地质雷达探测技术在隧道地质超前预报中的应用探析

李伟科

（云南地质工程勘察设计研究院，云南 昆明 650041）

隧道地质常用的地质探测技术有多种，常见的有瑞雷面波法、地质雷达法以及地震反射波剖面法等，隧道施工中通过多种探测方法以获取子面工程的地质情况，从而对隧道周围进行精确预报。隧道地质超前预报主要是借助探测手段掌握施工现场的围岩级别、围岩完整度以及不良地质特征等情况，对隧道施工的安全进行给予指导。地质雷达监测方法是用于了解地下介质其分布状况的一种电磁波法。其工作原理是确定受测范围在无铁磁性物质大量干扰的前提下，采用宽频脉冲形式的高频电磁波，借助发射天线将其送入指定方向的地质中，在受到具有电性差异目标体或是地层的反射后，回到地面被接受天线所接受。在地下传播中的高频电磁波在经过介质时，该介质的集合几何形态以及电性性质将会影响电磁波的波形、磁场强度以及路径等。所以，经过分析、处理以及采集时域波形，可掌握地下界面以及地质体的结构、空间、位置等信息。

1 雷达探测技术对断层破碎带的地质探测

断层属于隧道施工过程中的重要地质构造，而地质雷达探测技术的主要目的则是要明确断层的规模、产状以及空间分布状况。国内有部分隧道均存在不同程度的断层现象，例如有些隧道常有岩脉断层、压扭性断层以及岩性的接触断层等。断层带内部还发育有多种岩体，例如角砾岩、糜棱岩等，此外还有地下水以及断层泥等物质，介质的均一性偏低且分布不均匀，电性存在明显差异，断层两侧岩体发育特点通常具有节理性与褶皱性。断层的内部的电性差异偏大则为地质探测作业提供了良好物理基础。地质雷达在探测断层破碎带的发育区时，自动增益的梯度范围通常控制在8～30dB之间，断层富水带自动增益的梯度存在更大的变化，断层破碎带内部雷达图形的色彩分布散乱，电磁波具有规律性差、能量衰减迅速等特点，反射波形杂乱无规律，幅度变化较大；因为断层破碎带与高效滤波系统均有滤波效果，因此电磁波在断层破碎带的穿越过程中，其频率程度会因此而发生巨变，从高频转变成低频。

根据对A隧道进行地质雷达探测结果（如图 1）发现，K79+765～K79+771段与K79+776～K79+781段的地质雷达探测波形反射波组呈均匀的低幅水平，该段推断为完整性较高的变质石英砂岩。另外K79+772～K79+776 段与 K79+782～K79+785段地质雷达探测波形反射波组较强，其缓倾角呈不连续状态，波形紊乱无序，可推断出该段断层破碎带属于陡倾角的辉绿岩脉。其中，K79+782～K79+785段岩脉掌子面与走向的平行情况基本一致，脉内所组成的物质及其强度情况较为均一，岩体结构呈镶嵌、压碎状；K79+772～K79+776段的走向和掌子面交角约为20°，厚度分布较为分散，脉内岩体的风化情况不一致，裂隙发育呈压碎、松散结构。

根据对B隧道进行地质雷达探测结果（如图 2）发现，K3+840～K3+847段地质雷达探测波形反射波组呈低幅水平，其中有强反射同相轴存在于一些桩号部位，少数部位波形较为杂乱，根据K3+840段掌子面的地质情况反映出该段围岩属于完整性较高的硅质砂岩，其岩体结构主要呈中厚层状，断层层面较为发育，无水。K3+847～K3+860段之间普遍存在有强反射同相轴，图中波形杂乱无序，变化明显，系岩体存在增大的物性差异，围岩质越往下越差，探测结果图中可明显看出，电磁波能量在时间段200～300ns处已相当微弱，图中波形同相轴较为模糊，岩体含水量高，软弱破碎，电磁波大量能量被吸收。根据该隧道工程地质的整体分布情况以及掌子面调查情况，可推断出有断层存在于K3+847处，K3+847～K3+860段的岩体结构层碎裂、松散状，围岩含水量高，破裂。

