地质雷达在隧洞工程地质超前预报中的应用

李江林（浙江华东工程安全技术有限公司，浙江 杭州 310014）

地质雷达在隧洞工程地质超前预报中的应用

李江林
（浙江华东工程安全技术有限公司，浙江 杭州 310014）

在隧洞开挖施工过程中，为避免不良地质构造引起的地质灾害带来灾难性事故的发生，需采用地质超前预报手段及时掌握隧洞掌子面前方工程地质与水文地质情况。文章通过锦屏二级水电站引水隧洞地质超前预报实践，对不同地质体的雷达图像特征和雷达预报的优缺点进行了分析。

隧洞；超前预报；隧洞；地质雷达

1 引言

近年来，随着我国国民经济的不断发展，国家在公路、铁路、城市轨道交通、水利水电等基础领域的投入越来越大。在山区修建的高速公路、铁路、水利水电工程以及城市地下轨道交通工程，为缩短里程、改善线性及环境保护的需要，都需要进行隧洞开挖施工，而在隧洞开挖施工过程中，常常会遇到岩溶、含水构造、断层破碎带等不良地质构造带来的塌陷、涌水、突泥等地质灾害，以及由于开挖而诱发的地质灾害，往往会造成工程施工困难甚至人员伤亡和施工机械设备损毁，并导致延误工期、增加工程费用。在国内，由于地质灾害使得隧道建设受挫的实例很多，如京广线大瑶山隧道通过9#断层时突水量最大达5.2×104m3/d、南岭隧道下连溪段施工中未能及时堵水致使地面塌陷地表水突入坑道，最大曾达1.1×104m3/d，又如锦屏二级水电站长探洞内曾发生瞬时涌水量大于0.1m3/s的突水突泥点10处，最大突水点瞬时最大涌水量达到4.91m3/s，造成施工设备被淹，影响施工工期。在水利水电、铁路、公路、矿山的隧（巷）道施工过程中常遇到突水等系列地质灾害问题，据国内隧道施工的不完全统计，施工过程中由于塌方、涌水、碎屑流、高地温、高地应力及岩爆、高瓦斯等等地质灾害事故造成的停工时间大约占总工期的30%；隧道地质灾害的突发还会带来系列的环境地质问题。因而地下工程施工中地质灾害和特殊工程地质问题的防治工作是一项急待解决的重大课题。

在我国的西部地区建设的国家大型工程中，采用常规的工程地质勘察方法（地面测绘、钻探、洞探等）对深埋隧洞的工程地质和水文地质条件难以查明；为在隧洞施工过程中能够提供及时准确的工程地质资料，预防前方开挖洞段出现地质灾害，必须进行工程地质超前预报研究。

目前国内应用于隧洞工程地质预报的方法很多，如工程地质分析法、超前平行导坑法、超前钻孔法、红外线探测法、高密度电法、陆地声纳法、瞬变电磁法、地质雷达法、T SP等（详见参考文献）。在2005至2012年间，通过对锦屏二级水电站辅助洞及引水隧洞采用地质雷达法进行地质超前预报研究，成功的对隧洞岩溶发育情况、含水构造、断层破碎带等不良地质构造进行了预报，指导了该水电隧洞的开挖施工，保证了工程安全顺利施工直至贯通。

2 地质雷达预报原理与方法

2.1地质雷达预报原理

地质雷达是利用高频电磁脉冲波的反射来探测介质层位或目的体，它通过发射天线向需要探测的目的介质发射高频宽带短脉冲电磁波，此电磁波经过不同介质层位或目的体反射后返回，为接收天线所接收。电磁波在介质中传播时，其路径、电磁场强度与波形将随所通过介质的电性质及几何形态的变化而变化。因此，根据接收到波的旅行时间、幅度与波形等资料，可探测介质的结构、构造及目标体的埋藏深度等。

地质雷达接收到的信号通过模数转换处理后送到计算机，经过滤波、增益恢复等一系列数据处理后形成雷达探测图像。地质雷达图像是资料解释的基础图件，通过同相轴追踪可以测定各介质反射层的反射波旅行时T。根据地下介质的电磁波速V和反射波旅行时T，由以下公式可计算目的层的深度h:

式中h为目的层的深度，x为发射天线和接收天线的间距，V值为介质中的电磁波速度。

电磁波到达两种不同的介质分界面处会发生反射，反射系数公式为:从反射系数公式可以看出，界面两侧介质介电常数差异越大，反射波幅越强。在地下隧洞工程中，无论是掌子面前方的不良地质体，如岩溶、断层破碎带、节理裂隙、含水构造，还是岩性分界面，由于和周围介质存在较大的电性差异，这种掌子面前方不良地质体电性差异的存在是地质雷达进行地质超前预报的理论前提。

2.2 地质雷达预报方法

2.2.1地质雷达现场工作布置

地质雷达法进行预报采用的雷达天线频率要兼顾预报空间、预报精度、预报深度的要求，一般选用50～100MH z天线。隧洞每掘进20m探测一次，有效探测距离为25～30m，每次重复5～10m。在隧洞开挖掌子面、左侧壁、右侧壁及洞底板至少各布置一条测线，左右侧壁测线长度应大于对应隧洞掘进深度，且与前次表面雷达测线至少重合2m以上。若有必要，在掌子面或侧壁不同高程增加布置雷达测线，或结合隧洞分层开挖在下层开挖时增加探测预报。如图1所示，在开挖断面或导洞的掌子面、左侧壁、右侧壁布置测线Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，左右侧壁测线与上次测线相接，形成整个隧洞侧壁的连续测线。若有必要，在隧洞底板也可增加Ⅳ测线。

