地质雷达检测在隧道工程中的应用

邱雪峰

【摘要】通过实际工程应用，介绍地质雷达的特点、原理和探测解析方法；在隧道工程的超前地质探测预报以及隧道结构检测的应用中，证明了地质雷达的实用性、先进性及其实际应用中的重要作用。

【关键词】公路隧道；地质雷达；检测；超前预报；应用

1、工程概况

小北山二号隧道为长隧道，按左、右线分离布设。左线隧道起讫里程ZK19+571～ZK21+091，长1520m，揭阳端洞口采用削竹式，洞口设计标高30.353m，惠来端洞门采用削竹式，洞口设计标高17.398m，坡高0.5%～-1.317%，隧道最大埋深约209m。右线隧道起讫里程ZK19+599～ZK21+081，长1482m，揭阳端洞口采用削竹式，洞口设计标高30.493m，惠来端洞门采用削竹式，洞口设计标高17.490m，坡度0.5%～-1.321%，隧道最大埋深约212m。隧道位于丘陵地区，山体地形陡峭，山体植被较发育，山体发育花岗岩孤石，大小不一。隧址区基底主要为燕山期花岗岩，局部见辉绿岩岩脉，覆盖层由粘土、全～强风岩组成，基岩由中～微风化岩组成。隧址区地下水类型主要为潜水，含水层主要为第四系松散层的孔隙及中～微风化岩的风化裂隙。

2、地质雷达的发展及其应用

随着社会的高速发展，有很多的方便加上很多的仪器可以在岩土勘察中使用，重要的方法有弹性波法及其电磁波法。在实际工程当中经常使用的电磁波法就是地质雷达，隧道地震探测仪比较适合远距离宏观的地质问题探测；并且地质雷达方法可以结合高频电磁波而进行非常快的无损伤探测，因此频段非常高的话可以在隧道结构当中进行检测。

公路的隧道工程埋深、规模以及数量随着时间的增加而不断地变多，而在施工的过程当中也遇到了很多复杂的工程地质条件。虽然说在设计以前都作了非常详细地质勘察，但是在隧道实际的开挖施工当中，还会有非常多的问题发生的。从这些方面就可以很好地说明，在隧道施工过程当中的围岩稳定性状况以及一些掌子面前方的实际情况，并且做出及时地超前预报。当隧道发生一些事故或者竣工以后，应该结合现行的规范上面要求以及隧道本身的结构特性，不但应该在隧道的表面进行观测以及净空断面进行测量，需要的时候还应该采用地质雷达进行一些更深入的检测，例如围岩的密实完整稳定的情况、钢拱架的分布情况、有无离析以及蜂窝麻面、衬砌混凝土的均匀一致性以及相对应的完整性以及衬砌有效厚度等等。经过实际的情况可以证明，地质雷达技术可以在隧道的施工当中作出非常详细的超前地质预报。

现在，地质雷达检测技术已经发展到了单点探测以及连续探测的实时自动成图。而国外的国家探地雷达基本上是单脉冲雷达，其工作的频率在50到2G赫兹，最为代表性的国家是美国和加拿大。

在现场的实际工程当中，因为地层对电磁波的衰减以及仪器对目标随着精密度增大而增加，因此不同的频段探测的要求也就不同，如表1所示。

表1 不同频段的应用范围

频段 目标 实用范围

甚高频（30～300MHz） 衰减大的介质或者远距离目标 详勘，普查勘探

特高频微波段（0.3～3GHz） 衰减小的介质（小以及浅部目标） 针对性的检测

我们国家所生产的一系列地质雷达，结合地下工程的超前预报的特点，采用的是脉冲调制式，这个的探测距离非常大，而且分辨率也非常高，其工作的频率大约在160到220兆赫兹，其探测的距离可以达到40到60米，可以很好地适应超前地质预报以及部分的工程检测。

