探地雷达的常见干扰和不良地质体的超前预报在隧道工程中的应用

岳全贵，张 杨，肖国强，周黎明

(1.中交第二公路勘察设计研究院有限公司 武汉中交岩土工程有限责任公司， 武汉 430056； 2.长江科学院 水利部岩土力学与工程重点实验室，武汉 430010)

探地雷达的常见干扰和不良地质体的超前预报在隧道工程中的应用

岳全贵1，张 杨2，肖国强2，周黎明2

(1.中交第二公路勘察设计研究院有限公司 武汉中交岩土工程有限责任公司， 武汉 430056； 2.长江科学院 水利部岩土力学与工程重点实验室，武汉 430010)

为了在隧道工程中准确应用探地雷达进行超前预报，针对可能遇到的常见干扰和典型不良地质体，探讨了常见干扰的成因及其对资料解译的影响，确定常见的干扰剖面图，并分别对天线耦合干扰和金属物干扰进行举例分析，提出探地雷达在采集数据过程中避开干扰的注意事项。列举3个工程实例，分别介绍了探地雷达对溶洞、断层裂隙水、软弱夹层等不良地质体的预报研究，通过分析其典型雷达剖面图的波形、频率、振幅等特征，依此推断出隧道开挖掌子面前方潜在不良地质体的类型以及位置、构造走向等空间分布特征。该结果与实际开挖揭示的不良地质体的分布范围基本一致，验证了探地雷达在预报隧道常见不良地质体的可行性和有效性。通过总结分析常见雷达干扰图像和典型不良地质体剖面图，有助于物探工作者对复杂地质体进行更精确地解释，确保隧道施工安全。

隧道超前预报；探地雷达；干扰因素；典型不良地质体；雷达干扰图像特征

1 研究背景

在我国，隧道超前预报研究始于20世纪50年代末，隧道超前预报实际应用于隧道建设始于20世纪70年代[1]。掌子面地质超前预报方法按距离分为长距离预报和短距离预报。长距离预报(>100 m)方法包括：TSP地震预报法、VSP垂直地震剖面法、USP地下工程地震预报(角度偏移技术)等。短距离预报(<30 m)方法包括：GPR探地雷达法、BEAM法、HSP水平声波剖面法等。其中，探地雷达法作为一种电磁手段的短距离探测手段，在国内外隧道复杂地质地段中得到了很好的应用。

代高飞等[2]在贵州省崇遵高速公路的风梅垭隧道利用探地雷达法成功预报出含水溶洞；苏会锋等[3]在渝怀铁路利用探地雷达探测出穿过暗河的武隆隧道的溶蚀通道，成功查明隧道的涌水里程和位置。大量的资料表明了探地雷达在隧道超前预报的有效性、快捷性和重要性。

但是，由于隧道施工环境的复杂性，利用探地雷达进行超前地质预报受到各种因素(如掌子面不平整、隧道内金属物、施工机具、电缆、侧壁等)的干扰，以及掌子面前方不良地质体的复杂性带来物探解释的多解性，要求物探工作者有丰富的现场工作和后期解释经验。本文主要就探地雷达现场工作过程中的技术要求、注意事项，和对于溶洞、断层裂隙水等预报的成功案例进行分析研究。

2 探地雷达原理

探地雷达(Ground Penetrating Radar，简称GPR)是一种用于探测地下介质分布的广谱电磁技术，探地雷达运用于短距离隧道超前预报，原理是通过发射机发射电磁波信号到隧道掌子面前方，当遇到存在电性差异的目标体如空洞、分界面时，电磁波便发生反射，返回到地面由接收天线接收。根据反射波的波形、振幅、频率、时间等图形和参数可推断掌子面前方目标体的介电性质及空间位置、构造走向等几何信息,达到对掌子面前方隐蔽目标体的探测(见图1)[4]。

图1 探地雷达工作原理图Fig.1 Working principle of ground penetratingradar(GPR)

在隧道空间这种非磁性介质中，探地雷达高频电磁波在介质中的传播速度取决于介电常数。电磁波速与介质的相对介电常数的关系可表示为

(1)

式中：V为电磁波速度；C为光速；εr为相对介电常数。

电磁波在传播过程中，遇到不同的阻抗界面(介质分界面)时将产生反射波和透射波，其遵循反射与透射定律，反射波能量大小取决于反射系数。反射系数的数学表达式为

(2)

