地质雷达法在超前地质预报中的应用

李 磊（中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京 102600）

地质雷达法在超前地质预报中的应用

李 磊
（中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京 102600）

超前地质预报已经成为了隧道建设过程中不可缺少的一部分。其中地质雷达法在25～30m范围内能近距离以微观角度进行较为准确的预测，几乎已经成为了每个隧道工程中不可缺少的一步。本文首先对地质雷达法的原理分析，然后理论结合实际，通过对两个具体工程的具体过程和测试结果进行详细分析，形象地探讨了地质雷达法的操作性、可行性、准确性以及注意事项等，本文的研究具有一定的理论意义和工程实践应用价值[1]。

隧道；断层；超前地质预报；地质雷达

1 引言

从目前的工程实际中超前预报的应用来看，主要的隧道超前地质预报方法有：地质法（掌子面地质素描）、超前水平导坑法、地球物理探测预报法（主要包括地震法和电磁法等，其中地震法的使用最为普遍，它包括地质雷达法、TSP、TGP、SHP、负视速度法等方法）[5]。地质雷达法和TSP法在工程实践中应用的最为广泛。究其原因，首先从效率方面来看，地质雷达法和TSP法的预报距离都较长（地质雷达的预报有效距离为25～30 m，TSP的预报有效距离为100～150 m），先比其他方法更可减少对隧道施工的影响，还有一个很重要的原因是地质雷达法和TSP法都经过国外和国内大量工程实际检验，技术比较成熟，预报的精度较高。本文着重介绍地质雷达法。

2 地质雷达测试法的原理和探测方法

地质雷达的探测原理从通常意义上讲就是利用电磁波的传播来对不同的目标体进行检测，通过特定的发射仪器向探测体发射雷达波，根据被探测体的物理特性的不同，设定不同的参数，进而根据弹射回来的雷达波的波形、强度等一系列不同，对被检测体的结构、几何形体等进行具体分析[5]。

在地质雷达探测预报中，电磁波在不同的介质中传播，得到不同的反射图像以及反射振幅，并以此作为分析的依据。电磁波为横波，在不同的介质中传播时，即使是同频率的电磁波其传播速度也会不同。电磁波由电矢量和磁矢量组成，它们两者是相互垂直的，介质对其具有吸收作用。当电磁波在不同的介质中传播时，所产生的折射、反射、透射、散射等现象直接影响地质雷达对其的接收情况。相对介电常数的变化直接影响电磁波的反射系数，而反射系数的正负决定反射波振幅的走向[5]。

因此，当被检测体的组织结构发生变化时，多得到的地质雷达图像便会发生非常明显的变化。如果被检测体出现空洞、裂缝、不密实、钢筋间距等问题时，都会在地质雷达图形上显现出来。地质雷达还可以用来对断层、溶洞等各种各样的地质情况进行检测。除此之外，地质雷达还可以用来检测混凝土的厚度以及混凝土中的钢筋分布情况、隧道建设中的衬砌内的超挖欠挖情况，在市政管网建设方面，地质雷达也可以起到积极的检测作用。

3 中南通道新弹音4号隧道超前地质预报

中南通道新弹音4号隧道进口地质雷达检测是对隧道掌子面进行检测，预报其向前25 m距离内的地质情况。首先对图像进行了掉头处理，而后进行水平、垂直滤波，滤波值分别定位150 MHz和200 MHz。检测之前把该隧道的介电常数暂定为8，测量结束后，根据地质雷达电磁波在此中的传播速度和实际地质情况，把该隧道的介电常数修正为7.5。图1为中南通道新弹音4号隧道进口地质雷达检测图像。

图1 新弹音4号隧道空洞图像

隧道掌子面的岩石因受到地质风化作用，由于地质构造的影响，导致岩体破碎为碎石状松散结构，比较易破碎，岩体完整性一般，开挖后暴露个别部位易失稳形成掉块和塌方，影响隧道施工安全。地质雷达雷达反射波较弱，波幅较稳定；在DK119+545出的雷达图像上发现异常，此处距掌子面15 m，根据图形形状、变形大小、掌子面情况以及以往经验判断，此处存在小规模空洞。

4 朝家山1号隧道的超前地质预报分析

4.1 工程概况

基于业绩三棱柱的普查绩效多指标可拓综合评价研究……………………………………………………吴慧芳，刘素荣（4.37）

隧道位于青海省民和县，穿行于低中山体中，属黄土高原中温带亚湿润气候区，年平均气温为8.9℃，其中最热月平均气温20℃，最冷月平均气温-6.2℃，极热温度37.2℃，极冷温度-22.2℃。年平均降雨量331.6 mm、蒸发量1 735.5 mm，冻土深度最大108 cm[2]。

进出口两端低洞身部位高，地形起伏大，山体植被发育较差，山体两侧坡度差异较大，上覆为第四系风积砂质黄土、冲积砂质黄土，下部有基岩。

隧道经过区域的地层主要为第四系全新统冲积砂质黄土、滑坡堆积砂质黄土。根据勘察地质资料，地层上更新统砂质黄土、下伏夹有部分砂岩的白垩系下统泥岩基岩层。

隧道受如加里东期和燕山期构造形迹等多种地质构造影响，褶皱、断裂和破碎断层带较为发育，由此产生的裂隙导致围岩失稳，破碎的岩石再受到地下水的挤压，最终形成含水层。

现场勘察阶段主要发现有2处较大的黄土滑坡。其中位于DK72+968处的最为典型，为了保证隧道的安全施工和后续的安全运行，预防隧道的施工存在的极大不确定因素和安全隐患，设计方及施工方决定对隧道进行超前地质预报。

