地质雷达在周武山隧道超前地质预报中的应用

摘要：阐述了地质雷达在隧道超前预报应用中的基本原理。以周武山隧道工程为例，介绍了地质雷达测线布置、探测以及对地质雷达探测数据的处理。根据探测数据图形分析结果提出了施工建议，保障了隧道的安全施工。

关键词：地质雷达超前地质预报 隧道

中图分类号：U45文献标识码： A

The Application of Geological Radar in Advance Geological

Forecast of ZhouWuShan tunnel

LU Jia-WeiGuo liu-jiang

(China Southwest Research Institute of china Railway Engineering Compay Limited,

Chendu 610031 China)

Abstract：This paper expounds the basic principle of geological radar on tunnel advanced prediction application. To Zhou Wushan tunnel project as an example, this paper introduces the geological radar line layout, as well as to the geological radar data processing. Construction suggestions are put forward according to the result of detection data graphic analysis, so as to guarantee the safety of tunnel construction.

Key words：geological radaradvance geological forecast tunnel tunnel face

伴随着我国基础建设的大发展，大量的公路铁路需要修建穿越山岭的隧道，超前地质预报由于其无损检测、精度较高、使用方便、自动成像等特点在隧道施工中得到了广泛的应用，成为保障隧道快速施工的最有力手段。在施工中对隧道掌子面开展超前地质预报工作，可为设计单位提供可靠的、更为详尽的不良地质资料，及时进行动态设计，信息化施工，避免重大施工地质灾害的发生，保证施工安全，减少人员伤亡和不必要的财产损失。本文结合周武山隧道实际工程，阐述了地质雷达在隧道超前预报应用中的基本原理以及使用方法，对引周武山隧道进口处进行地质雷达超前预报，以达到指导施工的目的。

1 地质雷达基本原理

探地雷达技术(Ground Penetrating Radar，简称GPR)是采用无线电波检测地下介质分布和对不可见目标体或地下界面进行扫描，以确定其内部结构形态或位置的电磁技术。其工作原理为：电磁波以宽频带脉冲形式通过发射天线发射，经目标体反射或透射，被接收天线所接收，见图1。

图1 雷达工作原理及其基本组成

电磁波的传播取决于物体的电性，物体的电性中有电导率μ和介电常数ε，前者主要影响电磁波的穿透(探测)深度，后者决定电磁波在该物体中的传播速度，因此，所谓电性介面也就是电磁波传播的速度介面。不同的地质体(物体)具有不同的电性，因此，在不同电性的地质体的分界面上，都会形成电性介面，雷达信号传播到电性介面时产生反射信号返回地面，通过接收反射信号到达地面的时间就可以推测地下介质的变化情况。电磁波在介质中传播时，其路径、电磁场强度和波形将随所通过介质的电性质及集合形态而变化，由此通过对时域波形的采集、处理和分析，可确定地下界面或目标体的空间位置或结构状态。

2 数据采集及处理

对于不同深度、不同岩性的探测目的层与目的物，在应用地质雷达检测时，需选择相应频率的天线和适当的仪器参数。当探测深度为20～30m时，一般选用频率相对较低的天线。

探测的雷达图形常以脉冲反射波的波形形式记录。由于地下介质相当于一个复杂滤波器，介质对波不同程度的吸收以及介质的不均匀性，使得脉冲到达接收天线时，波幅减小，波形变得与原始发射波形有较大的差异。另外，不同程度的各种随机噪声和干扰，也影响实测数据。因此，必须对接收信号实施适当的处理，以改善资料的信噪比，为进一步解释提供清晰可变的图像。图像处理包括消除随机噪声压制干扰，改善背景；进行自动时变增益或控制增益以补偿介质吸收和抑制杂波，进行滤波处理除去高频，突出目的体，降低背景噪声和余振影响。对数据文件进行了预处理、增益调整、滤波和成图等方法的处理。最终得到各测线的成果图，并据此进行探测对象的地质判释。

3 地质雷达在周武山隧道中的实际应用

3.1 工程地质概况

周武山隧道为分离式中隧道。该隧道为下坡隧道，左幅纵坡为-1.65%下坡，右幅纵坡为-1.60%下坡，隧道最大埋深约为145m。

（1）地层岩性

隧道开挖遇到的主要地层(自上而下)是：第四系杂填土（Qml）厚0.3～3.00m主要由建筑垃圾、碎块石及粘土组成，填筑时间长短不一，主要分布在原有建筑物区，拟建隧道进口段，耕植土（Qpd）、红粘土（Qel+dl），寒武系娄山关群（∈ls）强风化及中等风化白云岩。

