地质雷达在公路隧道工程检测中的应用

李有福

（贵州顺康检测股份有限公司，贵州 贵阳 550000）

0 引言

随着城市交通网络的不断扩展和技术水平的提升，公路隧道工程成为城市基础设施的重要组成部分。然而，由于地下结构的不规则性、岩层的多变性以及潜在的地质灾害风险，使公路隧道工程的设计、施工和运营工作变得更加复杂，影响公路隧道工程质量。

因此，文章将深入探讨地质雷达在公路隧道工程检测中的应用，希望为解决地下环境的复杂性提供有效方案。

1 地质雷达技术的工作原理

地质雷达技术是一种利用电磁波进行地下勘测的先进技术，基于电磁波在地下的传播和反射特性，通过接收反射信号获取地下结构信息。在公路隧道工程中，地质雷达技术以其高分辨率、实时性的特点成为公路隧道工程中至关重要的地质勘测工具。

首先，地质雷达技术的核心是电磁波的发射与接收。设备将发射一定频率的电磁波到地下，该电磁波在地下的不同介质中会发生反射、透射、折射等现象，从而形成回波，回波包含地下介质的信息，通过对其进行接收并分析，能够还原地下的结构信息。

其次，回波信号的解析是地质雷达技术的关键。回波信号的强度、波形、时间延迟等参数包含丰富的地质信息，设备通过对此类参数进行精确测量和分析，能够揭示地下岩层、水文地质、空洞以及裂缝等的详细情况。同时，不同的地质特征对电磁波的反射将产生不同的信号模式，而地质雷达技术能够实现对地下结构的高精度成像。

最后，在地下勘测中，地质雷达技术通常采用不同频率的电磁波，包括射频、微波和毫米波等，波段的选择取决于需要勘测的地质特征以及地下介质的性质。其中，射频适用于浅层勘测，而微波和毫米波则能够深入地下，穿透一些泥砂和土层，实现更深层次的勘测。

2 地质雷达在公路隧道工程检测中的应用分析

2.1 地质构造探测

地质雷达在公路隧道工程检测中得以广泛应用，尤其在地质构造探测方面发挥着重要作用。地质构造指地壳内部不同岩层、断层以及褶皱等地质要素的分布和组合情况，其对于公路隧道工程的稳定性和安全性具有重要影响。地质雷达通过发送高频电磁波并接收反射信号，可以对地下岩层进行非破坏性探测，从而提供准确的地质构造信息[1]。

首先，地质雷达技术通过发送电磁波并接收反射信号，地质雷达能够实现对地下构造的高分辨率勘测，包括岩层结构和分布，以及构造断裂的探测。

其次，对于岩层结构和分布的探测，地质雷达技术能够通过分析反射信号的强度和波形识别不同类型的岩层，岩层通常具有不同的电磁特性，如介电常数和电导率，为隧道工程提供关键的地质信息，从而帮助设计人员更好地理解地下结构。在实际应用中，需要确定勘测区域的特征和目标，并选择合适的地质雷达设备和工作频率，通过合理设置工作参数，可以实现对地下结构的全面扫描。同时，勘测人员通过分析反射信号，可以获取地下构造的电磁特性，从而推断不同岩层的存在及分布情况。

再次，对于构造断裂的检测，地质雷达同样具有显著优势。构造断裂是地质构造中的重要组成部分，其直接影响隧道工程的稳定性。地质雷达通过分析反射信号，能够识别构造断裂带的位置、走向以及规模等关键信息，从而避免地下断裂体系，降低隧道工程风险。

最后，地质雷达可以用于检测岩石质量和风化程度。岩石的质量和风化程度直接影响公路隧道工程的稳定性和耐久性，地质雷达通过对地下岩石进行扫描和分析，可以提供岩石的密度、孔隙度以及波速等信息，从而评估其质量和风化程度，其对于选择合适的隧道开挖方法和支护结构具有重要意义。

