探地雷达在油竹山隧道施工超前地质预报中的应用

章飞亮 赵 鹏

(中铁隧道勘测设计院有限公司，天津 300133)

探地雷达在油竹山隧道施工超前地质预报中的应用

章飞亮 赵 鹏

(中铁隧道勘测设计院有限公司，天津 300133)

以贵广高速铁路中的油竹山隧道超前地质预报探测工作为例，将探地雷达预报成果与超前地质钻孔成果进行对比，显示了预报结果的准确性，指出探地雷达作为一种快速高效、高分辨率的无损探测技术，在隧道超前地质预报中得到了广泛应用。

探地雷达，超前地质预报，隧道，掌子面

0 引言

随着我国经济的快速发展，新建的隧道工程越来越多。在隧道施工过程中，由于地质条件复杂，有很多潜在的、无法预知的地质因素，如溶洞、断层、地层破碎带、富水岩层等。如果不能预见隧道掌子面前方的不良地质情况，则可能在隧道掘进过程中会出现塌方等地质灾害，导致人身伤亡，工期延误，造成巨大的经济损失。因此，提前发现掌子面前方的地质变化情况，为施工提供准确的地质资料，及时采取相应的施工措施，降低地质灾害发生的几率，保障隧道施工的安全是非常重要的。目前常用的超前地质预报方法有工程地质调查与推断法，超前钻探法，地震多波多分量反射法(Tunnel Seismic Predication)，探地雷达法(Ground Penetrating Radar)等[2，3]，而探地雷达因具有扫描速度快、操作简便、重量轻、分辨率高、屏蔽效果好、图像直观等优点而在隧道超前地质预报中得到广泛的应用。

1 工作原理

雷达图形常以脉冲反射波的波形形式记录。波形的正负峰分别以黑、白色表示，或者以灰阶或彩色表示。这样，同相轴或等灰度、等色线即可形象地表征出地下反射面。图2为波形记录的示意图。图上对照一个简单的地质模型，画出了波形的记录。在波

形记录图上各测点均以测线的铅垂方向记录波形，构成雷达剖面。

在超前地质预报中，电磁波在向掌子面前方传播过程中，当遇到电性差异的目标体(裂隙、岩溶和富水层等)时，电磁波会发生反射，反射信号通过接收天线接收。然后对获得的地质雷达数据进行处理和分析，依据雷达波形，电磁场强度，振幅和双程走时等参数，推断掌子面前方的地质构造。

2 工作方法与技术

2.1 天线中心频率的选择

2.2 测线布置及信号触发方式选择

地质雷达探测主要用于岩溶探测，现场数据采集在施工揭露的掌子面或底板、边墙岩体上进行。为了尽量少采集数据占用施工时间，按施工现场的具体地质变化情况布置测线。由于在掌子面上部人工移动雷达天线困难，掌子面测线一般情况布置一条测线；特殊情况下需要在装载机斗安装有操作台的装载机配合布置十字或井字测线。本次测量布线方式如图3所示，测线起点面对掌子面的右侧。由于隧道掌子面宽度相对来说比较窄，可能出现凹凸不平等不利条件，选择自动连续测量对数据质量影响大，一般采用键盘触发方式测量，即通过电脑键盘发出指令给雷达控制系统，按一下键盘采集一道数据，天线按固定间距移动，移动一次采集一道数据。

2.3 探地雷达图像特征

隧道超前预报主要是确定掌子面前方的构造断裂、软弱夹层、岩溶洞穴等分布位置以及掌子面前方地下水情况，岩溶洞穴填充物及其性质的预报等。几种主要的探地雷达图像特征如下：

1)完整的岩体电磁波基本没有反射信号，但往往由于风化及含水率等影响，在岩体内部会有些微弱的信号反射，其表现出来的特征就是一些中高频的反射信号，整个范围内频率变化小，同相轴连续且均一、平行，信号的振幅弱;

2)断裂破碎带的信号一般呈现不均匀的低频和中频特征，信号频率在断层破碎带位置急剧变化，没有规律性，同相轴不连续，存在错段，呈带状区域化杂乱分布，信号振幅较强;

3)充填型岩溶的电磁波反射信号呈现出来的是均匀的低频信号，频率有规律的急剧变化，同相轴较为连续、规律，波形均一，信号振幅强，且存在多次震荡信号。

3 工程实例

3.1 工程概况

油竹山隧道全长9 896m，位于贵州省黔南州贵定县与都匀市交界处，地处苗岭山脉的腹部区，隧区主山体呈东西走向，支脉向南北方向展布，线路与主山体走向一致。隧道区地貌受构造及岩性控制明显，兼有溶蚀、剥蚀类型，属低中山山地地貌。最高点为轿子顶，海拔1 762.5m，最低点是隧道进出口端的冲沟，高程约有970m。地形起伏较大，相对高差350m～750m。本隧道通过可溶岩地段且洞身发育多条断层，可能遇大型溶洞、大段溶蚀破碎带、大型储水溶岩管道，给施工安全带来严重隐患并可能造成灾害性的环境地质问题。

