地質雷達原理及在隧道短期超前預報中的應用

向亮星

0 引言

近年我國基礎設施建設投入不斷增大，全國各地的高速鐵路、公路和地鐵建設進入一個新的時期，而這當中隧道工程數量巨大。隧道施工時，掌子面前方的斷層、軟弱巖層、溶洞等不良工程地質條件都是很常見的工程地質問題。

隧道開挖前，利用有效物探方法作超前預報是解決問題的有效途徑。目前隧道超前預報采用較多的是地震波、雷達探測與地質研究相結合的辦法。地震預報距離為掌子面前100 m左右，地質雷達預報在20 m～30 m范圍內。地震法通常都要放炮作為震源，相比之下地質雷達設備簡單、測量快速、精度高、抗干擾能力強。

1 地質雷達基本原理及探測深度、精度

地質雷達(Ground Penetrating Radar，簡稱GPR，也稱探地雷達)是利用高頻電磁脈沖波的反射探測地下目的體分布形態及特征的一種地球物理勘探方法。發射天線(T)將信號送入地下，遇到地層界面或目的體反射后回到地面再由接收天線(R)接收電磁波反射信號，通過對電磁波反射信號的時域特征和振幅特征進行分析來了解地層或目的體特征(見圖1)。

電磁波遇到不同介電特性的介質會有部分電磁波能量返回，其反射系數R為:

由上式可知，電磁波在反射系數取決于介質的相對介電常數，介電常數差異越大，雷達波形越清晰。

空隙中空氣的相對介電常數為1;軟弱夾層(黏土)在9～14之間;水為81;礫巖在4～6之間。幾者間的相對介電常數差異較大，這為雷達方法作超前預報提供了較好的地球物理前提。

電磁波在介質中傳播的路徑——波形將隨所通過介質的電性及幾何形態而變化，根據接收到波的旅行時間(亦即雙程走時)、幅度、頻率與波形變化資料，可以推斷介質的內部結構以及目標的深度、形狀等，利用電磁波在介質中的波速和旅行時間可以計算介面深度(h=v×t/2)。當發射天線沿欲探測物表面移動時就能得到其內部介質剖面圖像。反射脈沖的信號強度與界面的波反射系數和穿透介質的波吸收程度有關。

影響地質雷達的預報深度、分辨率這兩個重要指標的因素包括兩方面。內在因素主要是指探測對象所處環境的電導率，介電常數等因素。相對介電常數隨介質中的含水量變化而急劇變化，含水少的介質其值較大。外在因素主要與探測所采用的頻率，采樣速度等探測方法有關。通常只有外在因素才具有選擇性。在實際應用中必須綜合考慮這些因素，采用適當的方法技術。

探測時所采用的天線中心頻率稱為探測頻率。而其實際的工作頻率范圍是以探測頻率為中心的頻帶。當中心頻率 f一定時，在特定介質中傳播速度 V也已知，根據公式 λ=V/f，波長也是定值。當地質體層厚小于1/4波長時，反射波不能反映中間層，所以探測頻率決定了探測的分辨率。同時，介質對高頻波吸收快，低頻波吸收慢。所以頻率越高，探測深度越淺，分辨率越高，頻率低時則相反。所以超前預報要選用的頻率來滿足探測深度和精度(分辨率)兩方面的要求。一些基于經驗的探測深度、分辨率與中心頻率的關系見表1。經綜合考慮，超前預報常選用中心頻率為100 MHz的天線(也可選配其他合適頻率天線作輔助測量)。

表1 經驗探測深度、分辨率與天線中心頻率的關系

2 工程應用

對某個掌子面有兩種測量方式:連續測量和點測(見圖2)。因為儀器天線要求緊貼洞壁和掌子面，在掌子面不平整時常采用點測法。

雷達測試資料的解釋是根據現場測試的雷達圖像，對測試的圖像進行異常分析。根據異常的形態、特征及電磁波的衰減情況對測試范圍內的地質情況進行推斷解釋。一般來說反射波越強則前方地質情況與掌子面的差異就越大。

杭瑞高速公路涼水井隧道里程K11+492處雷達探測圖像，在掌子面前方0 m～20 m范圍內，巖性為中厚層狀白云質灰巖，節理裂隙發育，受到節理裂隙影響，巖層破碎、充泥、夾泥，有少量裂隙水，拱頂部開挖線附近圍巖裂隙間泥質物充填，判定圍巖類別為Ⅲ類。

根據雷達探測結果，結合掌子面的地質情況，建議建設單位在K11+492～K11+472可按Ⅲ類圍巖支護施工。K11+482～K11+477段注意弱爆破、加強超前支護、防止拱頂坍塌。

最終掌子面掘進到K11+482處，巖層破碎充泥，掌子面滲水，圍巖穩定性差，與圖像及我方預報結果基本吻合(見圖 3)。

3 應注意的問題

探測過程中要注意，原則上探測盡量靠近掌子面軸心位置，測線距離盡可能長，盡可能多采集數據，便于后期數據分析處理。

100 M天線的長軸方向與電纜線要垂直，成90°角。電纜不能與天線平行，不能在天線上面過，也不能在天線下面過。主機系統放置在3 m～5 m范圍以外。電纜不能繞圈，防止線圈產生交變電磁場干擾。整套雷達系統應防止強電磁干擾。遠離電線電纜線一定距離。

波速 V是不穩定的，判讀一般都有一定誤差，需要在圍巖掘進后不斷的檢驗、修正。

4 結語

由于物探成果的多解性，數據的判讀很關鍵，但也是一個世界性難題。所以應結合隧道所處地質條件和隧道工程特點，通過試驗科學制定地質預報方案，采取多種超前預報方法結合，中長期與短期預報相結合，地質分析與物探技術、超前鉆探技術相結合的多種預報方法，相互印證，將不同手段得到的結果進行比較分析綜合，通過信息反饋不斷改進和選擇預報方法，使預報方法優化組合，以得到最佳的預報效果。

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