3、探测的原理以及方法

结合设计的图纸以及设计的任务书按照规定进行开展地质超前预报的工作，其预测应该是沿着隧道纵向三十米的范围以内对一些不安全的地质问题进行检查，对前面的地层岩性变化以及水文地质特征（软弱岩层的分布、断层发育及其影响带、水的赋存情况等）进行探测，对隧道围岩的级别进行分析，并列出一些施工的建议，确保隧道施工的安全，减少一些不必要的损失，为动态的设计提供所需要的地质参数，从而可以更好地为隧道施工进行服务。

结合电磁波的双程走时，可以分析确定探测目标的形态以及结构特性，如图1所示。

图1 地质雷达探测原理图

本次的地质预报使用的是地质雷达系统，运用了空气耦合型100兆赫兹的天线，结合探测的前方岩石的特点以及现场施工的条件，对距离30米左右进行详细地探测。而这次预报的工作面位于ZK19+735里处的地方，使用一些点测的方式，使用一系列的方法对工作面的正前方进行详细地预测。

4、数据的处理以及得出来的结果

对实际测量出来的资料用一系列的软件进行处理分析，再结合现场的岩性所具体的实际情况，选择一个比较适合的相对介电常数，进而得出来一些成果，在成果的解释当中，开始的时候，假如发现了有非常明显的反相位反射波组出现的话，就应该岩性变坏的一个表现；假如发现了有非常明显的正相位强波反射波组出现的话，就应该是岩层岩性变好的一个表现，结合反射波反射强度的实际大小就可以区分反射界面前方介质的一系列的特征。

依据雷达数据处理结果并结合地质资料分析得出以下预报结果：

（1）掌子面为强风化花岗岩，上方自稳能力差，中部伴随严重掉块，局部潮湿明显，推断围岩级别为Ⅴ级。

（2）掌子面右側前方4～10m（ZK19+739～ZK19+745）区域反射信号强烈，同相轴紊乱，推测此区域与掌子面情况类似，有明显破碎带，围岩完整性差，推断围岩级别为Ⅴ级。

（3）掌子面前方10～15m（ZK19+745～ZK19+750）区域反射信号衰退稳定，同相轴平稳但仍存在断开处，推测此区域岩性略微好转，但依旧破碎且含水，推断围岩级别为IV级。

（4）掌子面前方15～30m（ZK19+750～ZK19+765）区域信号较弱，加大增益后发现同相轴较为连续，推测此区域岩性好转，级别应为IV级。

依据结果给出的建议：

（1）ZK19+735掌子面围岩为强风化花岗岩，自稳能力差，局部潮湿明显，中部掉块严重，应严格控制进尺，加强支护，预防坍塌。

（2）掌子面前方10m区域围岩与掌子面情况相似，稳定性差，破碎带明显，容易坍塌。严格控制进尺，及时做好初期支护工作并保证强度，防止掉块与坍塌，同时做好排水工作。

（3）掌子面前方20m区域后，岩性有所好转。建议采用上下台阶方法，并严格控制进尺，及时做好初期支护工作并保证强度，防止掉块与坍塌，同时做好排水工作。

5、结束语

地质雷达在隧道工程施工或者是后期的运营过程当中，可以很好地对工程的质量进行详细地检测，可以更严格地控制工程的质量，更好地检查工程的缺陷。假如说天线的频率特性以及工作的方法有一定的影响，而地质雷达在对介质参数的探测当中，还存在很多的争议，那么经过不断地完善以及发展，地质雷达在隧道工程检测当中一定有一个非常重要的角色。

综上所述，应用地质雷达在地质超前预报当中可以精准地探测预报隧道施工当中危害的工程施工安全的相关地质灾害。而地质雷达可以探测出来隧道的结构中重要的施工缺陷，可以为有问题的隧道提供一些非常可靠的依据，这样就可以提高工作的效率，并且节省一些资金。

参考文献

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[3]李伟.地质雷达在隧道工程无损检测中的应用[J].山西建筑，2012（19）：332～333.