探地雷达技术在隧道施工超前地质预报的应用

谷 松

(辽宁地质工程职业学院，辽宁丹东 118003)

0 引言

在经济的快速发展和“一带一路”的引领下，中国的铁路、公路建设得到迅猛发展，隧道工程施工也大幅增长。随着隧道长度和埋深的增加，不良地质条件发生的概率也逐渐增多，过去简单的物探和钻探已不能满足实际的工程施工需要，超前地质预报技术应运而生。通过超前地质预报很好地预测隧道掌子面前方存在的风险，为保证隧道顺利掘进提供了有力保障。超前地质预报的方法有很多，包括地质分析法、电磁法、地震波法等，其中地质雷达技术因探测方法具有简单、便捷且分辨率高等优势，成为短距离超前地质预测的最佳方法之一。

1 探地雷达探测原理与方法

探地雷达由主机、反射天线和接收天线三大部分组成，通过电磁波检测地下介质分布并对不可见目标体或地下的不同界面进行扫描，以确定其地下的内部结构形态和位置[1]。其工作原理如图1所示，根据地下不同介质的介电常数差异，利用发射天线向地下介质发射中心频率为100 MHz的广谱电磁波，以宽频短脉冲形式通过发射天线传播到地下。当电磁波遇到电性差异界面时，会发生散射和反射现象，同时介质对传播的电磁波也会产生吸收滤波和散射作用。通过接收天线接收来自地下的反射波并做记录，采用相应的雷达信号处理软件进行数据处理，然后根据处理后的数据图像结合工程地质及地球物理特征进行推断解释，对掌子面前方的工程地质情况(围岩性质、地质构造、围岩完整性、地下水和溶洞等情况)做出预测。

2 地质雷达预报

2.1 现场测线布置

为了确保探测预报结果的精确度，在布置测线时应该做到以下几点：①电磁场对探地雷达测定信号的收集产生一定影响，布置测线要远离包括探测周围的电线、电缆等电磁场的干扰因素；②地质雷达探测对金属物体的反应较灵敏，故布置测线时，尽可能避开如钢拱架、开挖台车等金属设备；③布线时要布于隧道掌子面的平整地域，以便使天线和掌子面贴合紧密，减少因空气层的存在而引起的异常现象；④对于有异常区应加密处理，以减少探测盲区，保证探测结果的稳定性和准确性。

2.2 数据收集处理方法

在探测过程中由于周围环境的影响及宽频带电磁波在地下传播，也将会有各种噪声被记录下来。收集到的信号要进行滤波处理，除去不需要的低频和高频信号，降低背景噪声和余振影响[3]。为了突出有效信号、提高信噪比，我们通过软件对收集的信号做了增益处理、背景去噪、频率域滤波、偏移等图像处理。

3 工程实例应用

3.1 工程概况

隧道进口平导洞P1K0+875开挖掌子面拱顶钻孔内多处出现股状涌水。掌子面实际围岩情况照片见图2。揭露围岩以全—强风化白云质灰岩夹断层泥为主，岩质较软，岩体破碎，软弱夹层发育，呈上夹石状—散体状结构，围岩完整性和稳定性差。

图2 P1K0+875掌子面照片

3.2 探测仪器测量参数选定及布线

探测仪器选用瑞典MALA公司生产的RAMAC/X3M型地质雷达，探测中使用了100 MHz中心频率的屏蔽天线，时窗设置为600 ns，采样频率1024 MHz，点距0.1 m，迭加次数128次，采集方式为剖面法、点触发。探测位置为隧道的P1K0+875～P1K0+895段，如图3。探测测线方向布置如图4中的测线1、2所示。

图3 地质雷达探测位置示意图

图4 地质雷达探测剖面布置示意图

3.3 探测结果图像解译

地质雷达探测所得波形图见图5，根据反射波能量、背景回波、波形的相似性和波形的连续性等对其进行综合分析。在掌子面前方0～20 m(P1K0+875～P1K0+895)隧道范围内，探地雷达反射波主要以中低频信号为主，分布不均匀，信号频率变化较大，雷达波同相轴局部连续，振幅较强，推测该段围岩岩体破碎，结构面有软弱物填充，断层裂隙水发育，水量较大。结合掌子面地质情况，该段隧道岩体白云质灰岩夹断层泥，岩体破碎、松散，结构面软弱物填充，断层裂隙水发育，层间泥上充填、夹泥严重，软弱夹层存在明显的富水通道，水量较大。

图5 测线1、2地质雷达探测波形图

4 成果验证

4.1 超前地质水平钻验证

为了验证地质雷达的预报结果是否准确，进行超前地质水平钻孔进行验证。超前地质水平钻探是其他物探探测结果最直接、最有效的验证和补充，可通过冲击器的响声、钻速及其变化、岩粉、卡钻情况、钻杆振动情况、冲洗液的颜色及流量变化等粗略探明岩性、岩石强度、岩体完整程度、溶洞(及地下水发育情况等。超前地质水平钻孔设置见图6。

图6 钻孔布置图

钻孔顺序按1#孔、2#孔、3#孔依次进行探测，3#孔根据现场情况适时调整。采用地质钻机接杆钻孔，孔深一般40～60 m。为防止遇高压水时突水失控，开孔采用直径120 mm钻头，孔内放入3.0 m长的直径108 mm钢管作为孔口管，孔口管伸出掌子面50 cm，孔壁间用环氧树脂加水泥浆锚固，孔口管伸出部分安封闭装置，并与注浆泵联接。钻探结果显示每次钻进时的掘进速度较快、无卡钻现象且见钻孔出水量增大，说明围岩破碎、岩质较软，岩性主要是全—强风化白云质灰岩。

4.2 施工验证

隧道的现场施工中，实际开挖掌子面拱顶钻孔内多处股状涌水(图7)，并揭露围岩为风化强烈的白云质灰岩，局部见软弱泥质夹层。泥质夹层为断层泥，由于隧道处于断裂多发处，裂隙发育，为涌水的主要通道。从超前地质预报分析结果与实际施工情况对比可见，开挖掌子面拱顶钻孔内多处股状涌水，揭露围岩以全—强风化白云质灰岩夹断层泥为主，岩质较软，遇水易软化，岩体破碎，软弱夹层发育，呈土夹石状—散体状结构。围岩完整性与稳定性差，最终结果显示与超前地质预报吻合度极高。

图7 P1K0+890实际掘进结果

综上可得，探地雷达能够精准判断掌子面及洞身的地质发育、风化、断层、裂隙及渗水等地质情况。可为局部围岩可能出现的失稳和出水等情况提供很好地监测，及时做好应对措施，确保安全、顺利施工。

5 结论

地质雷达探测法对短距离隧道进行超前地质预测具有简单方便、精准度高的特点，经超前水平钻探揭露和实际掘进验证得到的地质情况基本一致。能够提前对隧道掌子面前方预测做出预警，并可以准确提供可靠的地质资料，确保隧道工程安全施工。因地质雷达自身固有的图像多解性所限，且有短距离探测的局限性，故而隧道工程超前地质预报中最好结合其他的物探方法，发挥预报系统的优势互补、定性与定量相结合的优势，更好为隧道工程实践服务。