地質(zhì)雷達(dá)在公路隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中的應(yīng)用

山東鐵正工程試驗(yàn)檢測中心有限公司 山東 250014

摘要：從地質(zhì)雷達(dá)預(yù)報(bào)的基本原理出發(fā)，采用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行隧道超前預(yù)報(bào)，提前采取有效的防范措施，確保隧道施工的安全是可行的，且具有較高的預(yù)報(bào)精度。

關(guān)鍵詞：地質(zhì)雷達(dá)；超前地質(zhì)預(yù)報(bào)；隧道；探測

引言：在隧道施工中，尤其是地質(zhì)條件復(fù)雜的隧道工程，它關(guān)系到工程的安全、質(zhì)量、成本和進(jìn)度。隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)由來已久，超前預(yù)報(bào)的方法也有很多，地質(zhì)雷達(dá)具有掃描速度快、重量輕、分辯率高、屏蔽效果好、圖像直觀、對施工影響小和可跟蹤施工全過程等優(yōu)點(diǎn)，并積累了大量的工程實(shí)測數(shù)據(jù)和圖像分析經(jīng)驗(yàn)，近年來在施工檢測及地質(zhì)預(yù)報(bào)中得到了廣泛應(yīng)用。

1、地質(zhì)雷達(dá)的工作原理

探地雷達(dá)依據(jù)電磁波脈沖在地下傳播的原理進(jìn)行工作。發(fā)射天線將高頻（100～800MHz或更高）的電磁波以寬帶短脈沖形式送入地下，被地下介質(zhì)（或埋藏物）反射，然后由接收天線接收。根據(jù)電磁波理論，當(dāng)雷達(dá)脈沖在地下傳播過程中，遇到不同電性介質(zhì)交界面時(shí)，由于上下介質(zhì)的電磁特性不同而產(chǎn)生折射和反射。在對接收天線接收到的雷達(dá)波進(jìn)行處理和分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)接收到的雷達(dá)波形、強(qiáng)度、雙程時(shí)間等參數(shù)便可推斷地下目標(biāo)體的空間位置、結(jié)構(gòu)、電性及幾何形態(tài)，從而達(dá)到對地下隱蔽目標(biāo)物的探測（如圖1所示）。

圖1中T為發(fā)射天線，R為接收天線，電磁波在地下介質(zhì)中 遇到目標(biāo)體和基巖時(shí)發(fā)生反射，信號返回地面由天線R接收并記錄，通過主機(jī)的回放處理，就可以得到雷達(dá)記錄的回波曲線（如圖2所示）。

圖2中橫坐標(biāo)的單位為m，橫軸代表地表面的探測距離，在 地表面均勻打點(diǎn)可以得到相應(yīng)點(diǎn)位的地下介質(zhì)分布情況；縱坐標(biāo)代表的是電磁波從發(fā)射到遇見地下目標(biāo)體或基巖時(shí)反射回地面并被儀器接收所需要的時(shí)間。有了雷達(dá)記錄的雙程反射時(shí)間即可據(jù)公式（1）算出該界面的埋藏深度H：

其中，t為目標(biāo)層雷達(dá)波的反射時(shí)間；c為雷達(dá)波在真空中的 傳播速度（0.3m/ns）；εr為目標(biāo)層以上介質(zhì)相對介電常數(shù)均值。這時(shí)就可以對雷達(dá)資料進(jìn)行進(jìn)一步的數(shù)據(jù)處理，其方法與地震反射法勘探數(shù)據(jù)處理基本相同，主要有以下幾方面：1）濾波及時(shí)頻變換處理；2）自動(dòng)時(shí)變增益或控制增益處理；3）多次重復(fù)測量平均處理；4）速度分析及雷達(dá)合成處理等。

2、地質(zhì)雷達(dá)應(yīng)用技術(shù)方法

2.1雷達(dá)預(yù)報(bào)原理

地質(zhì)雷達(dá)的試驗(yàn)原理為由控制單元向地層發(fā)射一組以某一頻率為中心的高頻電磁波，在傳播的過程中，電磁波遇到不同電磁性介質(zhì)分界面時(shí)，一部分電磁波能量會(huì)轉(zhuǎn)換成反射波返回地面，另一部分能量則透過界面繼續(xù)向前傳播，再次遇到界面時(shí)，又有一部分電磁波產(chǎn)生反射返回地面。

2.2地質(zhì)雷達(dá)地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)

2.2.1雷達(dá)地質(zhì)預(yù)報(bào)長度的確定

預(yù)報(bào)長度的長短同電磁波在巖體中傳播的特性密切相關(guān)，根據(jù)波的傳播原理，電磁波在堅(jiān)硬均勻完整性好的的巖體中傳播時(shí)，其透射能力較強(qiáng)，當(dāng)其遇到介電常數(shù)相差較大的巖層界面時(shí)，電磁波的反射系數(shù)較大，天線接收器接受的信號就越強(qiáng)，預(yù)報(bào)長度可適當(dāng)放長。根據(jù)杜公嶺隧道的圍巖的基本特征，預(yù)報(bào)的長度一般為20～30米左右。

