探地雷达法超前地质预报在某隧道施工中的应用

黄 会

（贵州地质工程勘察院，贵阳 550008）

探地雷达法超前地质预报在某隧道施工中的应用

黄 会

（贵州地质工程勘察院，贵阳 550008）

为了给隧道施工提供指导性资料，对某隧道出口DK1095+975掌子面进行了探地雷达法物探超前调查，目的是查明沿掌子面深度(前方)为30m范围内是否存在断层、溶洞或松散区等不良地质现象以及水文地质条件，起到确保施工安全、降低地质灾害和危害程度的目的，并为工程优化设计,提供地质依据和编制竣工文件提供地质资料。

超前地质预报：探地雷达：隧道施工

1 工程与地质概况

某工程隧道进口里程为DK1093+685，隧道出口里程DK1095+975，全长2290m。最大埋深162m，地形较陡峭，隧道穿越低山丘陵区，冲沟发育，地面高程309.2～504.1m之间，相对高差最大约为194.9m，丘陵自然坡度较陡。地表灰岩溶蚀裂隙、溶沟、溶槽等溶蚀现象较发育，雨季有涌水的可能，节理裂隙发育，发现灰岩表面可见溶隙，溶槽发育，部分段落受构造断裂影响岩溶较发育。本次地质超前预报工作在里程为DK1095+975掌子面处布置探测曲线共8条。

本次隧道地质超前预报探测里程DK1095+975内地质特征的勘探结果详见表1。

表1 隧道出口DK1095+975掌子面前段地质勘探结果

2 探测仪器及其基本原理

（1）探测仪器

使用仪器为中国电波传播研究所开发的最新产品LTD-2100探地雷达（图1），配置100MHz天线（图2）。

图1 LTD-2100探地雷达主机

图2 配套100MHz天线

（2）基本原理

探地雷达工作时，向地下发射一定强度的高频电磁脉冲（几十MHz至上千MHz），电磁脉冲遇到不同电性介质的分界面时即产生反射或绕射，探地雷达接收并记录这些信号，再通过进一步的信号处理和解释即可了解地下介质的情况[1]。

相对于探地雷达所用的高频电磁脉冲而言，通常工程勘察和探测中所遇到的介质都是以位移电流为主的低损耗介质。在这类介质中，反射系数和波速主要取决于介电常数，如下式：

式中： r为反射系数，ν为速度，ε为相对介电常数，с为光速，下角标分别表示上、下介质。在常见介质中，相对介电常数最小的介质是空气，其相对介电常数为1。相对介电常数最大的介质是水，其相对介电常数为81。当电进入地下遇到不同电性介质的分界面时，会出现反射[2]（图3）。如果是规则的管线或空洞，在雷达剖面上将出现典型双曲线图像（图4）。

图3 探地雷达原理示意图

图4 探地雷达剖面记录示意图

3 探测方法

（1）野外探测方法

依据工程探测目标体的材料特征和结构特征，结合以往经验，选择100MHz天线进行探测，该天线通过光纤进行光电隔离传输进行触发，以消除收发机的信号传输干扰，同时将上千伏的高压脉冲馈入天线进行探测。探测时，在布设的测线位置上使天线尽可能的贴近掌子面上移动，以保证天线对掌子面的耦合性；主机由单人操作，随天线均匀移动[3]。根据现场调试分析结果，确定主要参数如下：