式中ε1和ε2为界面两侧介质的相对介电常数。

由式(2)可知，探地雷达高频电磁波在2种不同介质的界面产生反射，反射系数的强弱主要取决于反射界面两侧介质相对介电常数的差异。

由此可知，介电常数差异是探地雷达的工作基础。常见介质中，空气的相对介电常数为1，岩石的相对介电常数为4～20，水的相对介电常数为81。因而，探地雷达对空溶洞、充水溶洞、断层裂隙水等地质异常体有特别的敏感性。

3 探地雷达采集参数设置和数据处理

3.1 选取采集参数

由于探地雷达探测对象——掌子面前方地质体相当于一个复杂的滤波器，地质体的不均匀性导致对电磁波的吸收程度不同，电磁波脉冲经过地质界面反射回到接收天线时，反射波与发射天线的原始波差别很大。因此，在预报测试工作前，应结合前期隧道工程勘察和地面地质调查资料，进行多参数实验，对比拟合，确定最佳探测参数，确保预报结果更为精确可靠。

探测设备为加拿大Sensor&Software公司生产的EKKO型地质雷达，配备中心频率为100MHz的地面耦合型天线。采用点测方式进行采样，测点距为0.2m，天线间距为1m；记录时窗为720ns；叠加次数为64次/道。

3.2 数据处理

在隧道现场作业环境中，或多或少会受到随机电磁噪声和干扰，会对探测数据造成影响。有的噪音干扰甚至大于实际地质的电磁波反射信号，会压制真实异常信号，形成假异常，对后期解释造成困扰。因此，必须对接收的信号进行适当的数据处理，提高资料信噪比，以提供真实可靠、清晰易辨的图像。

探地雷达采集的数据处理流程为：①输入数据；②数据预处理，包括剔除异常道、归一化、静校正；③滤波处理和增益处理，包括道间能量均衡、自动时间增益控制、带通滤波；④分析雷达电磁波异常，包括速度分析,单道振幅、相位、频率的提取、频谱分析；⑤时深转换。

最后一步时深转换是获取不良地质体准确深度范围的关键。由式(1)可知，由于不同岩性介质介电常数不同，不同岩性的围岩电磁波速度不一样，例如常见岩体中，灰岩波速为0.11m/ns，页岩波速为0.09m/ns，黏土波速为0.06m/ns，饱和水的砂岩波速为0.06m/ns，干砂岩的波速为0.15m/ns,花岗岩波速为0.13m/ns。

由此可见，不同构造、不同含水率的相同岩性的岩体，电磁波速度差异也很大。一般速度的拾取，首先依靠物探工作人员，依据观察隧道掌子面岩性及其构造、成分，根据常见介质电磁波速度的资料查得探测对象的电磁波速度。对于地质情况复杂的掌子面，其岩性、构造、成分都不是单一的，一般可以采用已知目标体标定结合双曲线拟合的方法判定介质的速度[5]。

图2 探地雷达不同的接收波示意图Fig.2 Schematic diagram of different receiving waves of ground penetrating radar

4 探地雷达在隧道探测中的主要干扰源和避免假异常的作业方法

4.1 探地雷达接收波的种类

如图2所示，Tx为发射机，Rx为接收机。探地雷达接收的波主要种类为：①空气直达波；②沿空气界面传播的直达波；③掌子面前方和后方不同界面的反射波；④临界面折射波；⑤外场电磁波[6]。

在隧道检测环境中，探地雷达接收到的信息不仅来自掌子面前方，而且来自掌子面后方、隧道两侧墙干扰物所产生的电磁波，掌子面后方、隧道两侧墙的电磁反射波在雷达图像中作为一种假异常，给资料处理、解释带来困难。

图3 天线耦合效应干扰剖面图Fig.3 GPR image interfered by antenna coupling effect

4.2 探地雷达天线耦合效应

探地雷达在隧道超前地质预报中，工作面是隧道开挖掌子面，采用点测方式布置测线，探地雷达天线是在隧道掌子面沿测线平行移动，但是当掌子面凹凸不平的时候，当天线移动到掌子面较宽的凹处时，天线不能与掌子面有效耦合，以最大能量入射电磁波，会出现散射现象或者假异常，可能会掩盖有效波[7-8](见图3)。耦合效应引起的干扰波有振幅强、频率低的特征，在雷达图像上，沿垂向时间剖面延续长、沿横向测距剖面延续短，呈现出多条连续、整齐的呈矩形分布的同相轴。

图4 隧道掌子面后方金属物的干扰剖面图Fig.4 GPR image interfered by metal behind tunnel working face