2 雷达探测技术对溶洞的地质探测

隧道施工过程中主要的不良地质岩体为岩溶，若隧道中存在岩溶，开挖时极易发生突水突泥以及坍塌下沉事件，未事先进行地质探测而盲目的进行隧道施工可能会引起严重的安全事故以及生产事故。施工前对隧道岩体的规模、空间分布、含水率以及充泥情况等信息进行探测是超前预报的主要任务之一。B隧道的进出口位置均属于炭质灰岩，该段岩溶发育较好，隧址中的溶洞主要分布在灰质页岩岩体的下方，以炭质页岩作为隔水层，该地段中的溶洞多无填充物，为空洞，少部分会存在少许呈流塑状的红粘土。B隧道LK3+629～LK3+649段地质雷达探测情况（如图3），该段范围内存在的异常反射体共有3个，呈双曲线型，可推断出该隧道的溶洞地质。

3 雷达探测技术对富水带的地质探测

B隧道发育处为山体内部的煤层，之前所经历过的采掘时间长达数百年，山体内部具有大量巷道，巷道以下行巷道为主，有严重的积水情况。一些老煤窿延伸到隧道底部的距离甚至长达一百多米，山体中存在大量煤窿增加了隧道施工的困难度与危险性。常见的介质中，水体的介电相对常数最大是81，相比基岩介质，两者电性具有显著性差异。雷达电磁波在含水破碎带以及基岩中越过时，有强反射情况在界面产生，同时还会有散射与散射现象、波形紊乱、频率降低等情况在含水破碎带内部发生[2]。

B隧道 LK3+756～LK3+776段地质雷达探测结果中显示（如图4），其中 LK3+756～LK3+764段反射波组呈相对低幅水平，少数部位有强反射同相轴存在，根据掌子面的地质情况分析结果可推断出，LK3+756～LK3+764 段的围岩主要为砂岩互层、中层煤层以及薄层，岩体松散、破碎，易发生坍塌，岩体结构层碎状，构造发育具有节理性，围岩偏破碎状。此外，LK3+764～LK3+776段水平分布有较多具有强规律性特质的强反射同相轴，同时使深部的岩体探测受到掩盖，LK764处出现有雷达电磁波横穿隧道柱状富水带的异常情况，此处含有丰富的水体，有涌水甚至是突水现象存在的可能，围岩破碎。

4 雷达探测技术对裂隙密集带的地质探测

隧道中的软弱夹层、岩脉带以及断层影响带等处是存在裂隙密集带的主要部位，由于具有成分不同且不均匀物质存在于裂隙中，与周边的围岩形成了差异性电性 。因此，地质雷达探测技术对于岩体中裂隙的探测具有良好的物理基础。当裂隙表面有雷达电磁波传到时，此处界面将会产生较强的反射波，裂面的平直性与连续性由同相轴是否连续反映出；裂隙中若存在不均匀的填充物质，电磁波在穿越裂隙时将会有波形杂乱无序、波幅不稳定、散射、绕射等情况产生。

A隧道LK79+745～LK79+765段地质雷达探测结果中显示（如图 5），LK79+745～LK79+751段反射波组较均匀，呈相对低幅水平与次块状，属于结构呈镶嵌、破裂状的变质石英砂岩。LK79+751～LK79+765段有多组呈平行、杂乱状存在的反射波，可推断出此处地质属于岩脉条带与裂隙密集带。

结语

地质雷达探测技术对探测地质的含水性、介质分层、溶洞以及断层等情况的分辨率较高，且地质雷达探测技术的成本低廉，探测效果明显，在高速公路隧道建设项目施工中的地质探测中具有良好的发展前景。

[1]李镐，仲晓杰，韩煜.地质雷达在隧道富水区超前预报中的应用[J].土工基础，2010(4)：88-90.

[2]韩晓雷，叶逢春.地质雷达在公路隧道超前地质预报中方法探讨[J].西部探矿工程，2009(6)：152-154.

[3]南亚林，韩晓雷，叶逢春，等.地质雷达在公路隧道超前地质预报中的应用[J].水利与建筑工程学报，2009(3)：132-133.