地质雷达探测技术在隧道进口段超前探测中的应用

尚本峰，李永辉，浦少云

(1.贵州大学 国土资源部喀斯特环境与地质灾害防治重点实验室，贵阳 550025；2.贵州大学 土木工程学院，贵阳 550025)

近年来，随着我国基础设施建设投入不断增大，全国各地的高速铁路、公路和地铁建设进入一个新的时期。相应地，隧道的修建与日俱增。在隧道开挖过程中，由于地质条件的复杂性，如穿过采空区、岩溶区、软弱破碎带等[1]，若事先未能探查清楚往往容易发生塌方、涌水等灾害性事件，不仅会影响施工进度、增加隧道建设成本，甚至会给施工单位带来隧道施工安全等方面的隐患。因此，利用有效物探方法对隧道地质情况进行超前预报十分必要。目前，超前地质预报常用方法有地质分析预报法、隧道地质超前预报系统(TSP)、探地雷达(Ground penetrating Radar，简称 GPR)、瞬变电磁法、BEAM法等[2]。

从近些年国内外探地雷达的应用和发展情况来看，地质雷达技术在工程检测中的应用效果不错，前景也非常广阔，同时考虑到地质雷达设备简单、测量快速、精度高、抗干扰能力强，因此采用地质雷达对隧道进口段区域进行超前预报是本文的首选方法[3]。

1 地质雷达原理及参数

1.1 地质雷达工作原理

现场测试方法为电磁波反射法，采用设备为地质雷达。

地质雷达是采用无线电波检测地下介质分布和对不可见目标体或地下界面进行扫描，以确定其内部结构形态或位置的电磁技术[4]。其工作原理为：高频电磁波以宽频带脉冲形式，通过发射天线被定向发射，经存在电性差异的目标体反射或透射，由接收天线所接收，见图1。

图1 地质雷达探测原理图Fig.1 Principle of geology prediction by geo-radar

电磁波的传播取决于物体的电性，物体的电性中有电导率μ和介电常数ε，前者主要影响电磁波的穿透(探测)深度，后者决定电磁波在该物体中的传播速度，所谓电性界面也就是电磁波传播的速度界面。不同地质体(物体)具有不同的电性，因此在不同电性地质体的分界面上，都会形成电性界面，雷达信号传播到电性界面时产生反射信号返回地面，通过接收反射信号到达地面的时间就可以推测地下介质的变化情况。

高频电磁波在介质中传播时，其路径、电磁场强度与波形将随所通过介质的电性特征及几何形态而变化。通过主机记录下反射波到达的时间、相位、振幅、波长等特征，再通过信号叠加放大、滤波降噪、图像合成等数据加工处理手段，形成地下断面的扫描图像[5]。反射波波形的正负峰分别以黑白表示，或者以灰阶或者彩色表示。这样，同相轴或等灰线、等色线即可形象地表征出地下反射面或目标体。在波形图上各测点均以测线的铅锤方向记录波形，构成雷达剖面[6]。通过对波形的分析，就可以确定地下界面或目标体的空间位置或结构状态。

电磁波在相同介质中的传播速度V是不变的[7]，因此根据探地雷达记录上的地面反射波与地下反射波的时间差T，即可计算出地下异常体的埋藏深度H，公式如下：

H=V·T/2

(1)

式中：V为电磁波在地下介质中的传播速度，其大小由式(2)表示：

(2)

式中：C为电磁波在大气中的传播速度，约为3×108m/s[7]；ε为相对介电常数，取决于地下各层构成物质的介电常数。

1.2 地质雷达系统

本文采用美国GSSI-3000型地质雷达，雷达主要采用高频、宽频带、短脉冲和高速采样技术，仪器配置包括主机、发射机、接收机、天线、计算机和电池包。该机主要技术指标如下：

1) 主机。

量程:50～2 975 ns

发射脉冲重复频率:115 kHz

扫描速度:56次/s

采样:128,256,512/s

增益控制范围:0～80 dB

动态范围:128 dB

滤波:用户可选

检测模式:连续

转换:16位

数据传输:以太网接口

输入电源:12 V

充电电池,10.5～13 V

电池容量:6.5 Ah

消耗电流:0.7 A

尺寸:35 cm×30 cm×5.5 cm

重量:3.0 kg

2) 天线。测试采用100 MHz屏蔽天线。

类型:藕极，空气耦合

发射器输出:200 V

接收器敏感性:50 mV

探测深度:10 m(75M)

尺寸:95 cm×12 cm×4 cm

重量:2～7 kg

3) 软件。采集与分析软件为同一软件包，与本探测仪器系统配套。

2 工程实例

2.1 工程地质条件

区域构造线方向与地层总体走向一致，均为北北东向，地层倾向北西，倾角平缓，一般5°～15°。隧道区构造主要受印支运动、燕山运动的影响，形成近东西向的背向斜、断层和北北东向的断层和褶曲构造。

由于隧道施工区域的地质复杂性,查明隧道掌子面前方岩层的裂隙、岩溶、断层等不良地质因素,对隧道进行超前地质预报则显得尤为必要。本次探测的主要目的是：探测隧道进口段DK242+039～DK242+079范围内地表至隧道正洞的不良地质体情况，为安全施工提供依据。