2.2 地下水位检测

在公路隧道工程中，地下水位是影响隧道工程设计和施工的关键因素，因此准确获取地下水位信息有助于合理安排隧道的排水系统，预防地下水对隧道结构的潜在影响。然而，地质雷达在公路隧道工程中地下水位检测方面应用广泛，其可准确获取地下水位信息，帮助工程人员科学合理地进行隧道设计和施工。同时，地质雷达技术通过电磁波的反射特性，能够敏感地探测地下介质的变化，从而实现地下水位的高效检测。地质雷达技术在地下水位检测中的应用主要包括以下方面：

第一，波速分析与介电常数测定。地质雷达系统通过发送电磁波并记录反射信号的时间延迟，可以得到地下介质的波速，水在地下的传播速度与其他岩土介质不同，因此可以通过分析波速判定地下是否存在水体。同时，通过反射信号的强度和形状，可以获取介电常数等参数，从而进一步判断地下水体的性质。

第二，水平剖面扫描。地质雷达技术通过在地表上沿特定轨迹移动，并记录不同位置的反射信号，可以绘制地下水位的水平剖面图，使工程人员能够直观地了解地下水位的空间分布，识别潜在的水体集聚区域，从而为隧道设计提供重要参考。

第三，深度探测。地质雷达技术通过选择合适的频率实现对较深层次的水体探测，从而使工程人员直观地了解地下水位的垂直分布。同时，通过深度探测，可以有效了解地下水位的变化规律，为工程决策提供更为全面的信息[2]。

在实际操作中，首先，需要确定地下水位检测的目标区域，基于隧道工程的具体情况，考虑地质条件和工程需求，将监测区域分为上、中、下三个层次，以便分析地下水的流动情况。其次，工作人员应根据探测目的及现场条件选择合适的地质雷达设备和工作频率，例如探测较深的地下水位，需要使用高频率的地质雷达设备。同时，在选择设备时需要考虑设备的防护装置，以避免设备受外界干扰或破坏。再次，需要进行实地扫描并记录反射信号，通过分析该反射信号，可以获得关于地下水位的详细信息，整个操作过程应严格遵守安全操作规程，以保证人员和设备的安全。最后，对获取的数据进行分析并形成监测数据报告，以便向工程管理部门汇报监测结果，从而为后期的维护和管理提供参考[3]。

2.3 地下空洞和溶洞检测

在公路隧道工程中，地下空洞和溶洞是导致隧道工程灾害的潜在威胁，空洞的存在可能导致地表塌陷，而溶洞则常常与熔岩地质有关，其对地下结构稳定性产生不良影响。利用地质雷达技术能够及时发现和评估地下空间的异常情况，以确保隧道工程的安全性和稳定性。

同时，利用地质雷达技术可以通过测量电磁波在地下的传播和反射，能够快速、无损地识别地下空洞和溶洞。

首先，勘测区域的选择是整个地下空洞和溶洞检测的起点。在进行勘测区域选择时，工程团队需要仔细研究地质环境，并考虑其地表特征、空洞和溶洞的潜在分布以及地下结构的多样性等多种因素，从而选择合适的勘测路径，提高检测的准确性和全面性。

其次，工作参数的设置是确保地质雷达设备在不同地质条件下能够发挥最佳性能的关键步骤。根据地质雷达设备的性能和工作频率，工程团队需要合理设置工作参数，包括选择适当的工作频率、波长以及脉冲宽度等参数，以适应不同地质条件下的勘测需求。同时，精心设置此类参数有助于优化信号的捕捉和分辨率，从而提高数据的质量和可靠性。

再次，数据采集是地质雷达检测中的核心步骤。地质雷达通过在地表上设置精确的测量路径，可以高效获取地下电磁波的反射信号，此反射信号所包含的信息涵盖地下结构的各个方面。同时，系统性的数据采集能够确保对勘测区域的全面覆盖，从而为后续的数据分析提供丰富的信息基础[4]。

最后，数据分析是整个过程收尾的关键步骤。通过对采集数据进行详细而系统的分析，工程团队能够识别异常反射信号，准确判定地下空洞和溶洞的存在，并了解其形状和大小，从而生成可视化的地下结构图像，为后续工程决策提供直观而准确的信息。

