地质雷达在公路隧道超前地质预报中的应用及实例分析

摘要：介绍地质雷达的基本原理，总结图像波的识别方法，以地质雷达在缙云山隧道超前地质预报中的应用为例，说明地质雷达探测技术能够准确地指导隧道施工，最后对地质雷达探测技术进行展望并加以推广。

关键词：地质雷达 超前地质预报 隧道 探测

Abstract: The basic principle of GPR is introduced, and the recognition method of image wave is summarized. Takes the application of GPR in the tunnel of JinYunShan as an example, and explains the detection technology of GPR can accurately guide tunnel construction. Finally, popularizes the technology of GPR.

Key words: GPR; advanced geological prediction; tunnel; detection

中图分类号：F407.1 文献标识码：A 文章编号：

0 引言

在隧道施工中，尤其是地质条件复杂的隧道工程，超前地质预报越来越广泛应用，它关系到工程的安全、质量、成本和进度。我国西南部多为山区，隧道施工过程中地质灾害经常发生，如冒顶、塌方和涌水等[1-3]。这就需要在隧道施工中，对隧道掘进前方的危险地质情况进行超前地质预报来控制风险，及时提出调整支护参数或加固措施建议，以保证施工安全和工程质量，加快施工进度，缩短工期。

1 地质雷达探测的基本原理

地质雷达探测属于波反射法，是利用超高频(106-109Hz)窄脉冲电磁波探测介质分布的一种地球物理勘探方法。地质雷达工作时，在主机控制下，发射机发射周期性信号，信号遇到介质的非均匀体时，产生反射信号，反射信号再传输到接收机，再经电缆传输到雷达主机，最后把数据通过雷达处理分析系统进行处理，得到可识别的波相图，对波相图进行定性解释。

地质雷达探测的工作原理示意图见图1所示。

2 雷达波的识别方法

图像波相的识别过程可归纳如下:首先要在雷达剖面图象中确认地面反射波，而后找出路面各结构层界面所对应的反射波组，并追踪其同相轴沿剖面的分布特征，选定图像判别的标志层，而后逐段的分析雷达图像的波长，幅度，波形，同相轴延展分布特征，识别异常现象，判别其异常属性，通过图像波相的识别达到对雷达图像的定性解释。

典型地质与雷达图像特征的简要关系见表1。

表1 典型地质与雷达图像特征的简要关系

3工程实例

3.1 工程简介

缙云山隧道进口位于沙坪坝区盐井沟煤矿，线路自东向西穿越缙云山中段，且于璧山县城街道周家湾出洞。设计为上下行分离式长隧道，A合同段施工缙云山隧道左线K2+267～K3+890，长1623m，右线YK2+280～YK3+390，长1610m。

隧道区地层结构主要由三叠系、上统须家河组、碎屑岩地层组成的陡峻单斜山岭或猪背脊岭，山势走向与构造线一致，背斜东翼岭脊地势较低。溶蚀岩溶地形主要为岩溶槽谷地形，分布于温塘峡背斜轴部。中风化泥岩节理裂隙较发育，岩体较破碎至较完整；中风化灰岩，岩质较硬，岩体节理裂隙较发育，岩体较破碎。

3.2 数据采集

隧道开挖到左线YK3+385，掌子面岩体以中～强风化泥灰岩为主，左下部出现管状涌水，岩层层间结合度差，岩体节理、裂隙发育，岩体破碎，呈碎裂状构造，岩体自稳能力差，开挖过程中拱顶易产生掉块现象，判断前方可能有溶洞。为了施工安全，对该掌子面前方做超前地质预报进行探测。本次探测采用了意大利IDS公司生产的RIS-K2最新型探地雷达设备，该天线主要用于地质勘测，如节理带断裂带分布、地下溶洞及地下水分布、隧道超前预报等方面。量测中选择40MHz屏蔽天线对隧道开挖掌子面前方0~30m范围内进行短距离超前地质预报进行探测分析。

