1、1探地雷达超前地质预报工作原理及其应用摘要：本文通过探讨地质雷达的工作原理结合甘肃某高速公路隧道建设实例，阐述了地质雷达应用于公路隧道施工中地质超前预报的重要性，为地质雷达在隧道短期地质超前预报积累了一定的经验。 关键词：公路隧道；超前地质预报；地质雷达 中图分类号： U45 文献标识码： A 文章编号： 在隧道施工期间对其掌子面前方地质情况的超前预报已历经几十年的发展。英、法、日、德等国家均已将期其列为隧道工程建设的重要研究内容。我国超前预报2、3的研究始于 20 世纪 50 年代末,但真正应用于隧道工程建设(包括其地下工程)是在 70 年代谷德振根据矿巷施工进度和掌子面地质性状做出的矿巷前
2、方将遇到断层并将引发塌方的成功预报为序,开始了我国隧道施工期地质预报的研究和应用. 现代隧道建设发展趋势是隧道越建越长,穿越的地层地质条件越来越复杂。由于隧道工程的复杂性和不可预见性,在现有经济技术条件下,隧道施工中各种不良地质灾害的预测是复杂条件下山岭公路隧道施工中面临的最主要任务,尤其是隧道施工开挖工作面前方地质情况的预报是国内外工程地质和隧道工程关注而又没有得到很好解决的难题。 1 地质雷达的工作原理 地质雷达（GPR）是一种用于探测地下介质分布的光谱电磁技术，地2质雷达发射电磁波信号到地下介质中，当遇到存在电性差异的地下目标体（岩石破碎带、溶洞、断层裂隙等）的电性介面时，就有部分电磁能
3、量被反射折向地面，被接收天线接收，根据接受到的电磁波波形、强度。双程走时 t 等参数推断地下目标体的空间位置、结构、电性及几何形状，从而达到对地下隐蔽目标物的探测。当地下介质的波速已知时，可根据测到的精确 t 值求得目标体的位置和埋深。这样，可对各测点进行快速连续地探测，并根据反射波组的波形与强度特征，经过数据处理得到地质雷达剖面图像。而通过多条测线的探测，则可了解场地目标体平面分布情况。 电磁波行程用下式确定为：t=,-,-,-,-,4z-2.+,x-2.-.-.-v；式中：t 为脉冲波走时（ns,1ns=10-9s） ；z 为反射体的深度（m） ；x为 T 与 R 的距离（m） ；v 为雷
4、达脉冲波速(m/s)；由于地质雷达所使用的是高频电磁波。电磁波与介质的相对介电常数可以表示：V=,C-,-,-,-,-,-,-,-,-.；其中 C 为光速（3102m/s） ；,- 为相对介电常数5。 根据地质雷达的应用目的不同选择不同的测线布置：在地质超前预报中，需要探测的区域为掌子面前方的围岩，掌子面上测线的布置关系到本次预报结果的准确性。公路隧道的选址不同,隧道所处的地质情况不同，隧道施工过程中遇到不良地质情况也差异性比较大。总结以前公路隧道施工所遇到的不良地质,常见的不良地质情况有：断层破碎带、大型溶洞、节理密集强风化带、突泥、涌水和灾害气体等。结合成武返家山隧道施工实际情况，对其掌子
5、面前围岩情况的预报采用：美国 GSSI 公司3生产的 SIR3000 地质雷达，天线中心频率为 100MHz。 2 工程实例概况 成（县）武（都）高速公路武都西隧道位于武都马街镇西侧山体上，该隧道设计为分离式岩质隧道。隧址区位于剥蚀中低山地貌区。山体地形东部较为平缓，略有起伏，西侧较陡，呈中间高两侧低形，自然坡度约 50，进口段位于省道 S205 右侧下部，穿越没水山后重新与 S205 相较后以北峪河 11 号跨越北峪河。 3 探测结果分析 选择 CW18 武都西隧道右线 YK86+645 掌子面上的探测结果进行预报分析。由探测结果可知，其波形主要特征：波形杂乱，至深部反射波都存在一定强度同相
6、轴错乱，波幅衰减很快，反射界面错乱。隧道YK86+645 为深埋段，地表坡度较陡，上部千枚岩及碳质千枚岩变质十分发育，风化程度较大。推断在该掌子面前面地质情况复杂，岩体较破碎，层理发育且含水量少。预计在开挖过程中会经常出现拱顶垮塌造成围岩严重超挖，为了能有效控制这种不利情况，要求施工方在开挖前打设超前注浆锚杆，短台阶进尺，弱爆破或机器开挖，开挖后采用双层支护。经掘进证实，该岩体强度极差，呈层状。 掌子面前方 315m 以内雷达发射波强烈,与 15m 以外泥灰的微弱发射波形形成鲜明的对比,在 3m15m 围岩回波波形不稳定，回波相似性较差，同相轴不连续，中部偏左缺失，推测为节理裂隙发育，岩性不稳
7、定。掌子面 12m 中部偏左围岩较破碎，节理裂隙发育。经开挖验证，现场情况与预报结果基本相符。根据 1 线布置雷达波图像显示掌子面前方两侧4雷达波强反射同相轴，局部存在杂乱波形，层面较发育无水，岩体物性差异增大，围岩变差大；围岩呈碎裂松散结构，围岩破碎，及以后围岩为受构造影响很严重的碎块，软弱破碎。 4 结语 通过分析工程实例探测结果表明，使用地质雷达进行隧道掌子面前方不良地质预报是比较理想的方法，即快速又经济。对保证公路隧道安全施工具有重要的指导意义。同时，由于隧道掌子面的平整与否，对探测结果的准确性有一定影响。在实际操作中应注意天线的定点和贴壁，否则会使雷达探测结果产生畸变，所以在超前地质预报工作中，应当根据工程的实际情况选择地质雷达测量参数，并结合雷达探测结果、隧道开挖掌子面的情况和隧道区域地质情况对测试结果进行综合分析。 参考文献 1何发亮，李苍松. 隧道施工期地质超前预报技术的发展J. 现代隧道技术，2001，38（3）：1216 2 叶英. 隧道施工超前地质预报人民交通出版 2011,（2）：156-165 3刘志刚. 隧道隧洞施工地质技术M. 北京：中国铁道出版社，2001，1200 通讯作者简介：王丰仓（1985-）男，汉族，陕西铜川，硕士研究生，5主要从事岩土工程与隧道工程研究与学习工作。