实际在后期现场施工时，在隧道施工掘进到DK72+969时，隧道的掌子面出现异常，隧道周边的围岩变得支离破碎，整体性极差，极其吻合的符合了对隧道掌子面进行地质雷达检测的预测结果。现就当时的测量情况进行说明。

4.2 测量仪器及参数：

采用美国SIR-3000高精度探地雷达，仪器天线频率为100 MHz、扫描率为100扫描/秒、采样率为512样点/扫描，仪器的预报距离为25 m。

4.3 测线布置方式

测线共布置5条侧线，总里程56m。具体布置如图2所示：

图2 朝家山1号隧道测线布置图

4.4 测试结果

首先根据勘察设计的地质资料，了解此地段主要为砂岩、膨胀岩，本地区的地质构造运动比较活跃，而且在此次测试的掌子面处的岩体破碎，整体不稳，故可基本判断此处可能有断裂构造出现。随后按照根据第四章介绍的地质雷达操作规程，做好现场的准备工作，排除某些物体的干扰因素，如大型机械、风枪、喷锚等的影响，然后采用超前地质雷达对隧道的掌子面进行监测，最后进行数据进行处理，处理结果如图（以测线1为例）[2]。

如图3，现场实测的原始数据图主要为线扫描显示模式和波形显示模式。结合现场实际情况，考虑到施工中钢筋、台车等大型施工仪器影响，我们将介电常数按规范修订为7.0，按照地质雷达的分析解译步骤进行逐步处理。对图像进行滤波处理、深度变换参数修订等一系列处理步骤（图4），最终分析得到隧道的Wiggle模式图形（图5）。

图3 隧道扫描图及波形图

图4 滤波处理、深度变换

图5 Wiggle模式图形

众所周知，电磁波的能量在完整的界面匀速进行传播，在进入断层破碎带后会形成时间延迟.因为此时的岩层整体性差、规则不完整，雷达信号到此会产生漫反射，在图形上就会显示为有一定持续的宽度。很明显，看隧道掌子面的前方5 m的区域处wiggle模式波形发生异常的突变，因此我们分析很可能是由于雷达波从完整界面进入断层破碎带界面导致。

无论是图3、图4的各个处理过程，以及图5的wiggle模式结果显示，我们都可以看出，在隧道掌子面的前方5m处出现异常反应，由于仪器的有效测试距离为25m。因此在5-25m范围内雷达反射波波形非常杂乱，同相轴错乱不连续，局部振幅较大，雷达反射信号明显，目标体对雷达波的吸收作用明显。结合地质勘察资料和区域地质情况，隧道在此处的围岩较为破碎，存在断层破碎带的可能性非常大。

结合上述结果，施工现场制定了隧道开挖到此处前后10m处，机械掘进过程中采取专项安全措施，开挖前采用超前管栅支护。缩小每次的进入尺寸，留核心土，降低爆破强度，开挖的同时加强支护。尤其在接近DK72+968时，实行边开挖支护，开挖紧跟支护，开挖后及时进行喷护封闭。根据实际情况调整开挖进度和逐步增强支护方案。

后经现场实际开挖证实，该地段属于强风化破碎带，以裂岩、角砾岩和糜棱岩为主，夹有大量断层泥。预报为断层破碎带的区域是一个塌陷的淘金洞，位置与隧道走向斜交，此处的岩层产状非常凌乱，这与测试时此处的波形突然发生变化非常吻合。上述施工方案在最大的限度上防止了隧道掌子面和拱顶极大的脱落、垮塌可能性，是一次非常典型的、成功的超前地质预报知道施工的施工案例。

5 结论

通过地质雷达法在上述两处隧道的超前地质预测预报工作的运用，可以得到如下结论：

(1)地质雷达法预报测试结果与现场实际情况基本一致，取得了良好的实践效果。

(2)地质雷达探测技术是一种不断发展中的无损探测技术，在短距离内对不良地质体的探测效果较好，但是易受干扰因素的影响，如何正确的识别并排除探测过程中的干扰因素、对雷达图像中的异常情况做出合理的解释，就需要测试人员积累大量的实际经验。

(3)雷达测试的过程中要格外重视区域地质资料，对其中指出的可能存在不良地质体的地方要给予重视。因为要做好预报工作并不能单纯的依靠仪器分析，更要结合实际情况。

[1]李磊.常见浅基础形式的ANSYS仿真分析[J].河北:石家庄铁道大学学报,2012,03.

[2]罗安海. SIR高精度探地雷达在朝家山1号隧道超前地质预报中的应用[J].河北:国防交通工程与技术,2012,09.

[3]中华人民共和国行业标准.客运专线铁路隧道工程施工技术指南[S].北京:中华人民共和国铁道部,2005.

[4]朱永全.隧道工程[M].北京:中国铁道出版社,2007.

[5]邓少平.兰新铁路第二双线LXS-3标段隧道超前地质预报研究[D].《西南交通大学硕士论文》,2012.

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1007-6344（2016）04-0289-02