地质雷达在公路隧道超前地质预报中的应用

赵俊杰，李 妮

(1.山西省交通建设工程质量检测中心(有限公司)，山西 太原 030032；2.晋能集团晋华宫矿，山西 大同 037000)

1 地质雷达技术的超前地质预报基本原理

在隧道工程建设中，隧道掌子面前方的围岩情况十分复杂，时常遇到不良地质体，如岩溶发育、断层破碎和地下水资源富集等，可能会使隧道产生突泥突水、坍塌及岩爆等灾害。对此，隧道工程建设初期，通常都会开展地质勘察工作，然而，由于受到成本、条件和技术等方面的限制或影响，地勘结果可能和实际状况存在明显偏差。由此可见，在隧道工程建设中开展超前地质预报工作是十分重要且必要的。就目前来看，对基于地质雷达技术的超前地质预报工作进行的研究有很多，比如对典型地质现象雷达图像和现场实际情况实施对比，取得了显著的成果，但对图像振幅、频率和地质情况之间的关系的分析还有待于进一步深入，怎样根据波形图对地质现象进行识别还需要进行完善。

地质雷达是由发射天线向介质持续发射高频电磁波，如果发射出去的电磁波遇到在电性上存在明显差别的界面，则会产生折射与反射，并且介质本身也会对电磁波进行散射、吸收与滤波，此时利用接收天线对反射波进行接收与记录，并借助专门的处理软件开展数据信息处理，以处理之后的图像为依据，并结合现有的工程地质报告和各类地球物理特征等完成推断解释，最终对掌子面前方地质情况进行准确预测。

2 地质雷达技术的超前地质预报方法和步骤

2.1 前期准备

在正式采用地质雷达技术开展探测工作之前，应先对探测场地实施全面清理，使掌子面尽可能保持平整，同时确保周边环境对探测的正常开展是有利的，然后对地质雷达设备进行安装与连接，并对其功能进行相应的调试，以保证各项功能使用正常。做好前期准备工作是确保地质雷达预报工作顺利完成，并取得理想的探测结果的关键，必须引起相关人员的高度重视，按照相关规定完成各项准备工作。

2.2 测线布置

在确认现场检测环境达到良好，同时地质雷达的各项功能均保持正常状态以后，方可开始测线布置工作。对于测线布置，其方式可谓多种多样，但必须严格遵循可以探测掌子面前方开挖断面实际地质情况的基本原则，通常在没有特殊规定的情况下采用十字形的测线布置方式，也就是将隧道的拱顶作为中心，然后在横向与竖向分别布置测线；此外还可以采用类似于等号的测线布置方式，按照从左到右和从右到左的方向分别布置测线。无论采用何种测线布置方式，都要注意在围岩条件相对较差的地方对测线予以适当加密处理，确保测线布置满足探测基本要求，保证探测结果的全面性和真实性，为之后的地质超前预报奠定良好基础。

2.3 数据采集

在完成了各项前期准备工作并将测线布置完成且通过检查合格后，方可开始数据采集，在实际的数据采集过程中，雷达信号主要有三种触发方式：第一种为测距轮方式，该方式要求掌子面必须保持光滑和平整，确保测距轮能在掌子面上自由滚动；第二种为时间触发方式，即数据采集系统以一定时间间隔自动发出电磁波，同时对发出的电磁波的反射信号进行采集；第三种为点触发方式，即利用电脑键盘生成并发送指令，在数据采集系统接收到指令后，工作人员每操作一次键盘雷达天线即向外发射一次电磁波，并采集一次电磁波反射后的数据，之后按照固定的间隔距离对屏蔽天线进行移动，采用相同的方式再次采集数据。该方式适合开挖掌子面平整度较差且不容易处理的情况。数据采集方式的选择一方面要明确不同采集方式的特点和性质，然后充分考虑现场实际情况，保证所选数据采集方式的适宜性对数据采集准确性和流畅性有重要作用。

2.4 参数选取

根据以往工作经验，地质雷达以由IDS公司研发的RIS-K2型最为常用，其主要参数包括：(1)天线频率为80 mHz；(2)点之间的距离为0.10 m；(3)

采样点数为1 024；(4)时窗为600 ns。具体的叠加次数、记录时间和采样频率等均可根据隧道实际情况进行调整，并在超前地质预报工作开展初期予以标定。

2.5 数据处理与解译

在数据采集结束后，应立即对采集到的数据予以后处理，常用的处理软件为Reflexw，数据后处理步骤为：(1)减平均值，并去除偏移的信号；(2)静校正；(3)去除水平信号并进行背景去噪；(4)增益；第五步为带通滤波；(5)去除毛刺噪声，并取滑动平均。

由于地质雷达技术的应用已经达到比较普遍的程度，所以为基于地质雷达的图像解译工作提供了一些宝贵经验。然而，考虑到不同隧道工程的地质情况不尽相同，而且往往隧道中的地质情况十分复杂，所以只从雷达波形这一个角度对隧道围岩进行解译往往是不准确的，需要充分结合现场观察结果、现有地勘资料和图像解译三者进行分析，以此提高解译与预报结果的准确性。图像解译实际上是对完成后处理的波形图实施深入分析与解读，需判断的参数包括波形、波速、振幅、振频与相位变化，此外还应确定同相轴是否保持连续和电磁波能量实际吸收状况。

2.6 开挖验证

将隧道开挖至之前地质预报的里程后，需要对之前得到的图像解译结果予以验证，具体的验证方法为对比预测结果和现场开挖后的各项地质情况，这实际上是一个不断累积相关经验的过程。如果预测的结果和现场开挖后的情况基本相符，则说明基于地质雷达技术的超前地质预报方法合理可行，能实现对隧道开挖掌子面之前地质情况的准确预报，为下一步的开挖施工提供可靠参考依据，之后的施工都可以运用这一方法。

3 结 语

综上所述，在隧道工程超前地质预报工作中引入地质雷达是一种先进可行的做法，能在顺利完成地质预报的基础上，保证预测结果的真实性与完整性。基于地质雷达的隧道超前地质预报工作需严格按照前期准备、测线布置、数据采集、参数选取、数据处理与解释、开挖验证的步骤进行，并在实际工作中加强管控，保证探测过程顺利完成和探测结果的真实性与准确性，为之后的预测预报奠定良好基础。