4.3 隧道中金属物的干扰

电磁波在金属物表

面会产生全反射[9]，反射波能量强，电磁波中心频率不会降低。在探地雷达剖面上反映波形振幅变强，同相轴连续性好(见图4)。由于电磁波能量变强，反射波会在金属物和接收天线之间发生多次反射，在时间剖面上表现为强振幅、相似的连续性好的同相轴垂向延续时间长。这些强反射覆盖了真实地质体的波形，造成严重的干扰。

4.4 雷达测试过程中消除假异常的作业方法

探地雷达天线沿掌子面布置测线移动时，应当根据掌子面岩石的凹凸情况改变天线位置和放置方向，探地雷达工作时，天线尽量紧贴掌子面，使天线与掌子面耦合最佳，尽量消除由于耦合效应造成的干扰。

在探地雷达探测作业之前，应和施工现场技术员沟通，提前清除掌子面测线附近的金属物；当不能清除或避开时应在现场记录中注明，并标出位置，以便后期资料解释过程中准确识别出假异常，避免造成误判。另外，应该引起注意的是，探地雷达的探测存在一个有效范围。由于这个有效范围的底部椭圆像一个脚印，因为又被称为“足印”，也就是说雷达波反射有一定张角，因此有时在隧道两侧墙1～2m外的地质情况也会有所反映，并且一般在剖面图测线的两端会有绕射波干扰形成，在资料解释时应该引起注意。

掌子面表面如果裂隙水发育，有裂隙水渗出，导致天线的发射机、接收机或者仪器主机进水，也会影响测试工作。在测试工作进行之前，跟现场技术人员沟通好，在掌子面采取排防水措施，再进行测试作业。

5 典型地质灾害体的探地雷达图像特征

在水利、公路、铁路等隧道施工中常见的不良地质情况有：断层破碎带、溶洞、节理裂隙密集发育的强风化破碎带、涌水、突泥等。结合隧道施工实际情况，本文展示了利用Sensor&Software公司生产的EKKO型探地雷达探测的几种典型不良地质体的雷达剖面图，并对其作出解释，与实际开挖揭示情况对比验证。

5.1 岩溶隧道中溶洞发育区域典型雷达波形特征

岩溶(喀斯特)地貌在中国分布广泛，许多在建隧道都要穿过岩溶区。在隧道掘进过程中，隧道开挖改变了岩溶区的水文地质条件，在特殊的地质构造条件下，可能造成重大涌水、突泥事故，给隧道施工带来重大损失。在隧道施工中，岩溶地质灾害的种类有岩溶突水、突泥、塌方、隧道变形、地表塌陷。

以GS隧道勘察和地面地质调查为例，GS隧道起止桩号为K0+000—K1+421.144。岩性为奥陶系下统红花园组(O1h)灰色、深灰色中厚-厚层生物碎屑灰岩，弱-新鲜岩体，岩层缓倾右岸偏上游，倾角6°～10°。其中，预报洞段K0+130—K0+210段为微风化岩体，裂隙与层面组合在顶拱易形成不稳定块体，局部稳定性差，为Ⅲ类围岩。

图5 掌子面前方有充填泥质的溶洞发育雷达剖面图Fig.5 GPR image with karst cave filled with mud ahead of working face

探测结果见图5。在深度2～6m(K0+136—K0+140)、水平位置0～6m处，有一条斜向延伸的能量较强的电磁波反射条带；在深度为3.5～5m(K0+137.5—K0+139)、水平位置0～4m处，有3条弯曲呈弧形的电磁波反射条带，并且弧形内有多次细小波形发育。结合地勘资料，推断该范围有溶洞发育，溶腔内可能有泥质充填或者孤石体发育。

图6 探地雷达频率特征Fig.6 Frequency characte-ristics of GPR

第4道数据的频谱图见图6。其频谱特征为振幅能量主要集中在3个频率上，频率较低，其值固定在200～300MHz范围内。

实际开挖揭示，桩号K0+136—K0+141，掌子面从左至右0～6m范围内，溶洞发育，且溶洞内有泥质、孤石夹杂其中(见图7),与预报结果较一致。

图7 开挖揭示的充填泥质、夹杂孤石的溶洞

5.2 断层裂隙水发育区域典型雷达波形特征

断层是隧道开挖施工期间导致灾害发生的主要因素之一。由于断层地段岩体破碎松散、自稳能量差，破碎带裂隙可能为地下水聚集、流通通道。在隧道开挖后的地质环境中，以上这些地质因素会很快发生变化，引发隧道施工地质灾害。

