雷管和防水乳化炸藥，激發藥量在100 g 以內，第二個炮孔為150 g，在起爆之前需要進行封堵工作，采用注水的方式達到封堵目的。

3.3.1.3 施工的建議工作

在做好各項觀測的準備和超前預報探測數據分析后，其TSP 超前預報探測的成果為YK325+907-YK326+007 段提出了相關建議：

在該段10 m～20 m 處位置需要做好防護的工作。根據探測數據分析發現該段掌子面前方圍巖位置發現有破碎的情況，存在溶洞溶蝕裂隙帶的危險；根據預報探測的結果得出該圍巖總體上的性能較差，穩定性不足，在施工中隨時關注掌子面信息并及時反饋。

總結：根據本次TSP 超前預報探測數據的分析情況了解到，掌子面前方里程段YK325+907-YK326+007 可能存在溶洞溶蝕裂隙帶。

3.3.2 超前地質預報地質雷達的應用方法

3.3.2.1 地質雷達法的選擇和應用

地質雷達是一種借助高頻電磁波技術對地下物體進行探測的設備，該方法的基本原理就是發射機在發射脈沖寬度為0.1 ns 的脈沖電磁波訊號，訊號會在巖層中遇到探測的目標時發出反射的訊號，直達訊號或者反射的訊號都能夠借助天線輸入接收機中，然后再將其放大后顯示出相關的信息[3]。如果示波器中發現發射訊號，則可以直接判定是否有被測的目標，進而直接計算出探測的目標或者具體的距離。地質雷達探測會選擇不同的探測儀器，其主要對公路的地基和鋪層、溶洞等進行廣泛檢測。該本檢測的項目中，老君頂隧道在前期的施工過程中發現圍巖中存在溶洞的情況，這時檢測人員在采用TSP 超前地質預報的基礎上，結合地質雷達法對掌子面前方的距離開展了超前預報，共完成的地質雷達測線共2 條。圖2 為掌子面2 條測線布置的示意圖。

3.3.3.2 地質雷達測試的結論

根據對里程樁號為YK325+907-YK325+937 段進行探測，雷達波形的情況見表2。

表2 地質雷達探測的結果顯示

3.3.3.3 探測隧道掌子面巖體的分布情況和性質

項目組的人員主要采用地質雷達的方式，對隧道掌子面巖體的性質分布情況進行探測，首先，選擇適合的儀器設備。該勘測在工作時主要選用的雷達為美國勞雷SIR-4000 型地質雷達，其工作原理如下所示：分析軟件；同步裝置；發射器；天線；接觸面；目標體；天線；接收器；轉換裝置；同步裝置；分析軟件。在配備好收發的天線或者資料處理軟件、計算機后，做好設備的工作流程和性能指標工作。

技術指標工作的選擇，時間窗寬度為1 ns～2 000 ns；發射機脈沖重復率為115 kHz；最大掃描的頻率為每秒保持56 次；每一掃跡樣點數量為512；增益的范圍為指數時間變量增益功能和用戶選擇的線性；可調增益控制的范圍為0～80 dB，動態范圍在128 dB。

3.3.3.4 測線的布置方案

通過TSP 了解到該隧道掌子面里程YK325+907 前方0～30 m 位置的巖體地質情況進行測線的探查，掌子面位置自左向右、自右向左共布置二條測線，探測線長7.4 m，在進行時采用連續測法。

3.3.3.5 地質雷達探測的成果顯示

測線1、2：探測的結果為測線在10 m～20 m 圍巖破碎，穩定性差，推測局部發育有溶洞或溶蝕裂隙帶。

由此可見，在對國家高速公路菏澤至寶雞聯絡線（G3511）陜西境旬邑至鳳翔高速公路工程TJ-8 標段老君頂隧道進行預報探測，對隧道掌子面的圍巖情況情況進行探測，其結果相比，在TSP 基礎上進行地質雷達的應用，能夠對實際現場開挖的圍巖情況進行揭露，并且還能夠準確地對掌子面前方不良的地質情況進行超前預報，為隧道施工提供了重要依據和素材，保障隧道施工的安全。

4 結語

超前地質預報中應用地質雷達能夠更快地分辨出溶洞的規模、尺寸，在近距離觀測到隧道的地質條件和不良地質后，能夠為隧道施工做好提前的準備和保障[4]。該文在對常見的地質預報方法進行分析后，以具體的案例進行分析，在使用地質雷達方法進行超前的預報后，通過對該工程進行介紹后，讓勘測人員和施工人員借助完整巖體的地質雷達特征圖像了解巖體的情況和地質構造，通過觀看地質雷達探測的成果，以了解到該隧道是否有發生斷層和裂隙的危險，在及時做好充分的準備和解決對策后，全面提升隧道施工的安全性，為順利施工提供重要依據。