2.2.2介電常數(shù)的選擇

雷達(dá)地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)果的可靠程度，圍巖介質(zhì)的介電常數(shù)的選取是關(guān)鍵，一般情況下，巖體的介電常數(shù)在5～8之間，具體的數(shù)值應(yīng)根據(jù)具體巖性進(jìn)行確定，另外圍巖含水率對圍巖介質(zhì)的介電常數(shù)有重要的影響，因此，還應(yīng)依據(jù)圍巖的含水率的大小進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。

2.2.3測程的選擇

利用雷達(dá)進(jìn)行隧道地質(zhì)預(yù)報(bào)時(shí)，應(yīng)采用線測和點(diǎn)測相結(jié)合，線測或點(diǎn)測時(shí)，應(yīng)采用不同測程相結(jié)合，以便對各種測試結(jié)果進(jìn)行對比分析，相互驗(yàn)證，突出圍巖不良地質(zhì)狀況。圍巖完整性較好時(shí)，測程可采用700ns，圍巖破碎時(shí)，測程采用300ns。

3.典型地段超前預(yù)報(bào)實(shí)例分析

3.1軟弱夾層的探測

所謂軟弱夾層是指巖體中那些性質(zhì)軟弱、有一定厚度的軟弱結(jié)構(gòu)面或者軟弱帶。按成因分為原生軟弱夾層、構(gòu)造及擠壓破碎帶、泥化夾層及其他夾泥層，具有高壓縮性和強(qiáng)度低的特征。

在某隧道ZK145+820掌子面探測時(shí)，前10m范圍內(nèi)同相軸不連續(xù)，信號頻率較低，幅值較強(qiáng)，在掌子面前方11m處存在一反射信號較強(qiáng)的多次震蕩信號，電磁波衰減加快，結(jié)合具體地質(zhì)情況，推測前方10范圍內(nèi)巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，在掌子面前方11m處可能存在一軟弱夾層或富含基巖裂隙水，后經(jīng)開挖證實(shí)，在ZK145+810處存在一豎向強(qiáng)風(fēng)化結(jié)構(gòu)面，有夾泥和鐵錳質(zhì)礦物充填，且伴有侵潤狀浸水。

3.2節(jié)理密集帶的探測

節(jié)理是存在于巖體中的裂縫，是巖體受力斷裂后兩側(cè)巖塊沒有顯著位移的小型斷裂構(gòu)造。巖體中的裂隙，在工程除了有利于開挖外，對巖體的強(qiáng)度和穩(wěn)定性均不產(chǎn)生有利的影響。節(jié)理密集帶主要存在于斷層影響帶、巖脈帶及軟弱夾層中，由于節(jié)理內(nèi)有不同的礦物成分、不均勻的充填物，與周邊圍巖形成電性的差異，因此具有采用地質(zhì)雷達(dá)探測巖體中裂隙存在的地球物理基礎(chǔ)。

在某隧道YK145+850掌子面探測時(shí)，同相軸錯(cuò)斷，信號頻率中等，局部信號頻率較低，幅值中等，6～16m范圍內(nèi)出現(xiàn)平行和雜亂的發(fā)射波，推斷前方6～16m，即YK145+844～YK145+834段，為節(jié)理密集帶或富含基巖裂隙水，巖體呈碎石狀壓碎結(jié)構(gòu)，圍巖較破碎，后經(jīng)開挖證實(shí)，該范圍內(nèi)巖體破碎，節(jié)理裂隙十分發(fā)育，節(jié)理張開。

3.3富水帶的探測

富水帶是含水量大的巖體區(qū)域，在隧道開挖后可能產(chǎn)生涌水現(xiàn)象。水的相對介電常數(shù)最大為81，當(dāng)巖體含水量較大時(shí)，介質(zhì)的介電常數(shù)有較大的增大，而電磁波在介質(zhì)中的傳播速度則會(huì)降低，這樣反射波表現(xiàn)較強(qiáng)的正峰異常，同時(shí)出現(xiàn)強(qiáng)反射，能量衰減增快，伴有繞射、散射現(xiàn)象，導(dǎo)致波形紊亂，頻率成分由高頻向低頻轉(zhuǎn)變。

結(jié)語：

對于隧道動(dòng)工安全與進(jìn)度特別主要的就是隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)。使用于公路隧道動(dòng)工中的地質(zhì)雷達(dá)，預(yù)報(bào)掌子面前方不良地質(zhì)情況可較快判斷，有利于工程施工，提高了短期地質(zhì)超前預(yù)報(bào)的水平工作。因此，地質(zhì)雷達(dá)探測技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用會(huì)越來越廣泛，彌補(bǔ)了鉆探工作的不足，大大地縮短了工期、節(jié)約了成本、提供更準(zhǔn)確、更詳細(xì)的地質(zhì)信息，為工程設(shè)計(jì)和施工提供科學(xué)依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]葉觀寶，宋建.地質(zhì)雷達(dá)在公路隧道短期地質(zhì)超前地質(zhì)中的應(yīng)用[J].勘察科學(xué)技術(shù)，2010（20）：49.

[2]白哲，夏元友.地質(zhì)雷達(dá)在隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中的應(yīng)用[J]，武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文，2006，4：46-50.