地質雷達法在某公路隧道超前地質預報中的應用

【摘 要】采用地質雷達法對某公路隧道掌子面前方工程地質狀況實施了超前地質預報，根據地質雷達波形圖分析預測了掌子面前方不良地質狀況分布范圍；圍巖結構構造、完整性；壓裂水的發育程度以及周圍圍巖的等級。結果表明，地質雷達具有便捷性、高效性、無損性、強適應性、結果直觀性等優勢，對公路隧道掌子面前方的工程地質狀況預報準確度較高，預測結果與前期勘察資料吻合度較高。

【關鍵詞】地質雷達； 超前地質預報； 公路隧道

【中圖分類號】U456.3+3【文獻標志碼】A

0 引言

我國地域遼闊，山地、高原和丘陵約占陸地面積的67%，在公路施工過程中，為了縮短公路里程、減少修建成本、保護環境等因素，常常會以修建隧道的方式穿山越嶺。由于隧道深埋地下，地質條件復雜，在隧道施工過程中經常會遇到巖爆、圍巖坍塌、突泥涌水等地質災害。因此，在隧道開挖前有必要對隧道掌子面前方地質條件進行超前預報，掌握隧道施工前方地質構造，預測可能遭遇的地質災害，提前采取施工安全措施。目前，超前地質預報手段主要有地質超前預報系統、陸地聲吶法、超前鉆孔法、超前導坑法、地質雷達法、水平聲波剖面法等方法［1-3］。地質雷達作為一種新型地下無損檢測技術，以其便捷性、高效性、無損性等優勢，可以對探測目標進行動態預測，在隧道超前地質預報中得到了廣泛應用［4-9］。

本文采用地質雷達法，對L隧道掌子面開挖前方30 m內工程地質情況實施了超前地質預報，預測分析了L隧道掌子面前方不良地質條件發育情況。

1 地質雷達檢測原理

地質雷達法進行超前地質預報的原理是利用發射天線向隧道掌子面內發射廣譜、高頻電磁波，當電磁波傳播到電性（介電常數、電導率）差異分界面時會發生透射、折射和反射現象，同時介質對傳播的電磁波也會產生吸收濾波和散射作用。用接收終端接收并記錄掌子面內反射回來的反射波，將采集接收到的波信號導入處理軟件進行數據處理轉換成數據圖，然后根據處理后的數據圖像結合開挖出露情況及前期勘察資料得到的地質資料進行地質預報，對掌子面前方的工程地質情況（圍巖性質、地質結構構造、圍巖完整性、地下水和溶洞等情況）進行預測。地質雷達工作原理及其基本組成如圖1所示。

電磁波在傳播過程中，在通過不同介質界面處反射波能量的大小取決于反射系數R見式（1）。

R=ε1-ε2ε1+ε2（1）

式中：ε1、ε2分別為介質界面兩側的相對介電常數。

可見，反射系數的大小取決于介質界面兩側的相對介電常數差異，差異越大，雷達圖像中的異常信號越容易被識別。

地質雷達從發射電磁波到接受反射波所用的時間（回波走時）t見式（2）。

t=4H2+L2v（2）

式中：H為探測區內目標反射點的法線深度；L為發射和接收天線之間的水平距離；v為電磁波在探測介質中的傳播速度。

2 隧道超前地質預報實列分析

2.1 隧道概況

據前期勘察資料，L隧道本次預報段揭露的地層由舊到新順序分別為：第四系全新統坡殘積（Q4dl+el）碎石土：零星分布于山體表面。褐黃色，稍密狀，稍濕，含少量植物根系，呈棱角狀，母巖成分主要為砂巖、砂質頁巖，碎石含量約60%，粉質黏土充填，厚度1.0～2.5 m；志留系中統羅惹坪群（S2lr）強風化砂質頁巖：黃褐色，頁理結構，薄至中厚層狀構造，節理裂隙極發育，巖芯多成碎塊狀、塊狀，尺寸約2～7 cm，局部夾砂質頁巖，巖體破碎，巖石極軟；志留系中統羅惹坪群（S2lr）中風化砂質頁巖：青灰色，頁理結構，薄至中厚層狀構造，節理裂隙較發育，巖體較破碎，巖石較軟。

