地质雷达在武都西隧道预报中的应用研究

赵香玲 王丰仓

地质雷达在武都西隧道预报中的应用研究

赵香玲 王丰仓

（陕西铁路工程职业技术学院，陕西 渭南 714099）

本文在详细阐述地质雷达工作原理的基础上，分析雷达波在遇到断层破碎带、富水地层、裂隙时反射波的具体特征。通过分析得出，断层破碎带雷达反射波波形杂乱，同相轴错断，甚至模糊不清；富水岩层反射振幅显著增强、同相轴异常；裂隙雷达反射波呈明显带状分布。最后结合成武高速工程实例，对地质超前预报结果进行综合分析。

公路隧道；超前预报；地质雷达

公路隧道穿越较为复杂的地层时，勘察阶段很难完全准确勘察其隧址地质条件。因此，公路隧道在施工过程中可能遇到诸多不良地质体，如断层裂隙、破碎带、岩溶溶洞等。因这些不良地质而导致的地质灾害有坍塌、涌水、涌泥、冒顶等［1-2］。如何准确有效地确定诸多地质灾害成为公路隧道施工过程中面临的主要难题。TSP地震预报被广泛应用在隧道施工过程中，但TSP地震预报存在一定缺陷，如现场操作繁琐、影响施工、数据处理还不成熟，其结果应用效果不理想。而对隧道掌子面前方不良地质灾害进行预报，应用较多的是地质雷达。地质雷达隧道超前预报的优点是快速便捷、分辨率高、无损伤、探测和处理数据快、不影响施工等，且能准确探测不良地质条件。为了能更好准确地预报武都西隧道掌子面前方地质灾害情况，在隧道施工过程中应用了地质雷达。

1 地质雷达工作原理

地质雷达（Ground Penetrating Radar，GPR）主要利用高频电磁波束探测地下目标物体。地质雷达通过发射天线向掌子面前方发射电磁波以脉冲，当高频电磁波束遇到电介性不同的物质（如含水层、破碎带、溶洞等）时，电磁波会发生反射，反射波的振幅、路径和波形将随所通过电介质的电性特征和几何形状变化。反射脉冲信号的强度与界面反射系数和穿透介质的波吸收程度有关。垂直界面入射的反射系数R的模值和幅角分别可由下列关系式表示：

μ、ε和σ分别为介质的导磁系数、相对介电常数和电导率。角标1和2分别代表入射介质和透射介质。根据接收天线所接收到反射信号的传输时间、振幅、频率与波形变化特征，可确定目标体的位置和埋深。

1.1 断层破碎带的雷达图像

地质雷达对断层破碎带有良好的探测效果。如图1所示，断层破碎带的图像特征：当电磁脉冲遇到断层破碎带时，破碎岩层界面电磁脉冲反射强烈、反射面振幅与以前相比有所增强、反射波形杂乱、波形能量分布不均匀。产生此图像特征的主要原因：①断层构造形成过程中，相对运动、挤压导致岩层破碎形成破碎带，从而使破碎带内的岩石孔隙度、含水率相比整体岩石较大，进而使电磁波在断层破碎带处反射波明显加强；②当电磁波通过含有角砾和泥质较多的断层时，形成比较宽的频带，主波不明显甚至发生杂乱衍射。

图1 掌子面前方为断层的雷达图像

1.2 富水地层的雷达图像

地质雷达在隧道施工超前预报中，当电磁波在传播过程中遇水时，电磁波的反射较为敏感，其特征如下：电磁波放射波能量强大，放射波与入射波波形相反，高频波能力被水吸收，波的能量衰减迅速。分析原因，主要是电磁波在不同介质中传播时在其界面处会发生放射，而反射波所具有的能量由反射系数决定，而反射系数由岩层的介电常数决定，所以说，介电常数越大，反射波能量越大，而水的介电常数远大于其他围岩的介电常数。因此，当电磁波通过富水岩层时瞬时反射波会显著增大。当电磁波遇到非电磁性水时，电磁波增大了岩溶水离子的导电性。而电导率的增大使衰减系数同时增大，进而致使电磁波的频率迅速衰减。如图2所示，电磁波在掌子面前方10m处发生明显反射，其振幅明显增强，致使在9.2～10.5m区域波形重叠区域显著。

