地质雷达在勐远3号隧道超前地质预报中的应用

李怡哲 王 威 谢逸超

(1.武汉工程大学邮电与信息工程学院 武汉 430073；2.武汉工程大学土木工程与建筑学院 武汉 430074； 3.湖北省宜昌市夷陵区公路管理局 宜昌 443100)

隧道施工[1]过程中，由于掌子面前方围岩地质情况复杂，经常会遇到岩溶发育区、断层破碎带、地下水富集区及高应力带、大小偏压区等不良地质体，从而导致隧道塌方、岩爆、突泥突水等地质灾害，在隧道工程建设初期，一般都会进行工程地质勘察，但受条件、技术及成本的限制，地质勘察结果往往与实际情况存在一定偏差，因此，在隧道施工阶段进行超前地质预报十分必要。

目前，针对地质雷达超前地质预报的研究较多，胡先进等[2]将典型地质现象对应的雷达图像与现场实际情况进行对比分析，成果显著，但其对于波形图的振幅、频率与不同地质情况之间的对应关系分析不够深入，如何通过地质雷达波形图有效识别不同地质现象方面仍有待完善。巫克霖等[3]运用探地雷达对地质复杂环境下富水区进行了超前地质预报，因水与岩土体介电常数存在较大差异，水岩界面反射强烈，反射波异常明显，对比了富水区和干燥区雷达波形图的异同，对超前地质预报中地下水的判断有参考价值。

基于前人的研究基础，本文对掌子面斜向节理发育区及富水带2种不同地质条件进行超前地质预报，分析比较雷达波形图在2种不同地质条件下的振幅频率变化特征，对雷达波形图进行全面详细地解译，对Reflexw软件进行雷达波的后处理步骤进行一定优化，对数据采集方法及过程进行说明，最后对掌子面进行开挖验证，以进一步证实在短距离超前地质预报中采用地质雷达探测法的准确性。

1 地质雷达超前预报原理

地质雷达利用发射天线向介质发射高频电磁波(当电磁波遇到电性差异界面时将发生折射和反射现象，同时介质对电磁波也会产生吸收、滤波和散射作用)，用接收天线接收反射波并做记录，采用雷达信号处理软件进行数据后处理，根据处理后的雷达图像结合工程地质及地球物理特征进行推断解释，对掌子面前方的工程地质情况做出预测。探测原理如图1所示。

图1 探测原理图

2 地质超前预报方法及步骤

2.1 准备工作

进行地质雷达探测之前，首先要对探测场地进行清理，确保隧道掌子面平整且周边环境利于开展探测，将地质雷达安装连接，调试雷达功能是否正常。

2.2 测线布置

在确认检测环境良好且雷达功能正常后，应对测线进行布置，测线布置方式灵活多样，原则是能有效探测隧道掌子面前方开挖全断面地质情况，一般有“十”字形布置，即以拱顶为中心，横、竖各布置1条测线，或采用“=”形布置，从左至右，从右至左各布置1条测线，在围岩条件较差区域可对测线进行适当加密。

2.3 数据采集

数据采集时，雷达信号触发方式有3种[4]。

1) 测距轮触发方式，要求掌子面光滑平整，测距轮可以正常的在掌子面上滚动。

2) 时间触发方式，雷达采集数据系统按照相等的时间间隔自动发出电磁波并采集反射信号。

3) 点触发方式，用电脑键盘发送指令给雷达数据采集系统，每点击键盘1次，发射1次电磁波，相应地采集1次数据，然后将屏蔽天线按固定间距移动一下，再点击键盘采集下1组数据，适合掌子面凹凸不平的工作环境。

2.4 参数的选取

现场采用IDS公司RIS-K2型地质雷达，主要参数为天线频率80 MHz，点距0.10 m，采样点数1 024，时窗600 ns，具体记录时间、采样频率、叠加次数可根据隧道进行适当调整，在超前地质预报初期进行标定。

2.5 数据后处理及解译

雷达数据采集完成后，要对采集的数据进行后处理[5]，本文采用Reflexw软件对数据进行后处理，优化后分6步进行：①减平均值，去偏移信号；②静校正；③去水平信号，背景去噪；④进行增益；⑤带通滤波；⑥去毛刺噪声，取滑动平均。

目前，地质雷达的使用已经较为普遍，为雷达图像的解译积累了一些经验，但由于隧道内工程地质情况复杂，单一地从雷达波形角度对隧道围岩进行解译并不是非常准确，需要将雷达图像解译同现场地质观察及地勘资料相结合，才能提高解译及预报的准确性。雷达图像解译主要是对后处理的波形图进行分析和解读，主要的判断参数有雷达波的波形、波速、振幅、频率、相位变化情况，以及同相轴是否连续、电磁波能量吸收情况等。

