浅谈地质雷达在玉蟾山隧道施工超前地质预报中的应用

姚 峰，梁家明

(中国水利水电第五工程局有限公司第五分局，四川 双流，610225)

浅谈地质雷达在玉蟾山隧道施工超前地质预报中的应用

姚 峰，梁家明

(中国水利水电第五工程局有限公司第五分局，四川 双流，610225)

本文结合国道321线纳溪至泸县一级公路改建工程施工玉蟾山隧道项目，介绍了地质雷达的特点、组成、探测原理、工作方法、成果解析方法及在该项目的应用情况，通过工程实际应用，证明了地质雷达在隧道施工地质超前预报中的实用性、先进性及其所发挥的重要作用，以期为类似工程地质勘探提供技术参考。

地质雷达 超前地质预报 隧道工程

1 工程概况

玉蟾山隧道是国道321线纳溪至泸县一级公路改建工程中的一段，位于四川省泸州市泸县玉蟾山风景区，距泸县城区约4km。玉蟾山隧道为高瓦斯隧道，隧道左右幅采用不平行布置方式，左幅进口位于半径R=2500m圆曲线上，右幅为直线，隧道纵坡为人字坡。隧道进口左右幅净距32.4m，采用削竹式洞门，隧道出口左右洞净距8.16m，为小净距隧道，采用端墙式洞门。

隧道进出口地形坡度较缓，洞口工程地质条件较简单，隧道穿越的地层主要岩性为砂岩、泥质砂岩、泥岩、页岩及灰岩，其轴线与岩层走向近正交，隧道最大埋深约215m，属于低地应力区。

隧址区内无影响场地稳定的活动断裂构造，也无滑坡、泥石流、崩塌等不良地质现象，主要的不良地质现象为煤矿中的瓦斯及老煤窑采空区。隧道围岩级别为Ⅲ级、Ⅳ级和Ⅴ级。隧道设两处人行横通道，一处紧急停车带和车行横通道。

2 地质雷达的发展及其应用

岩土勘察中使用很多探测方法，其中，最主要的方法有弹性波法和电磁波法，而在工程施工过程中经常使用的电磁波法就是我们所说的地质雷达法。地质雷达法是观测、研究大功率高频电磁脉冲在地下电性界面上产生的回波特性的工程电法勘探方法，它可以结合高频电磁波而进行非常快的无损伤探测。因此，在隧道施工过程中,通过地质雷达探测，可以掌握围岩稳定性状况以及隧道掌子面前方的地质情况，及时作出超前预报，对工程施工安全起到至关重要的作用。目前地质雷达检测技术已经发展到了单点探测以及连续探测的实时自动成图。国外探地雷达基本上是单脉冲雷达，其工作的频率在50Hz到2GHz，最为代表性的国家是美国和加拿大；而我国主要是脉冲调制式探地雷达，它的探测距离非常大，而且分辨率也非常高，其工作的频率大约在160Hz到220MHz，探测的距离可以达到40m到60m，可以很好地适应超前地质预报及工程检测。

3 地质雷达的组成及探测原理

本工程项目所使用的地质雷达仪是由中国电波传播技术研究所研制的LTD2100型地质雷达仪。该款雷达检测分辨率高，配有50MHz、100MHz、270MHz等多款天线，适合于隧道施工中的地质超前预报。本工程所使用的LTD2100型地质雷达由主机、收发天线、信号线及系统软件、后处理软件等组成，其组成及原理见图1所示。

图1 地质雷达组成及原理框

地质雷达法是一种地下甚高频到微波段电磁波反射探测法。其探测原理是：发射器通过发射天线向地下(隧道前方)定向发射电磁波，电磁波在传播的路径上当遇到有电性(介电常数和电导率)差异的界面时即发生反射，反射波由接收器接收，在时域上得到反射回波及其往返旅行时间，并首先沿两天线所在表面形成直达波被最先接收到，作为系统起始零点。取反射波往返时间之半，乘以相应介质的电磁波波速度便得出反射目标所在深度，再根据反射波的形状、幅度及其在横向和纵向上的组合和变化特征，结合地质背景，判断目标性质即目标识别，进行地质解释，如破碎带、溶洞等。