图2 富水岩体的地质雷达图像

2 应用实例

2.1 隧道工程概况

武都西隧道位于武都区黑坝里北侧上没水山山体内，该隧道设计为分离式岩质隧道。隧址区地层由第四系中上更新黄土、粉质黏土（Q2-3）和中-上志留统-白龙江群上部（S2+3b11）组成，白龙江群上部岩性为灰岩夹千枚夹、板岩、泥灰岩，白龙江群下部为千枚岩夹灰岩、片岩组成，千枚岩由泥岩、泥灰岩变质而成，整体呈现千枚岩、板岩、灰岩、呈互夹层或夹装层。板岩裂隙发育，其富水性、透水性均较弱，千枚岩破碎、风化严重。根据隧道地质推测，在隧道施工过程中可能有因断层破碎带、裂隙节理发育而导致的坍塌，由含水裂隙、空隙、断层破碎带而进入隧道的涌水。

2.2 雷达探测及其结果分析

如图3（a）所示，在YK86+648～YK86+652处，波形杂乱、雷达反射波波幅明显增大、同相轴反射界面错乱。根据设计资料及地质知识分析该区段为Ⅴc级千枚岩，可能夹杂碳质板岩，围岩破碎、松散受振动易塌方，稳定性极差，建议采用机械开挖不易爆破。在YK86+652～YK86+665处，波形能量团分布不均，反射波振幅变化较大、频率中等、节理、裂隙发育、岩体较为破碎，据此推断，该区段依然以千枚岩、炭质板岩、泥岩为主，风化程度较高、强度不高。在YK86+670～YK86+675区段，反射波同相轴被错段后呈斜线，该处可能为一软弱层面或是与隧道走向基本垂直的泥质填充长大节理未贯通隧道，局部位置较为破碎，偶有掉块，呈碎块裂镶嵌结构，节理多为长大节理，碎裂镶嵌结构，开挖中应防止垮塌。

图3 地质雷达数据成果图

图4 掌子面前方地质预测图

从图3（b）可以看出，在YK86+655～YK86+664区段，反射波振幅较大，频率较高，表明该区段反射界面较多，节理，裂隙发育，岩体较为破碎。推断该区段围岩可能为破碎千枚岩，强风化炭质千枚岩，围岩变差大，围岩呈碎裂、松散结构。通过对武都西隧道YK86+645处掌子面前方围岩状况多次预报，结合掌子面处开挖实际围岩情况分析得出掌子面前方围岩大体状况（见图4），对其施工有一定的指导意义。

3 结论

经过对武都西隧道多次预报，对预报中遇到不同地质雷达波的图像特征分析得出如下结论。

①对于武都西深埋隧道较为破碎的断层带，雷达反射波波形杂乱且有明显反射截面，反射波区域增强。

②对富水岩层雷达反射波进行分析得出，雷达波遇到富水地层反射波振幅显著增强，且波形重叠区域增强明显，增强区域之后电磁波能量迅速衰减。

［1］杨天春，周勇，李好.超前探测中探地雷达应用与结果的处理分析［J］.工程地质学报，2010（6）：71-72.

［2］刘建友，伍法权，卢丙清，等.雅砻江锦屏二级水电带输送隧洞施工中的地质问题分析及处理措施［J］.工程地质学报，2009（5）：590-596.

The GPR Technical Applications in Tunnel Geology Advanced Forecast

Zhao Xiangling Wang Fengcang
（Shaanxi Railway Institute，Weinan Shaanxi 714099）

Based on the detailed description of the working principle of GPR,the characteristics of reflected waves of radar waves in faults,broken zones,water rich formations and fissures were analyzed.Through the analysis,the fault fracture zone of radar reflection wave form random phase axis staggered,even obscure;water rich strata reflection amplitude significantly enhanced,abnormal events;fracture showed obvious zonal distribution of reflection wave radar.Finally,combined with the example of Chengwu high speed project,the geological forecast results were comprehensively analyzed.

highway tunnel；ahead geological prediction；ground probing radar

U452.1

A

103-5168（2017）09-0105-03

2017-08-01

陕西省渭南市科研发展计划项目（2015KYJ-3-2）。

赵香玲（1988-），女，硕士，助教，研究方向：桥梁与隧道。