2.6 现场开挖验证

当隧道开挖到预报里程时，可以对雷达图像的解译进行验证，将预测结果与现场实际地质情况进行对比，是一个经验积累的过程。

3 工程实例

3.1 工程概况

勐远3号隧道是小磨高速公路改扩建工程的1座单洞隧道，所在路段为在既有公路右侧扩建，与既有公路基本平行，线间净距离约70 m，既有公路与之邻近的构筑物主要为隧道。

勐远3号隧道区海拔高程介于799.51～967.98 m之间,相对高差168.47 m,属构造剥蚀中低山地貌区，地形起伏较大。隧道区未见有地质构造的迹象。根据地区经验及同类相似工程经验，隧道区第四系土划分为中硬土类型,覆盖层厚度3～50 m,综合判定隧道区场地类别为II级。

根据地质勘查报告，拟建隧道区范围内主要地层为第四系坡残积(Qdl+el)粉质黏土，硬塑状态。含少量强风化砂岩碎石，切面粗糙，干强度较高，韧性一般，无摇振反应。场区内多被该层覆盖。承载力基本容许值250 kPa。三迭系中统易比组岩层：①石英砂岩，褐黄、青灰色，细粒结构，中厚层状构造；②砂岩，褐黄、青灰色，细粒结构，钙泥质胶结，薄～中厚层状构造。该层分布于隧道区大部分地段；③泥岩，灰绿、灰黑色，主要有黏土矿物组成。泥质结构，泥质胶结，中厚层状构造。

3.2 数据采集及雷达分辨率影响因素分析

现场采用意大利IDS公司RIS-K2型地质雷达，结合掌子面施工情况，由于掌子面凹凸不平且中间预留核心土开挖，因此，采用点触发式进行数据采集，检测天线频率为80 MHz，点距0.10 m，采样点数1 024，时窗600 ns，结合现场施工条件及探测要求，测线采用“=”形布置，见图2。

图2 测线布置图

影响地质雷达分辨率的主要因素有2方面：①介质波速的大小；②雷达波频率的选择。因此，在对勐远3号隧道进行超前地质预报前应进行雷达的隧道标定，即测定雷达波在该隧道中标准波速、频率。

3.3 雷达波形图分析解译

选取勐远3号隧道几个典型的断面进行研究分析，对采集的雷达图像进行解译，其中勐远3号进口K92+870掌子面，预测里程K92+870-K92+890。其雷达波形图中反映的斜向层理特征明显，与实际开挖吻合，雷达探测波形图见图3。

图3 勐远3号进口K92+870-K92+890段地质雷达探测波形图

通过地质观察，勐远3号进口K92+870掌子面，围岩以灰白色、黄褐色砂岩为主，强～中风化，中厚层状构造，节理裂隙较发育，结构松散，呈碎石状碎裂结构，受构造影响严重，层间结合差，岩体很破碎，地下水含量不丰富，掌子面呈干燥状，未见明显滴水、渗水现象，总体上，围岩稳定性较差，基本无自稳能力。

由图3可见，掌子面前方区域电磁波整体反射较强烈，掌子面前方时间深度30～90 ns(构造深度2～5 m，参考电磁波速0.1 m/ns)范围内，电磁波反射信号较强烈，振幅频率变化较大，同相轴较连续，初步推测此区域节理裂隙发育，裂隙间填充质潮湿，岩体较破碎，局部可能含碎石、块石；在掌子面前方时间深度90～180 ns(构造深度5～10 m，参考电磁波速0.1 m/ns)范围内，靠近左边墙区域，雷达电磁波信号逐渐由高频向低频过渡，振幅由大至小，同相轴较连续，初步推测此区域左边墙一侧节理裂隙较发育，局部含泥质填充，中间及右侧完整性较好；在掌子面前方时间深度180～310 ns(构造深度10～17 m，参考电磁波速0.1 m/ns)范围内，电磁波整体反射较强烈，斜向层理特征明显，振幅变化较大，同相轴较连续～断续，结合地质情况，初步推测此区域岩层走向从左至右呈斜向下方向，岩体较破碎，层间结合差，局部裂隙有潮湿泥质充填；在掌子面前方时间深度310～360 ns(构造深度17～20 m，参考电磁波速0.1 m/ns)范围内，电磁波反射较弱，振幅频率变化不大，初步推测此区域岩性与掌子面基本一致，围岩相对较稳定。