3.2 探测结果

图4是使用RAMAC/GPR地质雷达100MHz主频天线采集的雷达数据，采集频率995MHz,采集点数为512，天线间隔1m,采样间隔0.1m；图5是相对应的地质解释成果图。具体的预报结果如下:

掌子面前方探测范围P1K82+906～P1K82+936段岩体破碎，溶蚀作用强烈发育，掌子面中部可见岩溶发育，为泥质填充，大股状出水，涌水量在10m3/h～12m3/h之间。

1)其中在P1K82+906～P1K82+909段推测为岩溶发育，泥质填充，溶蚀作用强烈发育，岩体破碎，为富水体；

2)在P1K82+911～P1K82+913段岩体为溶蚀破碎带，发育有小型溶腔的可能性较大，此外在P1K82+915处发育有一小型溶槽，泥质填充，富水；

3)在P1K82+918～P1K82+935段整体较破碎，发育为一大型岩溶管道的可能性极大，溶蚀作用强烈发育。

4 超前地质钻孔结果对比

在隧道P1K82+906掌子面进行了超前地质水平钻探作业，共钻3孔，其中1号孔深为30m，2号孔深为30m，3号孔深为21m，超前钻孔终孔里程位置为30m。

通过钻孔情况，基本了解了该段的地质情况(见图6)。

1)P1K82+906～P1K82+936岩性为白云岩，其中P1K82+906～P1K82+925岩体较破碎～破碎，岩溶作用发育，地下水发育，P1K82+910，P1K82+917，P1K82+921，P1K82+924四处水量分别约为20m3/h，20m3/h，25m3/h，20m3/h。P1K82+925～P1K82+936段岩性为白云岩，岩体较完整，地下水不发育。

2)P1K82+910～P1K82+911段发育溶蚀管道，富水，直径约1m。P1K82+916～P1K82+917段隧洞左侧发育溶蚀管道，富水，直径约1m。P1K82+920～P1K82+923段隧洞左侧发育一溶洞，洞径大于3m，洞内富水，有泥沙充填。

由此可见，超前地质钻孔结果与探地雷达的预报结果基本吻合。

5 结语

通过对地质雷达的图像处理和解释可知，完整岩体与溶洞、断裂破碎带及富水带岩体之间存在明显的电性差异，具有较好的地球物理探测条件，因此，我们在隧道掘进过程中采用地质雷达进行超前预报掌子面前方的不良地质体是可行的。

通过地质雷达超前预报成果与超前地质钻孔结果的对比，地质雷达对不良地质体(岩溶、断裂破碎带和地下水发育等)的预报准确度较高。这为隧道的施工提供了可靠的掌子面前方不良地质体基础资料，减少施工过程中因围岩条件的变化而引起的安全事故的发生。

[1] 李大心.探地雷达方法与应用[M].北京:地质出版社,1994.

[2] 何发亮,李苍松.隧道施工期地质超前预报技术的发展[J].现代隧道技术,2001,38(3):12-16.

[3] 赵永贵,刘 浩,孙 宇.隧道地质超前预报研究进展[J].地球物理学进展,2003,18(3):460-464.

[4] 郑维忠.地质雷达原理及其在隧道超前预报中的应用[J].山西建筑,2007,33(24):308-309.

[5] 李学明.隧道工程中探地雷达空洞探测机理研究与应用[J].山西建筑，2011，37(21)：162-163.

Application of Ground Penetrating Radar to geological forecast for Youzhu mountain tunnel construction

ZHANG Fei-liang ZHAO Peng

(ChinaRailwayTunnelSurvey&DesignInstituteCo.,Ltd,Tianjin300133,China)

In this paper, the Youzhu mountain tunnel of Guiyang-Guangzhou high-speed railway geological prediction example, compared with the GPR results and geological drilling forecast results, illustrates the prediction accuracy of the results, point out Ground Penetrating Radar(GPR) as a fast and efficient, high-resolution non-destructive detection technology has been widely used in tunnel geological prediction.

Ground Penetrating Radar, tunnel geological prediction, tunnel, tunnel face

1009-6825(2014)03-0194-03

2013-11-13

章飞亮(1985- )，男，助理工程师； 赵 鹏(1983- )，男，工程师

U455

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