1)每道（即每个地面采样点）记录长度550 ns，2048个时间采样点；

2)采用9点分段增益，由浅至深线性增益；

3)介电常数7。

4)为了消除外界干扰，选用5道平均的方式。

（2）测线布置

在掌子面上布置探测线，见表2。

（3）执行标准

探地雷达探测方法执行的标准为：

1）中华人民共和国行业标准《城市工程地球物理探测规范》（JJ7-2007）；

表2 测线布置一览表

2）中华人民共和国水利水电行业标准《水利水电工程物探规程》（SL326-2005）。

（4）数据处理

采用中国电波传播研究所开发的IDSP6.0探地雷达处理解释软件对数据进行处理，处理过程包括文件管理、参数设置、数据分析与解释、预处理和处理分析等步骤。

1）文件管理：①数据打开；②工程管理；③位图输出；④数据转换等。

2）参数设置：①文件头编辑；②数据显示；③标记编辑等。

3）数据分析与解释：①层位追踪；②异常识别；③厚度计算；④最大深度；⑤报表生成等。

4）预处理步骤：①修改文件头参数；②标记和桩号校正；③数据合并与分割；④极性反转；⑤剖面翻转；⑥道内重采样；⑦道标准化；⑧添加标题、标识等。

5）处理分析步骤：①浏览整个剖面，查找明显的异常；②一维滤波；③二维滤波；④反褶积；⑤速度分析；⑥零点矫正；⑦希尔伯特变换；⑧滑动平均；振幅增强；⑨异常特征和面层对应相位分析；⑩剖面修饰、自动增益等。

4 探测结果与结论

（1）探测结果

本次雷达探测里程范围为DK1095+975～DK1095+945，在里程为DK1095+975掌子面处分别布置了7条水平测线和1条竖直测线的地质超前预报探测工作，分析各测线雷达剖面图像，各测线探测分析结果见测线分析结果表（表3）。

（2）结论

通过综合对比分析得出掌子面地质超前预报探测综合结果，掌子面雷达探测综合结果为：该探测区段岩体主要以弱风化灰岩夹薄层状灰岩为主，节理裂隙较发育，岩体整体性一般，局部较破碎，岩体整体性强度较低，溶蚀现象呈较发育状态，局部岩体岩质不均，该段岩体存在岩溶裂隙、夹泥性岩层等不良地质现象。沿掌子面开挖方向，掌子面左右两侧岩溶裂隙发育形成粘土、填充隐伏岩溶、溶腔或溶槽，局部节理裂隙交错部位岩体较破碎，充泥。

表3 测线分析及异常解释结果表

根据雷达探测结果分析可知，该探测区段岩体含有裂隙水，在里程DK1095+975～DK1095+960里程处，该探测段岩体整体稳定性较前段围岩略有提高，受地质构造的影响，节理裂隙较发育，节理裂隙交错部位岩体较破碎,岩质不均，局部存在岩溶裂隙、岩体松散等不良地质现象。

综合探测结果分析：该探测区段除围岩整体性及完整性一般、局部破碎、岩质不均，局部存在裂隙水等不良地质现象外，还发育填充型溶隙及小型溶槽，隧道开挖施工过程中容易发生掉块和坍塌等工程地质问题，具体结果如下表4。

表4 地质雷达探测解释结果表

（3）建议

由雷达探测结果，结合掌子面的地质状况，该施工段为隧道口浅埋与深埋交接处，施工过程中应严格按照围岩等级进行开挖支护。在靠近拱顶处围岩稳定性差，破碎，易发生掉块等工程地质问题，尤其在溶蚀发育的地段应注意雨季施工对围岩稳定性的影响。建议尽量采用短进尺、弱爆破、超前支护等强支护形式加强拱顶的支护，以确保施工的安全。

[1] 郭付印，探地雷达在隧道超前地质预报中的应用研究[D].华南理工大学，2011.

[2] 孙计同，探地雷达技术在青岛地铁隧道超前地质预报中的应用研究[D]. 中国海洋大学，2012.

[3] 罗安海，SIR高精度探地雷达在朝家山1号隧道超前地质预报中的应用[J]. 国防交通工程与技术，2012（S2）：99～101.

A research on GPR Geological Prediction Application in a Tunnel Construction of Large Grange

HUANG Hui

（Guizhou Institute of Geo-engineering Investigation, Guiyang 550008）

For providing guidance in tunnel construction, on the export DK1095+975 the GPR (ground penetrating radar) survey is carried on prior construction, which aim is to identify harmful geological structures such as fault, karst caves, loose body, hydrogeologic condition along the working face, and to ensure construction safety, reduce harmful degree of geological disasters, provide basic geological data for optimal design of tunnel construction.

Geological prediction；G round penetrating radar；No.1 Tunnel of Large Grange

P631

A

1007-1903（2014）01-0062-03

黄 会（1977- ），女，工程师，研究方向：地质灾害（评估、治理等），水文地质、工程地质治理等。