2.2 采集信号时注意事项

1) 进行掌子面探测时,要尽量保持掌子面的平整,以保证天线在移动过程中能匀速移动并能贴紧掌子面，否则容易造成采集信号的异常。

2) 在采集过程中，要及时记录环境中的干扰信号,如金属管件、台车等的反射信号。如不参考现场记录，则很容易将其判断为地质异常体。在记录过程中,要记录干扰物的性质及其与测线的位置关系,以便分析。

3) 天线移动过程中要及时打码,并且标记位置准确。

2.3 测线布置

在皇后岭隧道进口DK242+03～DK242+079段地表布置3条测线，测线1位于正洞中线左侧约3 m，测线2位于隧道中线，测线3位于正洞中线右侧约3 m。图2为地质雷达测线布置图。

图2 地质雷达测线布置图Fig.2 Line of geology prediction by geo-radar

2.4 数据处理

探测的雷达图形常以脉冲反射波波形的形式记录。由于隧道内岩体构成的复杂性及各种介质对电磁波反射和吸收程度的差异,同时受到外界的各种干扰,使得接收天线接收到的雷达波后,振幅降低、波形杂乱,难以直接从图像识别岩体的构成,所以要对接收到的信号进行适当处理。图像处理包括增益调节、滤波处理以及反卷积处理等[8]，对数据文件进行预处理之后，最终得到各测线的成果图，并据此进行探测对象的地质判断。

2.5 探测结果分析

皇后岭隧道进口DK242+039～DK242+079段地表探测分析成果图见图3～图5。

从图3～图5的地质雷达剖面图可知，在DK242+039～DK242+079范围内局部存在异常区域，分析如下：

在有效测试范围深度内，雷达反射波反射较强且杂乱，部分区域有异常反射波，其中：

右线：DK242+039～DK242+049测线，路面，积水，距拱顶4.6 m。深2～5 m及深10 m以下反射较强烈，推测为岩体破碎。

DK242+039～DK242+049测线，地台1，距拱顶8.1 m。DK242+049～DK242+051.5深8～15 m，DK242+56.5～DK242+60.5深14 m附近反射强烈，推测为岩土体软弱破碎；DK242+049～DK242+059深8 m附近，DK242+63～DK242+69深9.5 m附近有异常界面反射，推测为岩土体软弱破碎。

图3 测线1地质雷达剖面图Fig.3 Profile of geology prediction by line 1 geo-radar

图4 测线2地质雷达剖面图Fig.4 Profile of geology prediction by line 2 geo-radar

图5 测线3地质雷达剖面Fig.5 Profile of geology prediction by line 3 geo-radar

中线：DK242+039～DK242+049测线，路面，积水，距拱顶4.6 m。深3～17 m无较大异常反射，17 m以下反射较强烈且杂乱，推测该段岩体破碎。

DK242+049～DK242+069测线，地台1，距拱顶8.1 m。DK242+049～DK242+051.5深8～9 m有界面反射，推测为软弱夹层发育，10 m以下反射较强烈且杂乱，推测该段岩体破碎。

DK242+069～DK242+079测线，地台2，距拱顶8.1 m。深12.5～17.5附近有界面反射，推测为岩性分界面。

左线：DK242+039～DK242+049测线，路面，积水，距拱顶4.6 m。深3～17 m无较大异常反射，10 m以下反射较强烈且杂乱，推测该段岩体破碎。

DK242+049～DK242+059测线，地台1，距拱顶8.1 m。DK242+049～DK242+051深8～9 m有界面反射，推测为软弱夹层发育，10 m以下反射较强烈且杂乱，推测该段岩体破碎。

DK242+059～DK242+079测线，地台2，距拱顶10.1 m。DK242+059～DK242+065深12.5 m以下反射强烈且杂乱，推测该段岩体破碎。

2.6 建议措施

在进行DK242+039～DK242+079范围内的围岩施工时，为了保障隧道开挖安全施工，特提出以下建议：

1) 坚持贯彻“短进尺、弱爆破、勤量测、早封闭”的原则，合理组织施工，注意拱顶掉块、坍塌，做好排险、防护工作。

2) 该测段开挖后，应及时施作支护措施，尽量减少围岩的暴露时间，以保护围岩的自承能力。

3) 在软弱破碎洞段建议适当加强支护措施。

4) 注意施作加深炮孔探测，结合超前地质预报资料，进一步确定前方围岩及地下水发育情况，以确保施工安全。

3 结 论

在皇后岭隧道进口段地质雷达探测的应用对安全施工是非常有指导意义的。通过实际开挖情况对比也证明地质雷达探测是比较准确的，地质雷达能较好的对地质情况做定性的判断，并且从现场施作情况来看地质雷达探测具有对施工干扰小、现场要求低的优点。目前，地质雷达探测是一种正在发展中的预测方法，它受技术人员的技术水平及现场施作环境影响较大，仍需要在实践中不断改进、提高，以便有效地为现场施工及安全提供可靠的依据和保证。