地质雷达的工作频率越高，波长越小，探测距离越近，分辨率越高，反之亦然。因此，根据不同的工程要求按其功能可分为超前地质预报雷达和结构检测雷达。一般200MHz以上更适用于检测。

4 地质雷达基本工作方法

由置于隧道掌子面发射天线送入隧道掘进方向的掌子面高频电磁波脉波(主频为数十兆至数百兆乃数千兆赫),当其在岩体传播过程中遇到不同目标体(岩石破碎带、溶洞、断层裂隙等)的电性介面时就有部分电磁能量被反射折向掌子面,被接收天线接收,并由主机记录,得到从发射经岩体界面反射回到接收天线的双程走时t。当岩体介质的波速已知时,可根据测到的精确t值求得目标体的位置和深度。这样,可对各测点进行快速、连续地探测,并根据反射波组的波形与强度特征,经过数据处理得到地质雷达剖面图像。而通过多条测线的探测,则可了解隧道掌子面目标体断面分布情况。

5 数据的处理及探测结果

对实际测量出来的资料用一系列的软件进行处理分析，再结合现场的岩性所具有的实际情况，选择一个比较适合的相对介电常数，进而得出来一些成果。在成果的解释当中，开始的时候，假如发现了有非常明显的反相位反射波组出现，就应该是岩性变坏的一个表现；假如发现了有非常明显的正相位强波反射波组出现，就应该是岩层岩性变好的一个表现，结合反射波反射强度的实际大小就可以区分反射界面前方介质的一系列特征。

依据雷达数据处理结果并结合地质资料分析得出以下预报结果：据掌子面围岩情况初步判断掌子面前方55.5m范围内以中—厚层状细粒长石石英砂岩为主。根据地质雷达测线电磁波堆积图(图2)分析，掌子面前方55.5m深度范围内，YK1854+125.5～YK1854+085段同向轴不连续，波形较杂乱，振幅高低不一，推断掌子面前方岩体裂隙发育，围岩完整性差；推断围岩级别为Ⅴ级。YK1854+085～YK1854+070段同向轴总体较均匀，推断围岩节理较发育，岩体完整性较好；推断围岩级别为Ⅳ。推断结果见表1。

图2 玉蟾山隧道右线出口YK1854+125.5掌子面下测线雷达堆积波

表1 推断结果

序号里程桩号长度(m)推断围岩级别说 明1YK1854+125.5～YK1854+08540.5ⅤYK1854+125.5～YK1854+085段同向轴不连续,波形较杂乱,振幅高低不一,推断围岩节理发育,围岩完整性差。2YK1854+085～YK1854+07015ⅣYK1854+085～YK1854+073段同向轴总体较均匀。推断围岩节理较发育,岩体完整性较好。

6 结语

地质雷达在公路隧道工程施工过程当中，可较快判断预报掌子面前方不良地质情况,有利于工程施工。如果说天线的频率特性以及工作的方法有一定的影响(地质雷达利用电磁波作为探测手段，而电磁波在水、空气以及不同岩体中的传播会有差异，对金属敏感，尤其受掌子面不平整的影响)，而地质雷达在对介质参数的探测当中，还存在很多的争议，那么经过社会不断进步、不断完善及发展，地质雷达在隧道工程检测当中一定扮演重要的角色。国道321线纳溪至泸县一级公路改建工程玉蟾山隧道采用地质雷达法很好完成工程的建设。

〔1〕傅良魁.电法勘探教程[M].北京：地质出版社，1983.

〔2〕牛之琏.时间域电磁法原理[M].湖南：中南工业大学出版社,2007.

〔3〕郑文宁.地质雷达在隧道施工短期超前地质预报中的应用[M].公路，2005(4)∶191-193.

姚 峰(1970-)，男，四川双流人，高级工程师，四川泸州纳溪至泸县一级公路改建工程项目总承包部项目经理，从事公路工程施工管理工作；

梁家明(1984.10-)，男，河南周口人，工程师，学士，从事公路工程施工技术与管理工作。

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U452.11

B

2095-1809(2017)02-0030-03