地质雷达在凤凰山隧道中的应用

朱瑞允 高文博 董晓明

(1.安徽省高速公路控股集团有限公司，安徽合肥 230022;2.港珠澳大桥管理局，广东广州 510101;3.长安大学公路学院，陕西西安 710064)

0 引言

黄土古称“黄壤”，本源于土地之色，是一种第四纪沉积物，具有一系列内部物质成分和外部形态的特征，不同于同期的其他沉积物，在地理分布上也有一定的规律性。在我国，由于黄土地区地质情况复杂，地质灾害较多，为适应经济发展、扩大内需与国民经济发展战略的需要，建设在黄土地区的隧道工程数量逐渐增多，由于黄土特殊的物理力学性质，黄土隧道的工程特征与普通岩石隧道有相当大的差异［1］。

目前，对于黄土隧道初期的勘察不能完全认识到隧址区的工程地质和水文地质条件，导致开挖过程中常常出现涌水、突泥、塌方及各种脱空、空洞等事故，造成不必要的经济和人力损失，但地质超前预报，能够有效的避免以上隐患，减少不必要的损失，因此，超前地质预报是隧道开挖过程中的重要工序之一。地质雷达检测是近年来在中国开始应用于隧道工程中的一项新技术，是地质研究与地震、雷达探测相结合的方法，在隧道工程衬砌质量检测中得到了广泛应用［2-5］。

本文以山西省泽州县凤凰山隧道为例，对隧道右线出口K81+478～K81+513段进行地质超前预报，并对测试结果进行分析，给出了经济合理的预测方案。

1 工程概况

凤凰山隧道位于泽州县凤凰山矿业有限公司西侧的凤凰山，设计为左右分离式，隧道左右线均属长隧道，两洞中轴线最大间距约50 m，地形变化较小，总体走向近南北向。左洞地表最低海拔高程844.6 m，最高海拔高程936.779 m，相对高差92.179 m。右洞地表最低海拔高程847.20 m，最高海拔高程932.94 m，相对高差85.74 m。北端洞口位于凤凰山西北面的斜坡上，冲沟较宽，呈“U”字形，沟岸为中陡坡;南端洞口位于小车渠村北侧冲沟东岸斜坡上，冲沟较窄，呈“V”字形，沟岸陡峻，距现有乡村公路约300 m，交通较为困难，南端洞口位于凤凰山南面的斜坡上，距现有公路约500 m，交通较为困难。

隧道区地形坡度较大，地表径流条件较好，表部残坡积厚为0.5 m～3.0 m，疏松多孔，透水性较好。下伏基岩节理裂隙发育，但连通性较差，闭合性较好，水量较贫乏。构造破碎带内虽裂隙很发育，但大多闭合，含水量不大，地下水位受季节和地形的影响，流向与地形起伏一致，向低洼处排泄。

2 地质雷达的工作原理

地质雷达(Ground Penetrating Radar，简称GPR)也称为探地雷达，地质雷达的探测原理与航空雷达相似，根据反射波的形状、幅度及其在横、纵向上的组合特征和变化情况并结合当地的岩层、土质、其他物质电导率和介电常数，判断地下目标体的分布形态及特征，并对其进行数据处理、分析、解译来达到探测目的，是一种用于确定地下介质分布的广谱(1 MHz～1 GHz)的电磁波技术［6-8］。与其他类型预报相比，地质雷达具有设备简单、分辨率高、测量速度快、不受现场施工干扰等优点，探测深度一般为20 m～30 m，适宜于对节理裂隙破碎带的探测预报，同时对于地下水与地下溶洞的预报也有较好的效果。其工作原理见图1［9］。

图1 地质雷达工作原理

根据波动理论，电磁波的波动方程为:

式(1)中第2个指数－βγ是一个与时间无关的项，它表示电磁波在空间各点的场值随着离场源的距离增大而减小，β为吸收系数。式中第一个指数幂中αγ表示电磁波传播时的相位项，α为相位系数，γ与电磁波传播速度V的关系为:

当电磁波的频率极高时，式(2)可简略为:

其中，c为电磁波在真空中的传播速度;ε为介质的相对介电常数。

波动的传播实际上可以看成波前沿传播方向推进。波前的传播时间可以看成空间位置的函数，即:

若知道上述函数关系，就可以确定波前到空间任一点M(ξ，ψ，ζ)的时间t。这种由函数关系确定的时空关系称为时间场。在时间场内，我们可以将时间t相同的点连系起来，构成一个等时面，等时面方程为:

按场论规则，射线实际上是沿时间场的梯度方向。根据梯度的定义有:

式(7)为射线方程式。欲求其解，除必须给出某个时间t=t0时，波前面Q位置的起始条件Q0=(ξ，ψ，ζ)=0，以及在某个界面Z=Z(ξ，ψ)上观测的边界条件 t(ξ，ψ，Z(ξ，ψ))=0。

3 地质雷达探测方法

3.1 探测注意事项

采用剖面法进行探测，探测过程中尽可能使天线贴近掌子面沿布设的测线移动，以保证天线与掌子面之间的耦合性，检测过程中应注意的几点:

1)为避免支护结构的干扰，尽量选择新鲜掌子面进行探测。

2)在探测前，应先对探测掌子面后方约50 m区域内的隧道环境和掌子面的地质情况进行详细记录。

3)在进行探测的过程中，施工台架是探测中最常见的干扰物，探测时退离掌子面约40 m以减少其对探测结果的影响。

4)一般在掌子面横、竖方向呈“井”字形各布置两条测线进行探测，尽量使掌子面平整确保雷达天线充分接触掌子面，为了便于后期数据分析，测试过程中应尽量多采集数据。

5)采集数据前，应查看天线附近是否有电磁波辐射源或金属体存在，以确保后期解译的准确性。

6)完成现场预报后并对预报过程如测点数、测点点距、测线长度及测线距离左右边墙的距离等进行详细的记录，在图像解释时应着眼整条波形线，重点研究对绕波、散波、同相轴现象不连续的波进行解析，把预测结果和现场掌子面情况进行对比，不断检验和修正。

