地质雷达在隧道地质超前预报中的应用

贵州省交通科学研究院有限责任公司 胡先进 邹启学 吴 瑾 夏晓勇

地质雷达在隧道地质超前预报中的应用

贵州省交通科学研究院有限责任公司 胡先进 邹启学 吴 瑾 夏晓勇

隧道是铁路、公路、水电等建设项目中的常见工程。随着建设工程规模的不断扩大，隧道工程的埋深、数量、长度和跨度也在不断增加，大大增加了隧道勘察工作的难度。为此，地质雷达近年来在隧道地质超前预报中逐渐得到推广。

一、地质雷达探测原理及方法

1.探测原理。地质雷达方法是指利用高频电磁波，以脉冲形式通过发射天线定向地向地下发射。电磁波在地下介质中传播时，当遇到存在电性差异介质的界面会发生反射，返回地面后由接收天线接收，并由采集系统以数字形式记录下来。通过处理采集数据，可以获得时间或深度剖面；根据记录到的反射波的到达时间和求得的电磁波在介质中的传播速度，可以确定反射界面或目标体的深度；同时根据反射波同向轴的形态及其振幅的相对强弱变化等因素，可以判断目标体的性质及空间规模，从而达到对地层或地下目标体的探测。地质雷达的工作原理如图1所示。

图1 地质雷达工作原理

2.探测方法。测线主要布置在隧道掌子面上，在探测过程中可采用两横两竖或一横三竖的布线方式，必要时可加密雷达测线，或在隧道开挖底板或侧壁布置雷达测线，以增加雷达的原始数据信息量，保证探测结果的准确性。

地质雷达测量通常采用点测和连测两种方式。点测法主要适用于隧道掌子面较为粗糙、凹凸不平的工作环境，要求天线按固定的距离移动才能保证采集数据的剖面宽度与测线长度一致；连测方式是通过测距轮的滚动或预先设置好的时间间隔自动采集数据，适用于较光滑的掌子面。由于隧道掌子面工作环境较差，一般情况下均采用点测法。

二、工程应用实例

龙井隧道为贵州省思南至剑河高速公路中的一条公路隧道。隧道场区地处云贵高原向湘西丘陵及广西丘陵过渡的斜坡地带，隧道主要穿越奥陶系下统大湾组（Q1d）泥灰岩、红花园组（Q1h）灰岩、桐梓组（Q1t）白云质灰岩。由于地质情况较为复杂，查明隧道掌子面前方岩溶、岩体破碎带、节理裂隙密集带、地下水等不良地质非常重要。在龙井隧道的预报过程中，采用美国GSSI生产的SIR20型地质雷达，100 MHz 主频天线，采样点数为512，采样窗口长400 ns，介电常数、扫描率等参数根据隧道掌子面地质情况进行相应调整。下面，笔者就龙井隧道预报实例简单介绍几个典型的地质情况。

1.节理裂隙密集带。节理裂隙密集带主要存在于断层影响带、岩脉带及软弱夹层中，由于裂隙内有不同成分、不均匀的充填物，与周边围岩形成电性差异。当雷达电磁波传播到裂隙表面时，会产生较强的界面反射波，同相轴的连续性反映了裂隙面是否平直、连续；在穿越裂隙的过程中会产生绕射、散射、波形杂乱、波幅变化大等现象，反映了裂隙内充填物的不均匀性。在龙井隧道出口ZK88＋220 处掌子面进行探测时，得到图2 – a所示的雷达图像。从图中可以看出，雷达波在ZK88＋220－ZK88＋233 范围内反射较强，反射波同相轴规整度较差，且波形细碎、杂乱，雷达波能量衰减也较快，结合掌子面地质情况推测ZK88＋220－ZK88＋233里程段为节理裂隙密集带，围岩稳定性差，建议施工单位在本段施工时应谨慎掘进，并做好加强支护。后经开挖验证，该段岩体呈薄层状，节理裂隙发育。该段发育状况如图2 – b所示。

图2 节理裂隙密集带探测状况

2.岩溶。岩溶是指地表水和地下水对可溶性岩石所进行的以化学溶解作用为主、机械侵蚀作用为辅的溶蚀作用，以及侵蚀–溶蚀作用和与之伴生的堆积作用的总称。一般来说，溶洞雷达图像特点是被溶洞侧壁的强反射所包围的弱反射空间，溶洞底界面的反射则不太明显。当溶洞为空洞或充水时，洞体内雷达波几乎是没有反射的；当溶洞充填覆盖物质时，则可见一组较短周期的细密的弱反射，这是由洞内土体所产生的。

在龙井隧道进口YK88＋580处掌子面进行探测时，得到图3所示的雷达图像。从图中可以看出，雷达波在YK88＋583－YK88＋591 里程段有一明显雷达波反射异常区，该段雷达波反射较强，并且衰减较慢，反射区有明显边界。该段隧道穿越白云质灰岩地层，结合现场掌子面地质情况和地勘资料，推测YK88＋583－YK88＋591里程段发育一溶洞，可能充水、充泥。后经开挖验证，该段发育一溶洞，充泥一般，如图5所示。

图3 岩溶状况

3.富水带。隧道富水带是指含水量大，开挖后可能产生涌水现象的段落。介电常数是雷达工作的基础，水的相对介电常数为81，水的电导率远高于隧道岩体，预报中地质雷达对水特别敏感。一般情况下地质雷达探水有以下规律：雷达波对水和含水率高的介质的反射强烈，反射波强度大；雷达波从其他介质到含水层界面的反射波相位与入射波相反；雷达波通过含水体后，高频成分被吸收，反射波的优势频率降低。在龙井隧道出口ZK88＋310处掌子面进行探测时，得到如图4所示的雷达波图像。从图中可以看出，雷达波在掌子面前方ZK88＋313－ZK88＋323里程段衰减较快。结合隧道掌子面地质情况和地勘资料，推测ZK88＋313－ZK88＋323里程段为富水带。后经开挖验证，该段地下水发育，呈线流状出水，富水带如图4所示。

图4 富水带状况

三、结论

1.地质雷达应用于隧道地质预报过程中，可准确探测到各种不良地质现象，如岩体破碎带、节理裂隙密集带、地下水、岩溶等，且分辨率较高，能够为隧道安全施工提供可靠的依据。

2.地质雷达的探测深度和探测精度受岩体性质影响较大，围岩完整性越好，探测深度和探测精度就越高。

3.地质雷达在进行现场探测时，易受施工现场干扰，特别是开挖台车等金属物的影响。因此，如何正确识别干扰，从而得到准确的探测结果至关重要。

4.隧道地质超前预报是地质勘察工作的延续和补充。在使用地质雷达进行隧道地质超前预报时，除了要采集高质量的数据和选择合理的参数外，对于预报成果的解释还必须要与地勘资料、掌子面地质资料有机结合起来进行综合分析。同时对预报成果的正确解释，还需要大量的实际经验和丰富的地质、物探知识。