地质雷达监测技术在隧道工程中的应用

杨 君 金爱兵 北京科技大学土木与环境工程学院

地质雷达监测技术在隧道工程中的应用

杨 君 金爱兵 北京科技大学土木与环境工程学院

简述地质雷达的工作原理，并介绍赐儿山隧道的地质雷达超前预报的测线布置、探测技术参数等。通过对地质雷达扫描图像的研究和分析，以及与隧道掌子面开挖后的实际地质情况作对照，指导该隧道掌子面的开挖，并进一步证明地质雷达在隧道掘进时能准确地探测掌子面前方围岩状况，从而有效避免事故的发生。

地质雷达；超前预报；掌子面

地质勘探资料是隧道设计时的基本依据，由于勘测时受技术，气候，经济等诸多条件的限制，往往在施工时发现实际情况与勘察设计不符。因此，在地质条件复杂时，超前地质预报能准确地预测掌子面前方的地质情况，使施工人员能灵活调整，避免发生灾害，确保施工安全。地质雷达探测法具有探测速度快、非接触、非破坏性探测、分辨率高、可直接获得低下剖面图、可进行资料的实时成像处理、不影响施工等优点，因此被广泛应用于超前地质预报。

1 地质雷达的工作原理

地质雷达方法是一种能确定地下介质分布状况的电磁波法。其原理是利用发射天线把高频电磁波以宽频脉冲的形式定向送入地下。当电磁波遇到不同介电常数或电导率亦或是磁导率的介质分层面时，电磁波会发生反射，反射波由接收天线接收并由主机记录。通过对反射波的振幅特征、相位特征以及时频特征进行处理，结合地质资料和对现场的观察对目标进行地质描述。

2 监测技术设计

（1）侧线布置

隧道掌子面雷达探测布线如图1所示：在开挖地面上方2 m处，从左边墙向右边墙方向布置一条水平测线。探测结果可预测掌子面前0 m~20 m进深范围内的不良地质、水文地质、断层及其破碎带、围岩类别及其稳定性状况。地质条件复杂时，可加密雷达侧线。

图1 赐儿山1#隧道掌子面测线布置图

（2）探测方法和参数选取

本次测量采用连测法。其参数选取如下，972 MHz采样频率，512采样点数，自动叠加，0.12 m触发间距。

3 在赐儿山隧道中的应用

3.1 工程概况

赐儿山隧道所在区域位于华北平原与内蒙古高原过渡带的冀西北山地边缘，本项目采用单洞对向行车布置方案，按二级公路两车道双向行车标准设计，设计速度为60 km/h，隧道建筑限界净宽为12.5 m，建筑限界净高为5.0 m。隧址区总体处于中低山与丘陵区，南临张家口断陷盆地。山体坡度陡缓不一，大多数山体斜坡为25°~40°。受节理密集带和较大型断裂切割地段，形成较长冲沟，地形起伏变化较大，海拔高度的变化值为（按线路走向）：790~1010~850~950~830m，最大相对高差220m。

3.2 现场实施

现场仪器采用瑞典RAMACCUIII型探地雷达，100 MHz屏蔽天线。现在隧道采用上下台阶开挖。此次实验在赐儿山1#隧道掌子面进行，探测掌子面里程桩号为K1+560，探测范围K1+560~ K1+540（面向小里程方向）。

3.3 地质预报相关成果与分析

掌子面观测：开挖处斜坡地貌，表层覆盖有第四系松散坡积土，围岩为强风化～中风化凝灰岩，节理发育，夹杂质，多沿开挖界面处分布，掌子面中央部位岩体完整性相对较好，局部破碎（赐儿山1#隧道掌子面围岩地质情况见图2）。

图2 赐儿山1#隧道掌子面围岩地质照片

图3 赐儿山1#隧道掌子面雷达探测剖面图

图3为雷达纵剖面图，结合掌子面情况，可得到以下分析结果：

（1）在掌子面前方0 m～6 m（时间深度0 ns～60 ns）的范围内

存在数条较强反射信号，信号以中高频信号为主，表示该区域内相对较为干燥；振幅大，表示该区域内介质差异变化较大，裂隙充填情况较多，且充填质岩性与围岩相差较大。信号同相轴连续，存在明显的层状连续波形，揭露围岩整体性较好，裂隙呈层状规律分布。

（2）在掌子面前方6 m～12 m（时间深度60 ns～120 ns）的范围内

反射信号以中高频信号为主，围岩干燥；振幅小，仅存在极少量的强振幅信号，表示该区域内介质差异较少，裂隙及裂隙充填情况较少；仍可见到明显的同相轴连续特征，推断为贯通裂隙，但表明该裂隙填充较少，围岩整体性较好。

（3）在掌子面前方12 m～20 m（时间深度120 ns～200 ns）的范围内

反射信号以高频信号为主，揭示围岩的干燥特点；同相轴杂乱无序，表明本区域围岩相对破碎，裂隙分布杂乱呈无序状，整体性较差；信号振幅较强，初步推断该区域内围岩介质差异较大，多为破碎围岩与裂隙间软弱充填杂质无序分布所致。

综合超前地质预报图可得出，本探测区段围岩差异较大，浅部围岩整体性较好，但裂隙充填杂质较多；中部围岩整体性好，充填少；深部围岩整体性较差，裂隙分布杂乱，且多为充填裂隙。

3.4 结论

结合地质雷达图像分析结果和进行超前地质预报探测时的掌子面围岩情况进行综合分析，可推断前方围岩干燥、深部围岩整体性较差、裂隙充填质较多。但通过观测可知之前所揭露的软弱夹层对围岩仍存在影响。隧道施工时应认真做好超前支护工作，密切注意拱顶及左右拱肩范围内围岩稳定性；开挖时应严格坚持小进尺开挖，尽量减少掘进过程对围岩的扰动，开挖后及时支护，超挖部分务必按规范要求进行及时有效处理，防止拱后脱空、喷浆不密实等现象，预防可能发生的冒落、塌方等地质灾害。

4 结束语

（1）地质雷达对裂隙带、断层破碎带、富水带等不良地质体有明显的反映。

（2）通过与实际揭露的掌子面情况对比，结合掌子面观测的地质雷达预测技术在地质条件较复杂的情况下，能有效地指导施工。

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责任编辑：许耀元

来稿日期：2015-08-25