地质雷达在西山隧道超前地质预报中的应用

曹延海 张甫珂

0 引言

地质雷达(Ground Penetrating Radar，简称GPR)是一种广泛用于地质探测的高频电磁脉冲波技术，再利用电磁脉冲波的反射来探测地下目的体分布形态及特征。近年来被广泛地应用于高速公路隧道、铁路隧道、路基病害等领域，随着我国公路隧道工程数量和建设速度的加快，为了更好地保障隧道施工过程安全和加强隧道工程质量管理，通过地质雷达超前地质预报来及时发现异常变化，预报出掌子面前方不良地质体的位置产状，为隧道选择正确的开挖断面、支护设计参数和优化施工方案提供了依据。另外由于地质雷达与其他型预报相比具有设备简单、测量速度快、高分辨率、基本不干扰现场施工，特别是在20 m～30 m范围内的高精度预报等特点，而被广泛应用于隧道短距离超前地质预报中。

1 地质雷达的基本探测原理和方法

1.1 地质雷达探测原理

地质雷达的探测原理是根据岩层、土质及其他物质电导率和介电常数的不同，以及相邻两种物质的电性、物性差异作为测试条件，形成反射界面而探测地下目的体分布形态及特征(见图1)。

图1 地质雷达工作原理示意图

地质雷达工作时在主机控制下，雷达脉冲源产生周期性的毫微秒信号，经过电缆直接反馈给发射天线，经由发射天线耦合到前方围岩的信号在传播路径上遇到介质的非均匀体(如断层、空洞、破碎带等)时，产生反射信号。发射信号接收后传输到接收机，信号在接收机经过整形和放大等处理后，再经由电缆传输到雷达主机，经处理后传输到微机。在微机中对采集的信号依照幅度进行编码，并以伪彩色图或灰色图的方式显示出来，再通过分析电磁波的时频特征、振幅特征、相位特征、频谱等，便可以推断出掌子面前方异常地质或目的体分布情况。

1.2 地质雷达探测方法

1.2.1 测试频率和测线布置

考虑到本隧道不具备岩溶发育条件，超前地质预报主要在于精确定位掌子面前方的断层、破碎带、含水区等，即以准确预报不良地质的分布为首要目的。本隧道每次的探测深度为30 m，连续预报，且前后两次重叠长度为5 m，当日测试便当日提交超前地质预报报告，并及时报送决策部门和施工单位。

地质雷达的测线布置方法相对比较灵活，可以根据现场情况布置一些测线、测点或网格。一般以掌子面前方为检测目标，以拱顶为中心，“十”字形布置两条测线，有时开挖工作面会凸凹不平整，可采用点测法，一般点距0.5 m～1 m。在地质复杂地段可以采用“井”字形布置测线，当发现明显异常反射时，可以加密雷达测线以提高测试结果。隧道采用了一条测线加点测的方式，如图2所示。

图2 雷达测线及测点布设示意图

1.2.2 数据采集及处理

对于不同深度、不同岩性的探测目的层与目的物，在应用地质雷达检测时，需选择相应频率的天线和适当的仪器参数。当探测深度为20 m～30 m时，一般选用频率相对较低的天线。本隧道使用美国劳雷公司SIR-3000型地质雷达，天线频率100 MHz，采样点数1024，时间根据探测深度而定。

实测的数据处理主要采用“RADAN5.0”软件进行分析。通过该软件可以对雷达波原始数据进行数字滤波器(如FIR Filter，IIR Filter)、偏移(Migration)、希尔伯特变换(Hilbert Xform)等预处理，然后再结合掌子面地质情况、地质勘探资料、区域地质情况和地质工程经验对数据处理结果做出合理准确的解释。

2 地质雷达在西山隧道中的实际应用

2.1 工程地质概况

西山隧道是太原至古交高速公路第三合同段一座分离式隧道。隧道位于山西省太原市西部的吕梁山脉东翼的石千峰山北麓，是目前国内第二大公路隧道，属特长隧道。隧道右线全长13570 m，最大埋深 445.85 m，位于 YK6+960处;左线全长13654 m，最大埋深451.61 m，位于ZK7+020处。左右线均属特长隧道，最大间距55 m，最小间距48 m。

隧址区位于五台山块隆次级构造单元古交掀斜地块的中部，共有发育断层17条。局部地段显示一些规模不大的断裂和微弱的褶皱，构造线方向大多呈北东向，少数呈东西向或近南北向。