2.2.2地质雷达资料整理

由于高频雷达信号衰减且容易受到干扰，现场采集的雷达数据必须使用专用雷达处理软件，经频谱分析、滤波、增益恢复、偏移等一系列处理，提高雷达信号的信噪比，突出目标地质体信息，形成高质量的雷达图像。

雷达图像上异常强反射位置并不一定在测线的正前方，如图2所示，地质雷达的探测区域满足以下关系:

图1 地质雷达测线布置图

式中，λ为电磁波波长，h为探测深度，ε为相对介电常数。由此可见，我们用雷达探测时得到的异常强反射信息并不仅仅是天线正下方物体的反射信息，也有可能是侧前方的信息，在资料处理与解释时要加以识别与区分，必要时可增加布置测线或采用其他方法验证。

图2 雷达探测的有效区域

3 典型地质体雷达图像特征

3.1 不同岩性界面雷达图像特征

由于不同岩性的岩体介电常数存在一定的差异，因此根据电磁波反射系数可以形成亮点反射——强振幅异常（负反射系数时）或暗点——弱振幅异常（正反射系数时）。而对于同一种岩体，当岩体完整时可以认为介电常数的差异很小或不存在，因此在完整岩体内电磁波不发生反射或反射能量较小，波形均一，振幅、波长基本一致，同相轴连续。

锦屏引水隧洞T`2y5-2与T62y两种不同的岩体岩性界面雷达图像揭示两种岩体界面同相轴连续性好，反射信号强。根据测试T52y-2岩体相对介电常数约为8～9，T6岩体相对介电常数约为9～12，相对介电常数的差

2y异导致电磁波穿越两种岩体岩性界面时反射系数发生变化，形成强振幅异常或弱振幅异常。从图像中还可以看到，完整的T52y-2与T62y岩体雷达波反射能量较小，波形均一且同相轴连续性好。

3.2 节理裂隙雷达图像特征

当岩体内发育有节理裂隙或破碎带时，由于岩石被节理裂隙切割，反射面增多。当节理裂隙近似水平发育时，反射波同相轴一般连续，与完整岩石的差别在于振幅、波长的不同；当节理裂隙纵向或不规则发育时，反射波能量发生变化、频率降低，反射波同相轴连续性变差；岩石破碎时雷达波将出现散射和漫反射，雷达波同向轴不连续。

根据引（2）13+817掌子面雷达图像，该段隧洞地层岩性为T62y灰黑色薄层状细晶大理岩，围岩完整性差，根据图象分析，在掌子面前方15～23m范围内有一条N 60OE雷达波同向轴，反射信号较强，推断为一含水裂隙。因此在掌子面布置超前钻孔进行探测，当钻孔钻进到引（2）13+803位置时钻孔揭示岩体较破碎，且钻孔出水，出水量约40L/s。

根据引（2）3+338掌子面地质雷达预报图像，从图像分析，掌子面前方0～10m范围内雷达波反射较强，同向轴连续，10～20m范围内雷达波同向轴连续性较差，且在19～20m处有一组N N E向结构面发育。说明掌子面前方岩体节理裂隙及结构面发育，且局部岩体较破碎。隧洞开挖结果表明:该洞段引（2）3+338掌子面前方20m范围内局部节理发育，洞室成型不好，岩体完整性差。开挖结果与雷达预报成果相符。

3.3 岩溶雷达图像特征

电磁波在溶洞周界发生反射，一般形成振幅较强的双曲线形反射波；当部分充填岩石碎块时，与破碎区相似，表现为振幅增强、波形杂乱，当部分充填粘土时，由于粘土对电磁波的强吸收，表现为局部反射波振幅减弱或消失。

根据在5#高压管道底板利用75MH z天线探测到的雷达图像，图像纵向深度46m处出现明显的双曲线形态雷达反射波同相轴，推测为岩溶，岩溶中心位置在双曲线顶峰下方，但岩溶的规模很难从雷达图像上识别，这是因为双曲线的曲率形态不仅与岩溶的规模有关，还与埋深、介质电磁波速度、雷达天线间距等有关，因此根据双曲线形态很难定量判断岩溶的规模，需要结合钻孔等其他方法综合判断。根据在5#高压管道底板布置钻孔所测得的电视图像，可以明显看到溶蚀空洞，证实了雷达预报的准确性。

4 雷达预报的优缺点

地质雷达进行地质超前预报的优点:快速、高效和高精度，预报成果直观，能够快速准确的预测掌子面前方不良地质体。

地质雷达进行地质超前预报的缺点:由于雷达探测时得到的异常强反射信息并不仅仅是天线正下方物体的反射信息，通过雷达图像对不良地质对象的定位带来了不确定性，往往需要结合超前钻孔或其他方法进行综合预报。另外地质雷达的有效预报深度较小，有效预报深度为25～30m。

5 结束语

地质雷达预报具有快速、高效和高分辨率的优点，且预报成果直观，能够快速准确的预测掌子面前方不良地质体，在锦屏二级水电站辅助洞及引水隧洞开挖施工期间，采用地质雷达预报方法，对各种不良地质构造的雷达特征进行了研究，并结合工区地质资料和超前钻孔等资料综合分析，成功的对锦屏二级水电站掌子面前方岩体结构面、节理裂隙、岩性分界面、岩溶及含水构造等进行了地质超前预报，指导隧洞开挖施工，保证了隧洞安全顺利施工直至贯通。

［1］石文慧.中国铁路地质灾害与防治［J］.铁道工程学报，2005（12）.

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［3］李江林，关淑萍.探地雷达在隧洞衬砌质量检测中的应用［J］.隧道建设，2010，30（01）.

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：1672-2469（2015）03-0071-03

10.3969/j.issn.1672-2469.2015.03.025

李江林（1970年—），男，高级工程师。