总体上，本次超前地质预报范围内(K92+870-K92+890段)掌子面前方围岩稳定性较差，开挖时侧壁及拱顶易产生坍塌掉块等现象，对施工安全不利，开挖前应对掌子面进行超前支护，加强衬砌，特别注意当遇到围岩破碎区、地下水较丰富区域及岩层走向发生改变区域时，应实施信息化动态施工，采取小进尺开挖，防止围岩失稳坍塌等。

对于勐远3号进口K92+950掌子面及K93+131掌子面，两者因地下水存在显著差异，将各自预测区段的雷达波形图及单道波图导出见图4、图5。

图4 K92+950

由图4可见，在掌子面K92+950前方时间深度20～180 ns(构造深度1.5～3 m，参考电磁波速0.1 m/ns)范围内，电磁波能量分布不均匀，局部衰减较快，振幅较宽，同相轴较连续～断续，初步推测此区域节理裂隙发育，裂隙间填充质潮湿，地下水较丰富，局部存在点滴状渗水等现象。在掌子面前方时间深度110～420 ns(构造深度6～23 m，参考电磁波速0.1 m/ns)范围内，靠近右边墙区域，纵向深度范围电磁波反射强烈，振幅较高、较宽，能量衰减较快，从单道波可以看出电磁波高频部分被吸收，以低频成分为主。综合判断，推测K92+950掌子面前方区域为富水带，地下水丰富，节理裂隙发育，填充质潮湿，围岩稳定性较差，开挖后局部可能出现线流等现象。

由图5可见，在掌子面K93+131前方时间深度50～160 ns(构造深度3～7.2 m，参考电磁波速0.1 m/ns)范围内，中部偏右区域，局部电磁波存在小幅震荡信号，同相轴不连续。从单道波可以看出，电磁波振幅较大，频率较高，能量衰减有一定规律，衰减较慢。推测此区域岩体较完整，局部存在少量节理裂隙，地下水不丰富，围岩较稳定。

对比富水区电磁波雷达图像与干燥区电磁波雷达图像，发现两者存在明显差异，富水区能量团分布不规律，能量衰减较快，且高频信号被吸收，以低频信号为主，振幅较高、较宽。干燥区能量按一定规律衰减，衰减较慢。电磁波振幅较大，频率较高，波形均一，同相轴连续。

3.4 现场开挖验证

为了验证地质雷达在地质超前预报中预测结果的准确度，采用现场开挖验证法[6]，对于斜向层理特征明显的区段，选取对应掌子面后方1个断面进行验证。对于富水区断面开挖对比，以验证雷达图像推测是否准确。

通过现场开挖验证，可以看到K92+880断面岩层走向呈明显的倾斜式走向，围岩呈片状层状构造，节理裂隙发育，局部含泥质胶结，岩质偏硬，围岩稳定性较差，验证了地质雷达在超前预报中对岩层走向及围岩破碎情况预测结果与实际基本一致。

通过开挖验证，可以明显看出K92+953断面地下水丰富，局部呈淋雨状滴水，围岩潮湿，结构松散，稳定性较差，开挖时易产生坍塌掉块等现象。验证了地质雷达波形图对围岩的推测。

开挖验证结果表明，地质雷达对围岩节理裂隙发育情况、岩体破碎程度的预测与实际情况基本吻合，岩层走向预测结果与实际情况也基本一致，地下水丰富程度与预测基本相符，从而说明了地质雷达在短距离超前地质预报中辨识度较强，精度较高，预报结果较准确。

4 结语

1) 地质雷达在进行短距离(20～30 m)的隧道超前地质预报中准确率较高，能够有效地探测隧道掌子面前方围岩情况，通过对可能存在的不良地质(如溶洞、岩层破碎带、节理裂隙发育区、地下水富集区、岩性变化区等)的区域进行超前预测，对隧道安全施工起到参考及保障作用。

2) 通过对地质雷达波形图的解译进行深入研究，结果表明，在斜向节理发育区，电磁波整体反射强烈，斜向层理特征明显，振幅变化较大，同相轴较连续～断续，在富水区，纵向深度范围电磁波反射强烈，振幅较高、较宽，能量衰减较快，单道波可以看出电磁波高频部分被吸收，以低频成分为主。

3) 针对勐远3号隧道施工环境选择了点测法，并布置了多条测线进行数据采集。对数据的后处理步骤进行了优化，结合工程实际，对雷达图像进行解译，积累了经验。

4) 在勐远3号隧道施工过程中，全程跟进、使用地质雷达进行了超前地质预报，取得了良好的效果，准确地预测出多处地质不良段，有效地弥补了勘查时存在的不足及不准确的情况，对隧道施工过程的安全性及经济性起到了重要作用。