按照操作程序，每次接收的记录便构成了地质雷达反射波时间剖面图像，反映掌子面前方围岩各个反射面的状况。

3.2 测线布置

一般情况隧道检测对拱顶、拱腰、边墙及隧底4个部位进行检测，准确地说，拱腰测线应布置在起拱线1 m范围内，边墙测线有两种情况:对曲墙断面，应布置在边墙脚1 m范围内;对直墙断面，应在边墙的中部和墙脚1 m范围内各布置1条测线。

由于凤凰山隧道右线出口K81+478～K81+513段不属于岩溶发育条件，运用地质雷达测超前地质预报能够准确分析出掌子面前方的破碎带、断层、含水区等工程地质情况，本隧道采用连续进程测量，并且每次检测的深度均为30 m，相隔两次测得的长度均为5 m，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，本隧道采用了一条测线加点测的方式，布置方式如图2所示。在进行测试过程中，当天的探测结果当天进行分析检测并提交地质预报。因岩石断层、溶洞、破碎带及地下水丰富区域的介电常数差异较大，所以雷达图像对此类地质条件有明显的反映，因而利用地质雷达进行地质超前预报是有效的。

图2 雷达测线与测点布设

3.3 数据采集及处理

本文采用美国劳雷公司生产的SIR-3000型地质雷达(见图3)，采集数据过程中着重确定采样窗口尺寸、增益点设置和选择显示效果，同时做好现场记录，这些都是资料解释的基础。在检测中如果遇到干扰信号应该记录下来，进行分析并注明其性质、与测线的距离、位置关系等。

图3 SIR-3000型地质雷达

采用“RADAN5.0”软件对实测数据进行分析，以便对数据做出准确、合理的解释。数据处理为反射波时间剖面图解译提供了前期准备，目的就是消除或抑制干扰(如有效信号中可能混有背景噪声、杂波干扰及多次波干扰等)，以最大分辨率将有效信号显示在雷达图像上，为合理、准确的地质解译工作提供可靠的实测资料［10］。

4 测试结果与分析

4.1 岩层含水区预测

本次雷达预报探测范围K81+478～K81+513段计35 m，距掌子面18 m～30 m范围内，即K81+496～K81+508范围内，雷达电磁波衰减较快，局部存在强反射同相轴，预计该段围岩与目前掌子面相比会稍有变化，岩性为灰岩，厚层构造为主，局部为中厚层，强～中风化，节理、裂隙较发育，呈块～块碎状结构，局部层间有次生矿物充填，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。通过开挖证实，K81+490处围岩破碎松散，掌子面出现股状渗水并伴随着掉块现象。

4.2 裂隙破碎带预测

由凤凰山隧道右线出口处的雷达波形可知，与掌子面距离为10 m～25 m区域，雷达波信号相对较平静，无连续同相轴与强反射波，证明该段围岩与掌子面特征相近;与掌子面距离为5 m～10 m，25 m～30 m区域，内反射界面较多，有同相轴错乱与多组区域强反射波出现，判断该段围岩存在节理裂隙发育现象，有可能存在断层或软弱夹层。开挖实践验证，该区域的掌子面局部破碎，拱顶层面组合容易局部掉块，层面结合稍差，有条破碎带且有软弱夹层，这与预报的结果基本相一致。

5 结语

地质雷达对裂隙破碎带、断层、水及溶洞比较敏感，是一种比较准确可靠的检测工具，可以为保障施工安全提供有效指导;距掌子面18 m～30 m范围有渗水现象出现时，雷达电磁波快速衰减，局部有强反射同相轴存在，在含水区岩层中有强反射带出现;距掌子面前方5 m～10 m和25 m～30 m范围内，有同相轴错乱和多组区域强反射波出现，岩层存在局部掉块现象，层面有条破碎带出现并伴有软弱夹层;综合分析判读雷达探测解释和地质特征解释是一种有效提高预报准确度的方法，在解释过程中，应将探测成果与地质勘探资料、掌子面地质资料有机结合，以确保典型地质标体的雷达图像识别能力得到加强;工程技术人员应不断努力学习、积累工程经验、提高专业技能，确保能够准确、可靠地进行地质预报分析。

［1］ 郑甲佳.浅埋暗挖地铁黄土隧道系统锚杆作用机理研究［D］.西安:长安大学硕士学位论文，2009.

［2］ 李大心.探地雷达方法与应用［M］.北京:地质出版社，1999.

［3］ 夏才初.地下工程测试理论与监测技术［M］.上海:同济大学出版社，1999.

［4］ 杨 峰，苏红旗.地质雷达技术及其在公路隧道质量检测中的应用［J］.筑路机械与施工机械化，2005(3):10.

［5］ 钟世航，王 荣.探地雷达检测隧道衬砌中的几个问题［J］.物探与化探，2002(10):5.

［6］ 刘志刚.隧道隧洞施工地质技术［M］.北京:中国铁道出版社，2001.

［7］ 薄会申.地质雷达技术应用手册［M］.北京:地质出版社，2006.

［8］ 王 亮，王绪本，李正文.地质雷达方法检测隧道衬砌质量研究［J］.物探化探计算技术，2009，29(6):517.

［9］ 王齐仁.隧道地质灾害超前探测方法研究［D］.长沙:中南大学博士学位论文，2007.

［10］ 赵 宇.GPR及TSP在隧道超前地质预报中的解译标志研究［D］.成都:成都理工大学硕士学位论文，2009.