探测范围为掌子面前方30m内的围岩，共采集四组数据。为便于对比分析，在掌子面上共布置测线四条，沿水平方向布置2条往返侧线，共4条侧线。采集数据前，要对地质雷达进行参数设置，参数包括时间窗口大小、扫描点样点数、增益点等内容；采集数据过程中，先沿水平方向自左往右连续地移动，同时发射和接受电磁波，再自右往左移动。测完一个来回，重复以上步骤。此外，地质人员需对现场地质情况做好详细记录。

隧道断面形式及测线布置见图2。

图2 隧道断面形式及测线布置

3.3 地质雷达预报结果

使用中国矿业大学研制的GR雷达处理分析系统对收集的数据进行处理，可得到掌子面至YK3+385段的地质雷达扫描图像见图3。

图3 雷达扫描图像

一般情况下，对于完整致密未发生溶蚀的岩石，电磁波不发生反射或反射能量较小，波形均一，振幅、波长基本一致，同相轴连续；对于破碎岩体（节理裂隙密集带），由于岩石被节理裂隙切割，反射界面增多，当节理裂隙近水平发育时，反射波同相轴一般连续，与完整岩石的差别在于振幅、波长的不同，而当节理裂隙纵向或不规则发育时，反射波能量发生变化、频率降低，反射波同相轴连续性变差，岩体破碎时常表现为波形杂乱；对于裂隙水，其振幅、波长因含水量差异而不同，与两侧反射波差异明显，且同相轴错断。本次探测中，围岩岩性为强风化泥灰岩，岩体结构基本破坏，岩体破裂成大小不一的碎块，由于粒度的不均一性，强风化带内反射波强度加大，反射波同相轴连续性较差。结合掌子面围岩情况，其探测的主要成果为：

（1）YK3+385~YK3+387（2m）为强风化泥灰岩，岩石破碎，伴有大量的裂隙水，总体为V级围岩；（2）YK3+387~YK3+485（8m）为强风化泥灰岩，岩石破碎，总体为V级围岩；（3）YK3+485~YK3+498（13m）为多水强风化泥灰岩，岩石破碎，总体为V级围岩；（4）YK3+498~YK3+415（17m）为强风化泥灰岩，岩石破碎，总体为V级围岩。

根据探测结果建议施工单位在YK3+385处开始打超前小导管加强拱顶支护，洞外地表注浆，减少钻孔及爆破深度，按V级围岩进行施工，并且加强监控量测进行预警，防治隧道出现事故。后经开挖证实，掌子面开挖至预报里程没出现溶洞，而是围岩节理、裂隙发育，岩体破碎，由于事先有效的超前地质预报，没有造成工程事故。事实证明，采取的措施有效保证了隧道事故的安全。

5 展望

在隧道施工中使用地质雷达做超前地质预报尤其是在不良地质（破碎带、水、溶洞）是比较可靠和精确的，能对隧道安全施工提供可靠的依据，对前期的地质勘查工作进行了补充，且能快速、直观地提供准确的成果。因此，地质雷达探测技术在各个领域应用会越来越广泛，弥补了钻探工作的不足，大大地缩短了工期、节约了成本、提供更准确、更详细的地质信息，为工程设计和施工提供科学依据。

[1] 何振起，李海，梁彦忠.利用地震发射法进行隧道施工地质超前预报[J].铁道工程学报，2000（4）：81-85.

[2] 李忠.TSP2202探测系统在新倮纳隧道地质超前预报中的应用研究[J].地质与勘探，2002,38（1）：86-89.

[3] 叶观宝，宋建.地质雷达在公路隧道短期地质超前地质中的应用[J].勘察科学技术，2010（20）：49.

作者简介：张家祥，男，1987年12月，硕士研究生，重庆交通大学，重庆，400074

孙书平，男，1986年06月，硕士研究生，重庆交通大学，重庆，400074