地質雷達在隧道地質超前預報中的應用

貴州省交通科學研究院有限責任公司 胡先進 鄒啟學 吳 瑾 夏曉勇

地質雷達在隧道地質超前預報中的應用

貴州省交通科學研究院有限責任公司 胡先進 鄒啟學 吳 瑾 夏曉勇

隧道是鐵路、公路、水電等建設項目中的常見工程。隨著建設工程規模的不斷擴大，隧道工程的埋深、數量、長度和跨度也在不斷增加，大大增加了隧道勘察工作的難度。為此，地質雷達近年來在隧道地質超前預報中逐漸得到推廣。

一、地質雷達探測原理及方法

1.探測原理。地質雷達方法是指利用高頻電磁波，以脈沖形式通過發射天線定向地向地下發射。電磁波在地下介質中傳播時，當遇到存在電性差異介質的界面會發生反射，返回地面后由接收天線接收，并由采集系統以數字形式記錄下來。通過處理采集數據，可以獲得時間或深度剖面；根據記錄到的反射波的到達時間和求得的電磁波在介質中的傳播速度，可以確定反射界面或目標體的深度；同時根據反射波同向軸的形態及其振幅的相對強弱變化等因素，可以判斷目標體的性質及空間規模，從而達到對地層或地下目標體的探測。地質雷達的工作原理如圖1所示。

圖1 地質雷達工作原理

2.探測方法。測線主要布置在隧道掌子面上，在探測過程中可采用兩橫兩豎或一橫三豎的布線方式，必要時可加密雷達測線，或在隧道開挖底板或側壁布置雷達測線，以增加雷達的原始數據信息量，保證探測結果的準確性。

地質雷達測量通常采用點測和連測兩種方式。點測法主要適用于隧道掌子面較為粗糙、凹凸不平的工作環境，要求天線按固定的距離移動才能保證采集數據的剖面寬度與測線長度一致；連測方式是通過測距輪的滾動或預先設置好的時間間隔自動采集數據，適用于較光滑的掌子面。由于隧道掌子面工作環境較差，一般情況下均采用點測法。

二、工程應用實例

龍井隧道為貴州省思南至劍河高速公路中的一條公路隧道。隧道場區地處云貴高原向湘西丘陵及廣西丘陵過渡的斜坡地帶，隧道主要穿越奧陶系下統大灣組（Q1d）泥灰巖、紅花園組（Q1h）灰巖、桐梓組（Q1t）白云質灰巖。由于地質情況較為復雜，查明隧道掌子面前方巖溶、巖體破碎帶、節理裂隙密集帶、地下水等不良地質非常重要。在龍井隧道的預報過程中，采用美國GSSI生產的SIR20型地質雷達，100 MHz 主頻天線，采樣點數為512，采樣窗口長400 ns，介電常數、掃描率等參數根據隧道掌子面地質情況進行相應調整。下面，筆者就龍井隧道預報實例簡單介紹幾個典型的地質情況。

1.節理裂隙密集帶。節理裂隙密集帶主要存在于斷層影響帶、巖脈帶及軟弱夾層中，由于裂隙內有不同成分、不均勻的充填物，與周邊圍巖形成電性差異。當雷達電磁波傳播到裂隙表面時，會產生較強的界面反射波，同相軸的連續性反映了裂隙面是否平直、連續；在穿越裂隙的過程中會產生繞射、散射、波形雜亂、波幅變化大等現象，反映了裂隙內充填物的不均勻性。在龍井隧道出口ZK88＋220 處掌子面進行探測時，得到圖2 – a所示的雷達圖像。從圖中可以看出，雷達波在ZK88＋220－ZK88＋233 范圍內反射較強，反射波同相軸規整度較差，且波形細碎、雜亂，雷達波能量衰減也較快，結合掌子面地質情況推測ZK88＋220－ZK88＋233里程段為節理裂隙密集帶，圍巖穩定性差，建議施工單位在本段施工時應謹慎掘進，并做好加強支護。后經開挖驗證，該段巖體呈薄層狀，節理裂隙發育。該段發育狀況如圖2 – b所示。

圖2 節理裂隙密集帶探測狀況

2.巖溶。巖溶是指地表水和地下水對可溶性巖石所進行的以化學溶解作用為主、機械侵蝕作用為輔的溶蝕作用，以及侵蝕–溶蝕作用和與之伴生的堆積作用的總稱。一般來說，溶洞雷達圖像特點是被溶洞側壁的強反射所包圍的弱反射空間，溶洞底界面的反射則不太明顯。當溶洞為空洞或充水時，洞體內雷達波幾乎是沒有反射的；當溶洞充填覆蓋物質時，則可見一組較短周期的細密的弱反射，這是由洞內土體所產生的。

在龍井隧道進口YK88＋580處掌子面進行探測時，得到圖3所示的雷達圖像。從圖中可以看出，雷達波在YK88＋583－YK88＋591 里程段有一明顯雷達波反射異常區，該段雷達波反射較強，并且衰減較慢，反射區有明顯邊界。該段隧道穿越白云質灰巖地層，結合現場掌子面地質情況和地勘資料，推測YK88＋583－YK88＋591里程段發育一溶洞，可能充水、充泥。后經開挖驗證，該段發育一溶洞，充泥一般，如圖5所示。

圖3 巖溶狀況

3.富水帶。隧道富水帶是指含水量大，開挖后可能產生涌水現象的段落。介電常數是雷達工作的基礎，水的相對介電常數為81，水的電導率遠高于隧道巖體，預報中地質雷達對水特別敏感。一般情況下地質雷達探水有以下規律：雷達波對水和含水率高的介質的反射強烈，反射波強度大；雷達波從其他介質到含水層界面的反射波相位與入射波相反；雷達波通過含水體后，高頻成分被吸收，反射波的優勢頻率降低。在龍井隧道出口ZK88＋310處掌子面進行探測時，得到如圖4所示的雷達波圖像。從圖中可以看出，雷達波在掌子面前方ZK88＋313－ZK88＋323里程段衰減較快。結合隧道掌子面地質情況和地勘資料，推測ZK88＋313－ZK88＋323里程段為富水帶。后經開挖驗證，該段地下水發育，呈線流狀出水，富水帶如圖4所示。

圖4 富水帶狀況

三、結論

1.地質雷達應用于隧道地質預報過程中，可準確探測到各種不良地質現象，如巖體破碎帶、節理裂隙密集帶、地下水、巖溶等，且分辨率較高，能夠為隧道安全施工提供可靠的依據。

2.地質雷達的探測深度和探測精度受巖體性質影響較大，圍巖完整性越好，探測深度和探測精度就越高。

3.地質雷達在進行現場探測時，易受施工現場干擾，特別是開挖臺車等金屬物的影響。因此，如何正確識別干擾，從而得到準確的探測結果至關重要。

4.隧道地質超前預報是地質勘察工作的延續和補充。在使用地質雷達進行隧道地質超前預報時，除了要采集高質量的數據和選擇合理的參數外，對于預報成果的解釋還必須要與地勘資料、掌子面地質資料有機結合起來進行綜合分析。同時對預報成果的正確解釋，還需要大量的實際經驗和豐富的地質、物探知識。