所以通过超前预报预测隧道掌子面前方岩层的裂隙、断层、含水区等不良地质，及时反馈施工方，采取有效的技术措施和安全措施，保障施工的安全进行。

2.2 典型雷达图像分析

2.2.1 岩层含水区预测

西山隧道左线在里程为ZK9+692的掌子面岩性为石灰岩，强风化，节理、裂隙较发育且分布密集杂乱，呈镶嵌碎裂结构，掌子面潮湿局部层间夹有粘性土，设计为Ⅲ级围岩。勘察设计认为该段平均埋深较大，且围岩岩性以石灰岩为主，富水可能性较小，但实际由于西山隧道所在山体内煤层发育，曾经历过数年的采掘，可能会有积水，再由于地表水补给容易，富水性仍较强。如图3所示是在掌子面自左向右进行超前地质预报的波形图。

图3 西山隧道左线里程ZK9+692雷达波图像

从图3中可见，掌子面(里程为ZK9+692)前方0 m～18 m段为相对低幅反射波组，局部存在强反射同相轴，预计该段围岩特征与目前掌子面基本相似。相比较而言，距目前里程18 m～30 m范围内(即ZK9+710～ZK9+722)雷达电磁波出现多组规律性较强的反射波同相轴，且反射波同相轴连续，振幅较大，以低频为主，推断该段围岩破碎，可能存在渗水现象。

后经开挖证实，在ZK9+712处围岩破碎松散，掌子面出现股状渗水并伴有掉块现象，由于预报及时准确，施工方提前进行了加固处理和排水措施，保障了施工安全。

2.2.2 裂隙破碎带预测

裂隙破碎带或密集带一般存在于断层影响带、岩脉带及软弱夹层中。由于裂隙内比较破碎且不连续，与周边围岩形成电性差异，在雷达波形图上显示为区域性的高频密纹反射波。

从西山隧道右线出口里程YK12+456雷达波图像上看，距目前掌子面10 m～25 m范围内(即YK12+446～YK12+431)雷达波信号相对比较平静，振幅不大，没有较强的反射波和连续的同相轴出现，说明该段围岩与掌子面特征相似，相对稳定。但掌子面前方5 m～10 m和25 m～30 m范围内存在多组区域性的强反射波，同相轴错乱，反射界面较多，推断该段围岩节理裂隙发育，岩层层面结合性较差，可能存有断层或软弱夹层。

实际开挖至该段时，掌子面风化程度不均匀，呈压碎～松散结构，有一条破碎带且有软弱夹层，预报结果与实际情况基本吻合。

3 地质雷达的注意事项

1)在探测之前要进行场地调查，地质雷达采集数据时，极易受到施工现场的影响，特别是金属(台车，锚杆)、对讲机等对电磁波的干扰，应准确记录实际情况，并标出位置，必要时应布置多条测线，以保证雷达采集数据的准确性。

2)在探测过程中，原则上应尽量靠近掌子面轴心位置，测线距离尽可能长，尽可能多采集数据，便于后期数据分析处理。

3)图像解释时应着眼整条波形线，重点研究连续距离长、振幅变化大、波形稳定的波，对绕波、散波、同相轴现象不连续进行解析。

4)波速是不稳定的，判读一般都有误差，这就需要在施工进度达到预报里程时，把预测结果和现场掌子面情况进行对比，不断检验和修正。

4 结语

通过地质雷达在西山隧道超前地质预报中的应用实例，得到以下体会:

1)采用地质雷达探测隧道掌子面前方地质状况是一种快速简便、分辨率高、屏蔽效果好、图像直观、对施工影响小的方法。

2)地质雷达对断层、含水区、裂隙破碎带等具有较高的识别能力，探测效果明显，为保障施工安全提供了有效指导。

3)含水区岩层在雷达图像中表现为强反射带，反射波主频降低，相位发生翻转，并且通过富水区后能量衰减较快，削波现象严重。

4)裂隙反射波同相轴杂乱，反射界面较多，如果岩层比较破碎时，频谱较宽，主频特征不明显，并且波幅衰减很快。

5)把雷达探测的解释和地质特征解释进行综合分析和判读是一种提高预报准确度的方法，但由于不同的地质构造差异很大，对雷达图像的判读和识别具有多解性。这就要求广大工程技术人员不断努力，积累实际工程经验，提高专业技能，使雷达预报技术达到一个新的高度。

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