探地雷达技术在隧道施工超前地质预报的应用

探地雷达技术在隧道施工超前地质预报的应用

陈茂林

四川蜀工公路工程试验检测有限公司，成都 610000

摘要：目前，超前地质预报中的地质雷达探测技术已成为确保隧道安全掘进的关键保障。通过工程实例表明，探地雷达对隧道前方超前地质预报结果与实际揭露地质情况高度吻合，可以高效地指导现场施工，避免事故发生。

关键词：探地雷达;隧道工程;超前地质预报;

在经济的快速发展和“一带一路”的引领下，中国的铁路、公路建设得到迅猛发展，隧道工程施工也大幅增长。随着隧道长度和埋深的增加，不良地质条件发生的概率也逐渐增多，过去简单的物探和钻探已不能满足实际的工程施工需要，超前地质预报技术应运而生。通过超前地质预报很好地预测隧道掌子面前方存在的风险，为保证隧道顺利掘进提供了有力保障。超前地质预报的方法有很多，包括地质分析法、电磁法、地震波法等，其中地质雷达技术因探测方法具有简单、便捷且分辨率高等优势，成为短距离超前地质预测的最佳方法之一。

1探地雷达探测原理与方法

探地雷达由主机、反射天线和接收天线三大部分组成，通过电磁波检测地下介质分布并对不可见目标体或地下的不同界面进行扫描，以确定其地下的内部结构形态和位置。根据地下不同介质的介电常数差异，利用发射天线向地下介质发射中心频率为100 MHz的广谱电磁波，以宽频短脉冲形式通过发射天线传播到地下。当电磁波遇到电性差异界面时，会发生散射和反射现象，同时介质对传播的电磁波也会产生吸收滤波和散射作用。通过接收天线接收来自地下的反射波并做记录，采用相应的雷达信号处理软件进行数据处理，然后根据处理后的数据图像结合工程地质及地球物理特征进行推断解释，对掌子面前方的工程地质情况做出预测。

2地质雷达预报

2.1现场测线布置

为了确保探测预报结果的精确度，在布置测线时应该做到以下几点：①电磁场对探地雷达测定信号的收集产生一定影响，布置测线要远离包括探测周围的电线、电缆等电磁场的干扰因素；②地质雷达探测对金属物体的反应较灵敏，故布置测线时，尽可能避开如钢拱架、开挖台车等金属设备；③布线时要布于隧道掌子面的平整地域，以便使天线和掌子面贴合紧密，减少因空气层的存在而引起的异常现象；④对于有异常区应加密处理，以减少探测盲区，保证探测结果的稳定性和准确性。

2.2数据收集处理方法

在探测过程中由于周围环境的影响及宽频带电磁波在地下传播，也将会有各种噪声被记录下来。收集到的信号要进行滤波处理，除去不需要的低频和高频信号，降低背景噪声和余振影响。为了突出有效信号、提高信噪比，我们通过软件对收集的信号做了增益处理、背景去噪、频率域滤波、偏移等图像处理。

3 工程实例应用

3.1 工程概况

某隧道右线隧道起讫里程为K0+725～K9+505,全长8870m,左线隧道起讫里程为ZK0+705～ZK9+570,全长8865m,隧道最大埋深近2000m。区属构造剥蚀高中山剥蚀地貌区，整体位于近似南北走向的脊状山群中，地形较陡，沟谷切割较深。场区范围内地质构造主要为南北向活动断裂，其次为北西向活动断裂，而北东向和近东西向活动断裂则相对短小。测区断裂构造发育，地质复杂，受区域构造影响，次级构造和褶皱较发育，岩层节理、裂隙发育，岩体较破碎。隧址范围内覆盖层主要为第四系崩坡积碎块石土覆盖层、澄江-晋宁期斜长花岗岩、三叠系上统白果湾组含碳质粉砂质绢云母千枚状板岩、观音崖组千枚岩、凝灰质砂岩,并分布有富水性中等。岩体溶蚀裂隙、节理发育还有岩爆、突水等不良地质情况。

3.2 探测仪器测量参数选定及布线

探测仪器选用美国GSSI公司生产的SIR-4000型地质雷达系统，探测中使用了100MHz中心频率的屏蔽天线，时窗设置为600 ns,采样点数1024,迭加次数128次，采集方式为点测法。探测位置为隧道的K8+010～K8+040段。

3.3 探测结果图像解译

根据反射波能量、背景回波、波形的相似性和波形的连续性等对其进行综合分析。掌子面前方0～30米（K8+010～K8+040）范围内，电磁波反射信号较强，波形振幅较强，信号杂乱无章。初步判断此区段内围岩主要为强—中风化闪长岩体，其中前方5～30m，掌子面中-右侧局部振幅较高，局部出现多次反射且同相轴连续信号，推测可能局部发育辉绿岩体，岩质较软-较坚硬，节理裂隙发育，岩体破碎，可能呈块状或碎块状结构，层间结合差，围岩稳定性差，无支护时，易产生掉块，地下水发育，可能呈淋雨状—细股状出水。

4成果验证

4.1超前地质水平钻验证

为了验证地质雷达的预报结果是否准确，进行超前地质水平钻孔进行验证。超前地质水平钻探是其他物探探测结果最直接、最有效的验证和补充，可通过冲击器的响声、钻速及其变化、岩粉、卡钻情况、钻杆振动情况、冲洗液的颜色及流量变化等粗略探明岩性、岩石强度、岩体完整程度、溶洞及地下水发育情况等。

钻孔顺序按1#孔、2#孔、3#孔依次进行探测，3#孔根据现场情况适时调整。采用地质钻机接杆钻孔，孔深一般

30～50 m。为防止遇高压水时突水失控，开孔采用直径120 mm钻头，孔内放入3.0 m长的直径108 mm钢管作为孔口管，孔口管伸出掌子面50 cm,孔壁间用环氧树脂加水泥浆锚固，孔口管伸出部分安封闭装置，并与注浆泵联接。钻探结果显示每次钻进时的掘进速度较快、无卡钻现象且见钻孔出水量增大，说明围岩破碎、岩质较软，岩性主要是中—强风化千枚状板岩，局部夹杂辉绿岩脉。

4.2施工验证

隧道的现场施工中，实际开挖掌子面拱顶钻孔内多处细股状涌水,并揭露围岩为中-强风化的千枚状板岩，局部见辉绿岩脉软弱夹层。隧道所在区域受大构造断裂带影响，次级断裂多发，节理裂隙发育，为涌水的主要通道。从超前地质预报分析结果与实际施工情况对比可见，开挖掌子面拱顶钻孔内多处股状涌水，揭露围岩以中—强风化千枚状板岩为主，岩质较软，遇水易软化，岩体较破碎，软弱夹层发育，呈碎裂状结构。围岩完整性与稳定性差，最终结果显示与超前地质预报吻合度极高。

综上可得，探地雷达能够精准判断掌子面及洞身的地质发育、风化、断层、裂隙及渗水等地质情况。可为局部围岩可能出现的失稳和出水等情况提供很好地监测，及时做好应对措施，确保安全、顺利施工。

5结论

地质雷达探测法对短距离隧道进行超前地质预测具有简单方便、精准度高的特点，经超前水平钻探揭露和实际掘进验证得到的地质情况基本一致。能够提前对隧道掌子面前方预测做出预警，并可以准确提供可靠的地质资料，确保隧道工程安全施工。因地质雷达自身固有的图像多解性所限，且有短距离探测的局限性，故而隧道工程超前地质预报中最好结合其他的物探方法，发挥预报系统的优势互补、定性与定量相结合的优势，更好为隧道工程实践服务。

参考文献

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