以LQP隧道勘察和地面地质调查为例，LQP隧道坡表为第四系残坡积粉质黏土夹碎砾石；坡脚沟谷内分布洪坡积块石土，潮湿。下伏Pt1z云母石英片岩，局部夹黑云斜长片麻岩，灰黑、黄褐色夹灰褐色，全-强风化，岩体破碎；下为弱风化，为硬质岩，局部夹云母片岩，岩质较软。岩层主要片理产状：198°∠61°，节理发育，岩体多较破碎，局部节理密集发育地段岩体破碎。

图8 掌子面前方为断层裂隙水发育的雷达剖面图Fig.8 GPR image of fault filled with fissure water ahead of working face

探测结果见图8。深度8～12 m(H3DK0+233—H3DK0+228)、水平位置0～3.6 m处，有2条宽约0.5 m的斜向发育的同相轴，频率变低。同相轴可连续追踪，周围波形较杂乱。结合隧道工程地质资料，推断该区域内可能发育与掌子面走向斜交的断层裂隙水区域，该范围内岩体较破碎，裂隙水较发育。

实际开挖揭示出H3DK0+233—H3DK0+228范围内发育与隧道走向斜交的小断层破碎区域，并且有裂隙水渗出(见图9),与预报结果较为相符。

图9 开挖揭示的断层裂隙水发育区域

图10 掌子面前方为含泥区域的雷达剖面图Fig.10 GPR image of mud filling zone ahead of working face

5.3 隧道浅埋段中软弱夹层的典型雷达波形特征

在隧道浅埋段，由于岩石风化作用强烈，表现为强-全风化，通常表层覆盖物为粉质黏土;粉质黏土为软弱岩体，表现为抗压强度小、遇水膨胀、易风化等特点。隧道施工开挖过程中，掘进到浅埋段，地表有农田，掌子面前方围岩有断裂通道，遇到雨水天气经过地表渗水，黏土物质通过雨水冲刷，会发生突泥等危险事故，它对隧道施工影响大。

以SYT隧道勘察和地面地质调查为例，SYT隧道表层为粉质黏土，褐黄色，硬塑，厚0.5～1 m；下伏基岩为砂岩，全风化，紫红色，呈砂土状，厚5～20 m；其下为强风化，岩体破碎，呈块状-碎块状，厚3～20 m；其下为弱风化，DK36+980—DK37+010段为节理密集带，施工时应注意支挡、顶板加固措施。

探测结果见图10 。在深度19～21 m(DK36+509—DK36+511)、水平位置1～4 m处，有1条宽约为3 m的同相轴，同相轴弯曲呈弧形，频率变低、振幅较大。结合隧道工程地质勘察资料，该区域岩性为砂岩，且从掌子面前方15 m(DK36+505)开始进入浅埋段，最浅埋深3 m，地表为农田。推断该区域范围内可能为含泥或含

水发育区域，图10中红色虚线为含泥区域顶界面，由于软弱岩体对电磁波能量的吸收作用较强，导致含泥区域的底界面不明显。图10中，其余的 “正常信号”同相轴连续性差，波形杂乱，没有推断含泥顶界面的同相轴弯曲弧度大、振幅没有含泥区域强，且未进入浅埋段，资料解释划归为岩体破碎区域，与实际开挖揭示结果一致。

实际开挖揭示情况：DK36+509—DK36+511范围内，掌子面左边墙拱腰至拱顶处发生突泥事故(见图11),与预报结果完全一致。

图11 开挖揭示的隧道浅埋段的突泥情况Fig．11 Mudburstatshallowburiedsectionoftunnelrevealedbyexcavation

6 结论与建议

(1) 探地雷达在施工现场采集过程中，由于施工现场环境复杂，会受到金属物、天线耦合效应等电磁干扰的影响，严重时会导致干扰波形完全压制有效波形，这种假异常会对后期成果解释造成困扰，严重时甚至造成误判、漏判。笔者列举不同典型的干扰剖面图，结合多年实际工作经验，建议物探工作者要提前与现场施工相关技术人员沟通，在现场采集作业时，尽量提供平整、整洁、干燥的掌子面，确保测线布置良好,确保掌子面后方无大型金属施工机具(挖机、台车、钻机等)，避免金属物造成的电磁干扰。

