GPR地质预报技术在穿煤段地下工程中的应用*

朱宝合，郑邦友，戴亦军，刘 灿

GPR地质预报技术在穿煤段地下工程中的应用*

朱宝合，郑邦友，戴亦军，刘 灿

(中国隧道建设有限公司，重庆 404100)

某高速公路隧道为穿煤段施工，存在断层、破碎带、裂隙、岩溶等不良地质体，地质条件十分复杂，因此，采用地质雷达进行超前探测。介绍了地质雷达的工作原理和本次探测的施工方案，并根据探测数据分析隧道前方的地质条件。将物探结果与钻探结果以及开挖结果进行对比，得出地质雷达在复杂穿煤工程中的探测效果，总结了影响探测结果的原因、并提出了在复杂地质条件下进行预报的可靠性建议。

超前地质预报;地质雷达;施工方案;穿煤工程

0 引 言

贵州省某高速公路隧道为穿煤段施工，该穿煤隧道为分离式长隧道，区内条件复杂。区域内有松坎向斜、断层有楠木园和白毛平，区内地层复杂、岩性多样，含泥岩、角砾岩、泥质灰岩等，区内地下水发育，主要为碳酸盐岩溶水、基岩裂隙水。整个工程共穿越7层煤，岩层扭曲严重，隧道穿煤段里程可能存在变化。所以地质条件十分复杂。

地质雷达（GPR）具有数据采集快、分辨率高、可以做到无损检测，在多种工程中得到了很好的应用，目前地质雷达预报方法是一种应用比较广泛的超前预报方法[1]。本文将结合揭煤段地质雷达实测结果与钻探和开挖结果，分析该方法在复杂地质条件下的探测效果。

1 地质雷达工作原理

地质雷达法（GPR）是利用电磁波探测地下介质分布和对不可见目标体或地下界面进行扫描，已确定其位置和形态的一种物探技术[2-3]。工作原理是通过发射天线发射的电磁波，到达目标体后会有部分反射和部分透射，反射回来的电磁波被接收天线所接收，主机将接收到的数据储存形成时域波形图[4]，工作原理图见图1。

电磁波的传播取决于岩体的电性（电导率和介电常数），其中由公式（1）可知，介电常数决定了电磁波的传播速度：

由式（1）得到的传播速度可计算出目标体距离掌子面的距离：

式中，为探测体到开挖面的距离；为波从发出到接收的时间；为发射线与接收线距离。

式中，为波在差异介质界面的反射系数；1为前面介质的介电常数；2为后面介质的介电常数。

由公式（1）和（2）可以推测出目标体的性质和距离，由公式（3）可知上下两层介质的介电常数差越大发射系数就越大，相应的地质雷达对目标体的探测效果也就越好。

由于水的介电常数比岩石等要大得多，根据常见含水率的经验公式Roth公式、Topp公式、Ferre公式以及Alharathio公式，随着含水率的增加，介电常数越大，接收到的反射波越明显[5-8]。同时隧道围岩是固、液、汽的结合体，所以含水地质体更容易被探测。

3 探测方案及数据处理

3.1 探测方案

本次探测选用的是中科院CAS－S100地质雷达，采用100 MHz屏蔽低频天线进行探测，使用配套的Radarview软件进行数据分析，本次探测共布置三条测线，测线长度10 m，采样时间600 ns，测线1和测线2布置在掌子面上，测线3延隧道开挖方向左侧布置，测线布置见图2。

图2 雷达测线布置图

3.2 数据处理

由于介质本身的不均匀性导致其对波的吸收能力不同，使得电磁波到达接收器时振幅减小，波形与发出时的波形图有较大差异。施工现场的设备也会干扰探测工作，所以需对波形进行处理。图形处理包括消除随机噪声压制干扰进行自动时变增益或控制增益以补偿介质吸收和抑制杂波，对波进行过滤处理以消除高频，突出探测体，降低设备噪声影响[9]。对数据进行预处理、增益调整、滤波和成图等方法的处理最终得到各测线的成果图，并据此对探测对象的地质进行解译[10]。

4 地质雷达探测结果与钻探结果分析

4.1 探测段地质情况

探勘资料显示探测段隧道顶板埋深大约470 m；岩体破碎，在前方18 m处有大约1 m厚的煤层穿过开挖区域，该煤层为整个工程的第一层煤，开挖段水量较大；由于埋深较大、地应力较高，地下水较发育，围岩无支护时易产生松动变形、挤压破坏和塌方，围岩级别为IV级。本段岩溶较发育，存在竖向岩溶的风险高，存在隐伏溶洞的可能性大，工程风险高，开挖揭露隐伏溶洞易产生涌水、突泥和冒顶等危害。

