地质雷达在隧道超前预报中的应用

孙佳

摘 要：地质雷达作为常用的物探手段之一，在隧道超前预报中大量应用，本文结合某高速公路隧道实例，阐述了地质雷达做超前地质预报的原理和应用范围，并得出探测结论，旨在积累预报经验，为类似工程提供借鉴和参考。

关键词：隧道施工；地质雷达；地质预报

中图分类号：TB

文献标识码：A

文章编号：16723198（2015）19021702

1 前言

探地雷达（Ground Penetrating Radar，简称GPR），又被贯以地质雷达之称，是浅层地球物理探测的一项新技术，具有高效性。它借用主频电磁波，其波段达到数十兆赫至千兆赫兹，借助宽频带短脉冲的方式，由地面通过天线发射器发送至地下，经地下目的体或地层的界面反射后返回地面，被雷达天线接受器所接受，进行处理和图像解译的操作针对所接受的雷达信号，来实现探测前方目的体的目的。探地雷达较传统的地球物理方法而言优点是更加突出，具体体现为便捷迅速、高精度以及对原物体无破坏作用。故此，在道路建设和公路质量检测方面，探地雷达已渐渐被人们所认识并得以广泛应用。从20世纪70年代地质雷达就人们所应用，到现在快有40年的历史了，它的应用范围有了不小扩展，譬如考古考察、建筑工程、铁路公路、水利电力、地质采矿、航空飞行等领域起着重要的作用，也解决了诸多问题，例如现场勘察、选择线路、检测工程质量、地质预报、地质构造研究等。关于工程地球物理方向的探测方法也分好多种，像反射地震、地震CT高密度电法、地震面波及地质雷达等方法均被涵盖，但是地质雷达却以其高清的分辨率，直观的图象，便捷的使用，得到了工程界认可信赖和欢迎。

2 地质雷达探测的基本原理

2.1 工作的基本原理

地质雷达是一种宽带高频电磁波信号探测介质分布的非破坏性的探测仪器。断面的扫描图像即是雷达借助连续拖动的天线而获取的。雷达不断地把高频电磁波发射到地下，在物体内部传播的电磁波信号在通过不同介质的界面时，反射、透射和折射就会产生。介质的介电常数差异愈大，反射的电磁波能量随之愈大；反射的电磁波被与发射天线同步运行的接收天线成功接收后，借助雷达主机对反射回的电磁波的运动特征进行精确记录，再用技术对数据的进行处理，形成断面的扫描图，利用图像进行判读，即可获取地下目标物的实际情况。

雷达天线把电磁波发射与物体内部，物体内部的填充物或其密实度的差异，导致它们的介电常数有所不同，使电磁波于不同介质的界面处形成发射，并被物体表面的接收天线所接收，参照电磁波发射到反射波返回的时间差及物体中电磁波的速度来测算反射体距表面的距离，完成探测出物体内部的不同层面等结构。

探地雷达主要借助宽带高频时域电磁脉冲波的反射探测目的体。

公式如下：

t=4z2+x2/v

雷达依据测取的雷达波走时，自动求出反射物的深度z及范围。

图1 雷达的工作原理及其探测方法

根据上述原理，可用地质雷达仪探测地基中的不同地质分层及异常体的位置、深度和范围。

2.2 测试方法及仪器

不同频率天线的测深能力也会存在差异，频率愈低，探测深度愈大；且此次检测的任务在于探测地质构造及断裂带，本次预报选用美国劳雷SIR-20地质雷达，100MHz天线，采集参数为：采集方式为点测，每20cm一个点，每扫描采样数为512，采集时窗为300ns，采用32次迭加。测线布置如图2所示。

图2 雷达测线布置

3 工程实例

3.1 工程概况

XX高速公路XX合同段XX隧道位于陕西省安康市紫阳县县城东部，设计为两座单线隧道，左线长921米，右线长862米。结构为Y形隧道，采用复合式衬砌。洞身最大埋深200m左右。隧道如图3所示。

图3 隧道整体图

3.2 地质情况

宋家梁隧道设计为强～弱风化泥质板岩、弱～微风化泥质板岩及微风化辉绿岩，但实际施工过程中围岩较差，只有极少段落为微风化辉绿岩，其中进口小净距段全部为强风化碳质千枚岩，岩性极差，数次造成隧道冒顶塌方，按照普通围岩支护无法进行正常施工；且隧道紧邻汉江，水系发达，而强风化碳质千枚岩遇水则成沥青状外流，造成极大安全和质量隐患；且初期支护施作以后，围岩变形大，且长期不收敛，强风化碳质千枚岩段落4～5个月不趋于稳定，无法进行下步施工；开挖时有地下水，且水量较大，后期地下水增大。且进口段落为小净距，左右洞施工干扰较严重。这些病害都危及到隧道施工安全与结构质量，严重制约隧道施工进度，造成了人员机械的极大浪费，并给项目部造成了严重的经济损失。

4 检测结果及分析

4.1 地质雷达探测成果分析

根据地质雷达在隧道掌子面探测数据图像（见图4）分析，推断此段0-25米范围内围岩为微风化碳质千枚岩，呈碎裂状结构，节理、裂隙发育，含水率大，整体稳定性差，其中15-25米范围内，有稍强的反射截面，推断该段范围内，围岩裂隙增多，拱顶和拱腰位置可能有掉塊落实，可能有渗漏水，以及涌水，应加强防排水措施。

图4 ZK13+540掌子面雷达波列图

4.2 验证

经过15天开挖，距预报掌子面13米处，隧道开挖掌子面由渗水变为涌水，且拱架变形严重，由于预报准确，施工单位提前做好准备，增强支护等级，提前抽调大量抽水设备，避免了灾害进一步发生，为下一步施工的有序进行，打下良好的基础。

5 结语

根据以上实例，可以说明以下几个问题：（1）地质雷达用于隧道超前地质预报中，可较快做出判断，有利于下一步施工的安全有序进行；（2）隧道超前预报，需要大量实践，反复研究图形和地质情况，以提高工作水平；（3）地质雷达的预报范围不宜过长，20-25米为最佳预报范围，最好留有一定的搭接长度。

未来，随着我国经济的进一步发展，隧道也将越来越多，大力拓展地质雷达在隧道超前预报中的应用，可以减少不要的损失，为工程的正常进行提供有力的保障。