筆者于2021年06月29日對L隧道左幅出口ZK2+390～ZK2+360區段（表1）進行了現場超前地質預報工作，并于當日完成資料處理。

2.2 數據采集

2021年06月29日，L隧道出口左洞掌子面已施工至ZK2+390處，為了探明掌子面前方30 m的地質情況，采用地質雷達方法進行超前預報探測，現場探測工作和掌子面情況見圖2。

本次地質超前預報采用SIR-3000型地質雷達，探測天線為100 MHz屏蔽天線，點距0.2 m，采樣點數為55，有效測線長度11 m。根據現場條件，雷達測線布置如圖3所示。

2.3 檢測結果及分析

2021年06月29日，采用地質雷達100 MHz天線對爐紅山隧道出口左洞超前地質預報ZK2+390處斷面掌子面作了超前地質預報。將實測數據資料拷貝到電腦端，然后導入專門的數據處理軟件，經零點修正、去直流漂移、自動增益、帶通濾波及背景去除等濾波處理后的波形見圖4。

根據地質雷達探測得到的反射波圖像，結合隧道工程地質勘察結果和掌子面圍巖特征分析，對掌子面（里程ZK2+390處）前方預報結果：

（1）掌子面前方0～2 m（圖4圈Ⅰ所示）范圍內（對應里程范圍ZK2+390～ZK2+388區段）存在較強反射信號，振幅較大，同相軸較不連續，推測該范圍圍巖可能節理發育，巖體較破碎，完整性較差。

（2）掌子面前方9～11 m（圖4圈Ⅱ所示）范圍內（對應里程范圍ZK2+381～ZK2+379區段）存在較強反射信號，振幅較大，波形頻率分布不均勻，推測該范圍圍巖可能節理發育，巖體較破碎，完整性較差。

鐵路與公路陳善林： 地質雷達法在某公路隧道超前地質預報中的應用

（3）掌子面前方18～28 m（圖4圈Ⅲ所示）范圍內（對應里程范圍ZK2+372～ZK2+362區段）存在較強反射信號，波形頻率不均勻、變化快，同相軸不連續，波形雜亂，振幅較強，推測該區域圍巖節理裂隙可能較為發育，巖體較破碎，圍巖自穩能力較差。

2.4 預報結論

根據工程地質勘察資料、掌子面地質觀察以及地質雷達探測結果綜合分析：在掌子面前方0～2 m（ZK2+390～ZK2+388）和9～11 m （ZK2+381～ZK2+379）區段巖體整體較破碎，完整性較差。在ZK2+372～ZK2+362段（掌子面前方18 m后）區域巖體較破碎，局部破碎程度較大，圍巖穩定性較差，該段地下水較不發育，推測基巖裂隙水少量發育，開挖過程中可能會出現少量滲透點滴狀出水現象。

根據地質雷達探測結果，并結合工程地質勘察資料以及現場掌子面情況綜合分析：里程ZK2+390～ZK2+388、ZK2+381～ZK2+379及ZK2+372～ZK2+362區段范圍可能存在圍巖節理發育，巖體較破碎，完整性較差，且可能出水等現象，因此，建議對該段進行施工時，嚴格控制開挖進尺，爆破震動過大將導致拱頂部位坍塌、掉塊、出水等現象，按設計要求及時施作支護，必要時加強支護，以確保結構的穩定和施工安全。根據地質雷達探測結果，結合設計地質資料，建議圍巖級別為Ⅴ級，與前期勘察設計資料一致。隧道圍巖級別如表2所示。

3 結束語

本文以L隧道為工程背景，采用地質雷達法在公路隧道中的超前預報效果進行了工程實踐。通過現場工程實踐證明，地質雷達法具有便捷性、高效性、無損性、強適應性、結果直觀性等優勢；對公路隧道掌子面前方的工程地質狀況預報準確度較高，預測結果與前期勘察資料吻合度較高。

參考文獻

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［作者簡介］陳善林（1995—），男，在讀碩士，研究方向為地球物理勘探研究。