2.4 地质灾害风险评估

在公路隧道工程中，地质灾害风险评估是确保工程安全和可持续发展的重要环节。地质雷达技术的引入能够提高风险评估的准确性，为评估工作提供了先进而高效的手段，同时为工程施工和运营阶段的风险管理提供了有力支持，具体包括以下几点。

第一，地下结构调查与数据采集。通过地下结构调查，工程团队能够了解隧道区域的地质特征，包括岩石的类型、土层的分布以及可能存在的裂缝等，从而为后续地质雷达检测提供必要的背景信息。

第二，利用地质雷达技术对隧道区域进行详细的勘测。地质雷达通过发射电磁波并接收反射信号，可以实现对地下结构的高分辨率探测。在此过程中，地质雷达生成的图像包含地下岩层、土层及裂缝等信息，此类图像具有极高的清晰度，其能够在不破坏地下结构的前提下提供详细的地质特征。

第三，地下结构分析与模型建立。地质雷达生成图像后，工程团队将进行地下结构的详细分析，此阶段主要包括对岩石性质、土壤稳定性以及可能存在的变形等因素进行评估。同时，利用专业软件可以建立地下结构的三维模型，从而更加直观地展现地下环境的复杂性，使工程团队能够准确把握潜在的地质灾害风险源。

第四，地质灾害风险源的定量评估。工作人员需要对潜在的地质灾害风险源进行定量评估，该过程涉及地下结构的稳定性、岩层的强度以及土壤的承载能力等参数的计算。地质雷达生成的图像能够提供大量的数据支持，使地质灾害风险源的定量评估更为准确。同时，通过这一步骤，工程团队能够了解各种地质灾害风险的具体程度，从而制定有效的风险管理策略。

第五，制订风险管理方案与措施。在完成地质灾害风险评估后，工程团队应制订详细的风险管理方案，该方案需要根据不同风险等级制定相应的措施，其包括但不限于加固岩层、加强隧道支护以及采取防灾措施等。同时，在工程施工和运营过程中，工作人员可以根据实际情况进行调整，以优化风险管理方案。

3 地质雷达在公路隧道工程检测中的应用案例

公路隧道工程位于丘陵地貌，该工程包括左、右两线，分别长为1337m 和1364m，为双向四车道隧道，其中包含两处人行横洞和一处车行横洞。场址地势起伏较大，进洞口自然坡度介于20°～25°之间，相对稳定。洞身海拔高达500m，沟壑呈V 形，宽度较小但发育，存在纵深割裂。表层土主要为粉质黏土，强度和压缩性中等，进口段围岩包括强～中风化砂岩和泥岩，风化差异较大，完整性较差，存在发育裂隙和岩体破损，需要及时支护避免坍塌。因此，相关人员引入地质雷达技术。

首先，通过地质雷达技术，可以实时获取地下结构的高分辨率图像。

其次，通过地质雷达对左、右两线的全程进行连续的地下勘测，从而获得关键的地质参数，包括岩层类型、裂缝密度、土层特性等。

再次，通过获得的数据详细分析地下结构，并建立三维模型，该模型包括岩层的分布、裂缝的走向以及土层的厚度等多个参数，具体见表1。

表1 三维模型参数表

基于建立的三维模型，进行地质灾害风险评估，其主要包括对岩层稳定性、裂缝发育程度以及土层承载能力等参数的计算和分析，评估结果见表2。

表2 地质灾害风险评估表

最后，根据地质雷达的检测结果和风险评估，工程团队制订了相应的风险管理方案。对于高风险区域，采取注浆加固和支护结构的加强措施；对于土层承载能力中等的地段，选择相应的基础处理方案，从而降低了地质灾害的潜在风险。

4 结语

综上所述，地质雷达技术的应用是技术创新的象征，该技术为公路隧道工程质量和可持续性发展提供了有力保障。文章通过研究地质雷达在公路隧道工程检测中的应用，工程人员能够全面了解地下环境的构造和特性，并在设计初期有针对性地制订风险管理方案，从而避免地质灾害对工程进度和安全性的不利影响。未来，相关人员将继续研究地质雷达技术的应用，以推动公路隧道工程事业的可持续发展。