4.2 雷达探测结果分析

本次探测为隧道进口左幅，测线1与测线2探测掌子面前方0～25 m（ZK57+985～ZK58+010），测线3探测（ZKZ57+970～ZKZ57+985）左侧边墙。

通过使用配套的Radarview软件对收集到的数据进行处理，得到最终结果见图3。

（1）根据图3（a）和（b）可知，掌子面前方0～17 m范围内存在比较明显的异常波带，雷达波振幅较强、局部绕射波特征明显、同相轴较错断、能量较高，推测对应里程ZK57+988～ZK58+005段围岩岩溶和水体较发育，局部发育有溶腔，围岩自稳能力较差，开挖过程中拱顶等位置易出现掉块、坍塌现象；掌子面前方17～25 m范围内反射能量较低，推测该段岩体完整情况较好或结构面张开角度不大。

（2）根据图3（c）可知，同相轴连续性较差、波形较杂乱、振幅变化较大、低频穿插高频、能量较高，推测左侧边墙后方可能存在填充型溶腔，岩体裂隙发育，围岩较破碎，地下水发育。

（3）掌子面和左侧边墙有效探测采样时间为400 ns，两者都小于设置采样时间600 ns，推测由于前方地下水的存在使得雷达波衰减的比较厉害导致有效探测时间小于设置时间。

4.3 钻探与开挖结果分析

左边墙钻探（0～10 m）显示：前方中度风化灰岩，在4 m处出现卡钻现象，有浑浊的黄泥水流出，岩体较破碎、有岩石碎屑填充。左侧边墙拱脚渗水。

图3 雷达图像分析

掌子面开挖显示：前方灰色中度风化灰岩，0～10 m范围内节理裂隙发育、岩体较破碎、爆破后块状岩石湿润，在10～15 m范围内有岩溶溶腔，在17～19 m范围内见煤、煤层较破碎、爆破后块状岩石湿润。

5 结 论

（1）根据边墙和掌子面物探的分析结果提出的边墙支护和掌子面开挖方案对施工的安全性具有重大意义，同时也提高了经济效益。

（2）通过雷达探测结果与边墙钻探结果以及掌子面开挖结果的对比，认为地质雷达对煤层的探测并不准确，仅凭探测无法区分煤层和岩体。

（3）根据探测结果分析地质雷达波在水体中衰减的较快，所以在对较大水体进行探测时其有效的探测距离会有相应的减小。

（4）开发在含水体中探测距离更远以及能更好的分辨煤层与岩体的设备对于条件复杂的地下工程施工将起到非常大的作用。

[1] 巫克霖,温春桥,蒋庆彬.探地雷达在地质复杂环境下对富水区的超前预报[J].工程勘察,2016,44(10):66-71.

[2] 黄霄寒.综合物探技术在隧道岩溶超前预报中的应用研究[D].成都:成都理工大学,2016.

[3] 李术才,刘 斌,孙怀凤,聂利超,钟世航,苏茂鑫,李 貅,许振浩.隧道施工超前地质预报研究现状及发展趋势[J].岩石力学与工程学报,2014,33(06):1090-1113.

[4] 李枝文.隧道地质超前预报信号采集与成像方法研究[D].武汉:长江大学,2013.

[5] 王晋国,于晓明,徐春龙,魏俊波.应用探地雷达数据提取填土路基含水量的方法[J].西北大学学报(自然科学版),2010,40(01):61-65.

[6] 郑维忠.地质雷达原理及其在隧道超前预报中的应用[J].山西建筑,2007(24):308-309.

[7] 朱晓娟,李志斌.地质雷达原理及其在隧道超前预报中的应用[C]//中国土木工程学会第十二届年会暨隧道及地下工程分会第十四届年会论文集,2006.

[8] 施逸忠.地质雷达原理及其在水利水电工程中的应用[J].水利水电科技进展,1996(01):16-20.

[9] 黄 彪.隧道超前地质预报的雷达数据处理及解译研究[J].勘察科学技术,2017(03):35-39.

[10] 李怡哲,王 威,谢逸超.地质雷达在勐远3号隧道超前地质预报中的应用[J].交通科技,2018(05):102-105+117.

(2018-11-03)

朱宝合（1980—），河北承德人，本科，工程师， 从事隧道超前地质预报及建设工作，Email: 1358813416@qq. com。

中建股份科技研发课题项目(CSCEC-2017-Z-28).