（2）地质构造

隧道位于扬子准地台黔北台隆贵阳复杂构造变形区，贵阳向斜北端东翼。隧址区发育1条断层。地表斜向通过K29+478～K29+531处，与隧道轴线夹角为78°，该组断层为逆断层，南北向延伸，断层面倾向东，倾角一般50～70°，局部直立。地表调查及钻探岩芯显示，断层破碎带岩体呈呈砂状，颗粒状及碎块状，破碎带宽15～22.0m。

受断层及区域地质构造影响，隧址区岩层产状倾向120°～135°，倾角27°～33°。场地内岩体节理裂隙较发育，岩体破碎～较破碎。根据隧道区及其附近基岩露头，隧址区发育2组节理，第一组节理：产状19°～230°∠53°～70°，闭合，延伸长度大于20m，局部溶蚀痕迹。线密度3-5条/m。Ⅱ、第二组节理：产状280°～350°∠70°～85°，闭合，延伸长度大于10m，局部溶蚀痕迹。线密度1～3条/m。

（3）不良地质现象

隧址区岩体为碳酸盐岩，为可溶岩，在湿热多雨气候的影响下，易沿节理裂隙形成溶蚀洞隙，钻探揭示，隧址区溶洞主要以全充填、半充填或无充填的形式发育，在隧道临近溶洞及规模较大的溶蚀裂隙地段，围岩及节理裂隙中的土体易坍塌及地面塌陷，强降雨季节易发生岩溶突水、突泥，对工程及周边环境安全存在较大影响，隧道施工时应加强超前预报、探查工作。

隧址区有一条断层穿过，断层破碎带宽度较大，断层交汇地段，岩体节理裂隙发育～极发育，岩体破碎～极破碎，围岩稳定性差，可能出现突水、冒水情况，对工程及施工安全有潜在影响。

3.2 典型雷达图像分析

本隧道使用LATVIA生产的Zond-12eGPR地质雷达，采用天线频率为75MHz。采集与分析软件为同一软件包，与本探测仪器系统配套。

（1）测线布置

在周武山隧道出口右线YK29+675～YK29+645段现场布置2条测线。图2为探测里程为YK29+675～YK29+645掌子面素描图及测线布置示意图。掌子面岩体碎块状白云岩，岩体呈强～全风化状态，拱部右拱顶2m范围内风化严重，多呈全风化～散体状。节理裂隙发育，节理面夹黄色粘土，主要发育一组节理，节理产状及特征如下：J1节理81°∠74°节理间距约20cm,贯通掌子面。掌子面湿润，现场共布置了2条测线。

图2为掌子面素描图及测线布置示意图

(2)探测结果及分析

图3为地质雷达测试成果图，测线里程为YK29+675～YK29+645。YK29+675～YK29+655段（20米)本段岩性维持目前掌子面状况，岩体极为破碎，呈块状至散体状，岩体易掉块，甚至有发生坍塌的危险，短节理发育，岩体潮湿，建议围岩级别为Ⅴ级。YK29+655～YK29+645段（10米)本段岩体较上段稍好，但岩体仍以碎块状为主，局部岩体夹有粘土，短节理发育，稳定性差，地下水稍发育，岩体开挖后极易产生垮塌。建议围岩级别为Ⅴ级。

图3地质雷达测试成果图

该测段岩性中厚层浅灰白色白云岩，岩体呈强至全风化状态，岩体总体上较破碎，呈碎块状至散体结构，掌子面节理发育，建议开挖后及时做好进行初期支护；坚持“短进尺、强支护、勤量测”的原则组织施工，尽量减少对围岩的扰动，保护围岩的自承能力；在降雨频繁季节，加强洞室监控量测，及时反馈检测信息，建立健全隧道内的排水设施，提前对地下水进行引排疏导；隧道现场施工技术人员应多注意观察掌子面是否有异常变化，若有较大异常变化时，应及时通知预报单位，进一步查明隧道前方的地质情况。

4 结语

以地质雷达在周武山隧道超前地质预报中的应用实例，介绍了地质雷达在隧道超前地质预报中的应用，指导了隧道的施工，取得了较好的结果。地质雷达用于隧道施工中预报掌子面前方不良地质情况的判断，具有图像直观、对施工影响小的特点，由于地质条件具有复杂性，对地质雷达探测结果的反演具有多解性，为取得较好的预报效果，应结合地质构造、地层岩性的隧道掌子面地质素描分析，提高对地质雷达波形图的解译的准确性。同时应注重积累不良地质条件下各种介质雷达波形的典型特征。

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作者：路家伟(1982-)，男，安徽六安人。主要从事隧道超前地质预报及监控量测的研究。