地質雷達在山西某隧道地質超前預報中的應用

洪俊光,王東林

中交路橋技術有限公司試驗檢測中心，北京 100018

地質雷達在山西某隧道地質超前預報中的應用

洪俊光,王東林

中交路橋技術有限公司試驗檢測中心，北京 100018

首先，介紹了地質雷達的工作原理和參數要求。其次，采用美國SIR-20型地質雷達在某隧道進行地質超前預報。最后表明，地質雷達用于隧道地質超前預報具有真實可靠性。

地質雷達;地質超前預報;隧道;電磁波

引言

目前，我國修建大量穿越山嶺的特長隧道。由于這些隧道大都處于地下各種復雜的水文地質、工程地質巖體中。為了摸清和預知周圍的水文地質和工程地質條件，隧道地質超前預報顯示出越來越重要的作用。在隧道開挖掘進過程中，提前發現隧道前方的地質變化，為施工提供較為準確的地質資料，及時調整施工工藝，減少和預防工程事故的發生非常重要。

1 地質雷達[1]探測原理

地質雷達通過發射天線，按照確定的方向，以高頻脈沖電磁波的方式向目標體方向發射電磁波，在同一均勻介質中，電磁波以正常速度傳播，當存在著不同物性的介質時，諸如巖石破碎帶、富水區、溶洞、斷層等，電磁波便發生反射，返回到地面，由接收天線接受。在對雷達波進行處理和分析的基礎上，可以大致計算出探測目標的深度、位置、結構等[2]。

地質雷達工作時,由發射天線向地下介質發射一定中心頻率的高頻電磁脈沖波，經地下地層或目標體反射后返回地面，被接收天線所接收(圖1)。脈沖波旅行時間為

其中：h為探測體的深度；v是電磁波在介質中的傳播速度；x為發射天線與接收天線的距離。

圖1 地質雷達探測原理示意圖

當地下介質的波速v(m/ns) 已知時，可根據精確測得的走時t(ns)，由上式求出反射物的深度h(m)。

地質雷達探測目的層深度的計算式為：

2 現場檢測

2.1 設備介紹

采用美國勞累工業公司的SIR-20型地質雷達。

SIR-20型地質雷達主要技術特點如下：

(1) SIR-20型雷達主機800線/秒的掃描，是目前世界上掃描速度最快的雷達，可支持快速檢測，測量速度可達80公里/小時。

(2) 主機適配所有高中低頻的各類雷達天線，頻率范圍從16MHz到2.2GHz。

(3) 分辨率高，可達5ps。

(4) 具有公路面層自動追蹤軟件、結構掃[3]描工具包、快速三維繪圖軟件等軟件模塊。

2.2 天線的選擇

目前廣泛使用的是900MHz、400MHz、100MHz天線。高頻天線，分辨率高，探測深度淺；低頻天線，分辨率相對較低，探測深度較深。根據檢測目的及探測目標的深度來確定天線頻率。不同頻率天線的探測深度一般是：900MHz天線探測深度為1m～2m；400MHz天線探測深度為4m～6m；100MHz天線探測深度為20m～40m。900MHz天線主要用于結構物檢測；400MHz天線主要用于市政、隧道襯砌檢測；100MHz天線主要用于隧道地質超前預報、考古等。

2.3 測線布置

用地質雷達進行隧道地質超前預報時，隧道掌子面前方常采用井字形或網格形測線布置。根據預報需要，可以增加測線數量，以便提高地質預報的準確性。

2.4 測量方式

用地質雷達進行隧道地質超前預報，常采用點測方式。由于隧道掌子面時常不平整，難以采用連續測量方式，所以經常采用點測方式。點測時，每次通過人工方式將天線移動相對固定的距離，手動采集數據[4]。

3 實例分析與研究

下面介紹地質雷達在山西省某隧道地質超前預報中的應用情況。隧道全長約6000公里。隧道隧址區圍巖地層為中下太古界集寧群右堡組(Ar1-2y)黑云斜長片麻巖夾淺粒巖、紫蘇麻粒巖，呈現強～微風化，巖體節量裂隙普遍較為發育，圍巖以較堅硬巖為主，巖體較破碎，局部較完整或極破碎，影響圍巖質量的主要因素為強風化巖層在洞體內的分布范圍及巖體裂隙發育程度。圍巖級別為III～V級。

3.1 巖體破碎帶的地質雷達圖像

圖2是破碎帶的探測圖像。測線方向為，面向掌子面從左向右。從圖像中可以看出，雷達波同相軸連續與錯斷并存，反射信號震蕩。掌子面前方，尤其是掌子面右側巖體較破碎，含有少量裂隙水。后經開挖證實，掌子面前方巖體較破碎，預報結果與實際情況吻合，從而有效的指導了施工。

圖2 巖體為破碎帶的雷達圖像

3.2 含水裂隙的地質雷達圖像

圖3是含水裂隙的探測圖像。測線方向為，面向掌子面從左向右。從圖像中可以看出，雷達波同相軸連續與錯斷并存，反射信號震蕩，振幅較強，頻率較低。掌子面前方巖體層理面較發育，巖體較破碎，巖石富含水。后經開挖證實，掌子面前方巖體較破碎，含有裂隙水，預報結果與實際情況吻合，從而有效的指導了施工。

圖3 巖體為含水裂隙的雷達圖像

4 結語

(1) 地質雷達用于隧道地質超前預報具有快速、便捷的特點。

(2) 地質雷達由于發射的是超高頻電磁波, 故探測深度及廣度有限。

(3) 探測過程中經常會有干擾因素存在，如隧道臺車、裝載機、照明電纜等的干擾。如何正確識別干擾，從而得到正確的分析結果尤為重要。

(4) 本次探測實例證明了地質雷達用于隧道地質超前預報有理有據，結果真是可靠。但是對雷達圖像異常情況的判斷解釋，需要積累大量的實際經驗。

[1] 夏才初，潘國榮．土木工程監測技術[M] ．北京：中國建筑工業出版社, 2001：245～280

[2] 楊峰，彭蘇萍．地質雷達探測原理與方法研究[M]．北京：科學出版社，2010：8～9

[3] 劉柱．地質雷達無損檢測隧道施工質量的圖像分析方法[J]．公路交通科技!應用技術版，2012．2：21～22

[4] 由廣明，劉學增，汪成兵．地質雷達在公路隧道超前地質預報中的應用．公路交通科技，2007．8(24)：93

洪俊光(1980-)，男，碩士研究生，研究方向為公路工程檢測。

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.16.031