(2) 探地雷达处理解释过程中，对原始数据的偏移、滤波、时深转换是处理的关键步骤。对于大部分噪音干扰可以通过偏移、滤波处理，使得真实不良地质体归位、提高数据信噪比。在对不同围岩岩性的隧道的预报过程中，不要盲目、惯性地参考常见介质的电磁波速度，针对岩性较复杂的地质体，建议通过采用标定已知目标体深度结合双曲线拟合的方法获取介质的电磁波速度，以拾取准确的岩体电磁波速度，避免时深转换后造成的深度误差。

(3) 多个隧道工程中成功预报典型不良地质体的实例，证明在隧道施工超前地质预报中，探地雷达能快速、准确地识别掌子面前方短距离范围内的如溶洞、断层裂隙水、软弱夹层(含泥区域、含水体)等不良地质体，并且能够掌握不良地质体的类型、位置、构造走向等空间分布特征。通过分析、总结典型不良地质体的雷达图像的特征，有助于为物探工作者对复杂地质体进行更精确地解释提供参考，确保隧道施工安全。

[1] 叶 英. 隧道施工超前地质预报[M].北京：人民交通出版社,2011.

[2] 代高飞,夏才初,毛海河. 地质雷达在隧道超前预报中的应用[J]. 西部探矿工程,2004,16(9):116-118.

[3] 苏会锋,赵玉成,温进芳. 探地雷达在武隆隧道岩溶、暗河探测中的应用[J]. 石家庄铁道学院学报,2005,18(1):54-57.

[4] 李大心.探地雷达方法与应用[M].北京:地质出版社,1994.

[5] 苏智光,廖建军,钱东宏.探地雷达野外勘察数据干扰及其滤除方法[J].物探与化探,2011,35(3):427-430.

[6] 兰樟松,张虎生,张炎孙,等.浅谈地质雷达在工程勘察中的干扰因素及图像特征[J].物探与化探,2000,24(5):387-390.

[7] 钟世航,李术才,王 荣.探地雷达在隧道地质预报探水中的几个问题[C]∥中国地球物理学会.中国地球物理学会第23届年会论文集.山东青岛：中国海洋大学出版社,2007:284-285.

[8] 周黎明，刘江平，刘天佑，等.复杂隧洞地质缺陷超前探测的综合物探方法[J].长江科学院院报，2008,25(5):195-198.

[9] 赵宪堂,万国普.地质雷达图像中地面干扰的识别与去除[J].水文地质工程地质,2001,28(6):57-59.

(编辑：占学军)

Common Interferences of Ground Penetrating Radar and AdvancedPrediction of Bad Geological Bodies in Tunnel Engineering

YUE Quan-gui1,ZHANG Yang2,XIAO Guo-qiang2,ZHOU Li-ming2

(1. Wuhan China Communications Geotechnical Engineering Co.,Ltd., CCCC Second Highway Consultant Co., Ltd.,Wuhan 430056,China;2.Key Laboratory of Geotechnical Mechanics and Engineering of the Ministry of Water Resources, Yangtze River Scientific Research Institute,Wuhan 430010,China)

In order to apply ground penetrating radar(GPR) to accurate advanced geological prediction in tunnel engineering, we discussed the causes of common interferences and their influences on data interpretation, and

determined the reflected interference information in profile of GPR image. Then, we gave examples of the antenna coupling and metal interferences and put forward precautions to avoid interference in the process of collecting GPR data. On the basis of three examples, we introduced the prediction of bad geological bodies such as karst cave, fault fissure water, and weak interlayer. Through analyzing typical characteristics of waveform, frequency and amplitude of the profile, we predicted the type of bad geological body as well as the spatial distribution characteristics like location and structure strike ahead of the working face of the tunnel. The prediction results are basically consistent with the distribution of bad geological bodies revealed by excavation, which proves that GPR is feasible and effective in the prediction of common bad geological bodies. By summarizing and analyzing the common radar interference images and the profiles of GPR images of typical geological bodies, we can provide references of interpreting complex geological bodies more precisely for geophysical workers and ensure the safety of tunnel construction.

advanced tunnel geological prediction；ground penetrating radar (GPR)；interference factor ；typical bad geological body；interfered radar image features

2017-01-04；

2017-03-14

岳全贵(1964-)，男，河南濮阳人，高级工程师，主要从事公路勘察设计工作和岩土工程研究，(电话)13507192110(电子信箱)329853065@qq.com。

张 杨(1991-),男，湖北荆州人，助理工程师，硕士，主要从事工程物探和岩石力学理论与应用研究,(电话)18271397203(电子信箱)297380421@qq.com。

10.11988/ckyyb.20170022

2017,34(8):36-40，63

P631

A

1001-5485(2017)08-0036-05