地质雷达原理及在隧道短期超前预报中的应用

向亮星

0 引言

近年我国基础设施建设投入不断增大，全国各地的高速铁路、公路和地铁建设进入一个新的时期，而这当中隧道工程数量巨大。隧道施工时，掌子面前方的断层、软弱岩层、溶洞等不良工程地质条件都是很常见的工程地质问题。

隧道开挖前，利用有效物探方法作超前预报是解决问题的有效途径。目前隧道超前预报采用较多的是地震波、雷达探测与地质研究相结合的办法。地震预报距离为掌子面前100 m左右，地质雷达预报在20 m～30 m范围内。地震法通常都要放炮作为震源，相比之下地质雷达设备简单、测量快速、精度高、抗干扰能力强。

1 地质雷达基本原理及探测深度、精度

地质雷达(Ground Penetrating Radar，简称GPR，也称探地雷达)是利用高频电磁脉冲波的反射探测地下目的体分布形态及特征的一种地球物理勘探方法。发射天线(T)将信号送入地下，遇到地层界面或目的体反射后回到地面再由接收天线(R)接收电磁波反射信号，通过对电磁波反射信号的时域特征和振幅特征进行分析来了解地层或目的体特征(见图1)。

电磁波遇到不同介电特性的介质会有部分电磁波能量返回，其反射系数R为:

由上式可知，电磁波在反射系数取决于介质的相对介电常数，介电常数差异越大，雷达波形越清晰。

空隙中空气的相对介电常数为1;软弱夹层(黏土)在9～14之间;水为81;砾岩在4～6之间。几者间的相对介电常数差异较大，这为雷达方法作超前预报提供了较好的地球物理前提。

电磁波在介质中传播的路径——波形将随所通过介质的电性及几何形态而变化，根据接收到波的旅行时间(亦即双程走时)、幅度、频率与波形变化资料，可以推断介质的内部结构以及目标的深度、形状等，利用电磁波在介质中的波速和旅行时间可以计算介面深度(h=v×t/2)。当发射天线沿欲探测物表面移动时就能得到其内部介质剖面图像。反射脉冲的信号强度与界面的波反射系数和穿透介质的波吸收程度有关。

影响地质雷达的预报深度、分辨率这两个重要指标的因素包括两方面。内在因素主要是指探测对象所处环境的电导率，介电常数等因素。相对介电常数随介质中的含水量变化而急剧变化，含水少的介质其值较大。外在因素主要与探测所采用的频率，采样速度等探测方法有关。通常只有外在因素才具有选择性。在实际应用中必须综合考虑这些因素，采用适当的方法技术。

探测时所采用的天线中心频率称为探测频率。而其实际的工作频率范围是以探测频率为中心的频带。当中心频率 f一定时，在特定介质中传播速度 V也已知，根据公式 λ=V/f，波长也是定值。当地质体层厚小于1/4波长时，反射波不能反映中间层，所以探测频率决定了探测的分辨率。同时，介质对高频波吸收快，低频波吸收慢。所以频率越高，探测深度越浅，分辨率越高，频率低时则相反。所以超前预报要选用的频率来满足探测深度和精度(分辨率)两方面的要求。一些基于经验的探测深度、分辨率与中心频率的关系见表1。经综合考虑，超前预报常选用中心频率为100 MHz的天线(也可选配其他合适频率天线作辅助测量)。

表1 经验探测深度、分辨率与天线中心频率的关系

2 工程应用

对某个掌子面有两种测量方式:连续测量和点测(见图2)。因为仪器天线要求紧贴洞壁和掌子面，在掌子面不平整时常采用点测法。

雷达测试资料的解释是根据现场测试的雷达图像，对测试的图像进行异常分析。根据异常的形态、特征及电磁波的衰减情况对测试范围内的地质情况进行推断解释。一般来说反射波越强则前方地质情况与掌子面的差异就越大。

杭瑞高速公路凉水井隧道里程K11+492处雷达探测图像，在掌子面前方0 m～20 m范围内，岩性为中厚层状白云质灰岩，节理裂隙发育，受到节理裂隙影响，岩层破碎、充泥、夹泥，有少量裂隙水，拱顶部开挖线附近围岩裂隙间泥质物充填，判定围岩类别为Ⅲ类。

根据雷达探测结果，结合掌子面的地质情况，建议建设单位在K11+492～K11+472可按Ⅲ类围岩支护施工。K11+482～K11+477段注意弱爆破、加强超前支护、防止拱顶坍塌。

最终掌子面掘进到K11+482处，岩层破碎充泥，掌子面渗水，围岩稳定性差，与图像及我方预报结果基本吻合(见图 3)。

3 应注意的问题

探测过程中要注意，原则上探测尽量靠近掌子面轴心位置，测线距离尽可能长，尽可能多采集数据，便于后期数据分析处理。

100 M天线的长轴方向与电缆线要垂直，成90°角。电缆不能与天线平行，不能在天线上面过，也不能在天线下面过。主机系统放置在3 m～5 m范围以外。电缆不能绕圈，防止线圈产生交变电磁场干扰。整套雷达系统应防止强电磁干扰。远离电线电缆线一定距离。

波速 V是不稳定的，判读一般都有一定误差，需要在围岩掘进后不断的检验、修正。

4 结语

由于物探成果的多解性，数据的判读很关键，但也是一个世界性难题。所以应结合隧道所处地质条件和隧道工程特点，通过试验科学制定地质预报方案，采取多种超前预报方法结合，中长期与短期预报相结合，地质分析与物探技术、超前钻探技术相结合的多种预报方法，相互印证，将不同手段得到的结果进行比较分析综合，通过信息反馈不断改进和选择预报方法，使预报方法优化组合，以得到最佳的预报效果。

[1] 孔祥春.探地雷达基本原理[J].工程勘察，2005(9):95-96.

[2] 李大兴.探地雷达方法与应用[M].北京:地质出版社，1994.

[3] A.P.Annan.Ground Penetrating Radar Applications Principles，Procedures&Applications.Sensors&Software Inc，2003.

[4] Daniels D 1.Introduction to subsurface radar[J].IEE Proceeding，1988，133(4):278-326.

[5] 邹正明，何金武，王 林.地质雷达在长坊岭隧道超前地质预报中的应用[J].山西建筑，2008，34(4):334-336.