探地雷达在隧道超前地质预报中应用
张杉
（中铁隧道勘测设计院有限公司，天津 300133）
摘要：随着我国中长期铁路网建设的发展及完善，隧道工程蓬勃发展，由于勘察的局限性及隧道围岩地质条件的复杂性，为确保隧道安全施工，超前地质预报技术成为隧道施工中不可或缺的一部分。本文结合工程实例在简述地质雷达基本工作原理和方法的基础上，通过对具体过程和测试结果进行详细分析，形象地探讨了地质雷达法的操作性、可行性、准确性。
关键词：超前地质预报；探地雷达；应用
近年来随着高速铁路工程的蓬勃发展，由于经济及地理条件的局限性，越来越多的隧道工程在可溶岩地层修建，隧道施工中有可能遇到岩溶、暗河等不良地质情况，因此为确保隧道施工安全，制定科学合理的施工方案，对施工面前方地质情况进行及时准确的超前地质预报是至关重要的。
探地雷达作为目前分辨率最高的工程地球物理探测方法，对岩溶、断层破碎带及富水带等不良地质体有较高的识别能力，且扫描速度快，操作简便，对施工干扰小，已受到广大工程建设者的一致认可。
1 探地雷达原理及测量方式简述
1.1 工作原理
探地雷达（Ground Penetrating Radar，简称GPR）是利用超高频窄脉冲电磁波探测介质分布的一种地球物理勘探仪器，其工作原理是发射天线向隧道施工面前方发射电磁波信号（106～109Hz），电磁波向施工面前方传播的过程中，当遇到电性差异的目标体（如空洞、裂隙、岩溶、地下水等）时，电磁波便发生反射，由接收天线接收反射波。通过对电磁波反射信号（即回波信号）的时频特征、振幅特征、相位特征等进行分析便可推断施工面前方的地质构造（如介电常数、层厚、空洞等）。目标体到施工面的距离
Δt——电磁波的双程走时间，ns；
v——电磁波的传播速度，cm/ns。
介质中电磁波的传播速度：
C0——电磁波在空气中的传播速度；
ε——介质相对介电常数。
探测原理如图1所示。探地雷达主要由天线、发射机、接收机、信号处理机和终端设备（计算机）等组成。
1.2 测量方式与测线布置
探地雷达测量通常采用点测和连续测量两种方式。由于施工面工作环境较差，表面较为粗糙、凹凸不平，所以一般采用点测模式。点测方式是通过电脑键盘发送信号触发指令给雷达主机，每按一次键盘回车键便可采集一道数据，此种方法的优点是能够适应施工面恶劣的工作环境，缺点是进行超前地质预报探测时，要求天线按固定的距离移动才能保证采集数据的剖面宽度与测线长度保持一致。
对于探地雷达超前地质预报，测线主要布置在施工面上，根据隧道围岩条件，常用的布置形式有一字形、十字形和井字形，如图2所示，必要时可加密雷达测线或重复扫描以提高探测结果的准确性。
图1 GPR探测原理示意图
2 探地雷达应用实例分析
蒙华铁路中条山隧道位于山西省运城市境内，隧道全长18.4km，地质条件极其复杂，为全线控制性重点工程，隧道通过寒武系、震旦系碳酸盐岩可溶岩，岩性主要为灰岩、泥质灰岩、白云岩等，并且多与页岩互层。由于中条山经过多期地质构造影响，岩体裂隙发育，岩溶较发育，形态以岩溶裂隙为主，局部发育小型溶洞。该区地下水主要为基岩裂隙水和碳酸岩岩溶水。
2.1 案例一
2.1.1 地质雷达探测及测线布置
此次施工面超前地质预报探测在中条山隧道2号斜井进行，施工面里程为ⅡXJK1+593.2，使用瑞典MALA公司生产的型号为MALA-X3M探地雷达配100MHz屏蔽天线，采用点测法测量，在施工面布置两条横测线，测线1位于施工面约1m高处，从左向右布置，测线2位于施工面约2m高处，从右向左布置。设置参数为：采样间隔0.1m，视窗650ns，采样频率为1150MHz。测线布置如图3所示。
图2 测线布置形式
图3 测线布置图
2.1.2 探测结果分析与解释
本次探测里程段为ⅡXJK1+593.2～ⅡXJK1+563.2，通过对探测数据进行分析可知探测范围内共发现一处异常，具体解释如下：（1）0～8m范围内反射振幅较弱，表现为中高频信号，同相轴较连续，部分错段，推测节理裂隙较发育，岩体较完整；（2）8～16m范围内反射振幅较强，表现为均匀的低频信号，呈层面状反射，同相轴较连续，推测该范围内溶蚀裂隙发育，多为宽张型，岩体较破碎～破碎，且发育裂隙水；（3）16～30m雷达反射振幅较弱，频率变化较小，同相轴连续且均一，推测节理较发育，岩体较完整。探测结果（图4）及地质推断图（图5）。
2.2 案例二
2.2.1 地质雷达探测及测线布置
此次施工面超前地质预报探测在中条山隧道3号斜井正洞右线进行，施工面里程为DK627+541.6，使用瑞典MALA公司生产的型号为MA-LA-X3M探地雷达配100MHz屏蔽天线，采用点测法测量，在施工面布置两条横测线，测线1位于施工面约1m高处，从左向右布置，测线2位于施工面约2m高处，从右向左布置。设置参数为：采样间隔0.1m，视窗630ns，采样频率为1100MHz。
2.2.2 探测结果分析与解释
本次探测里程段为DK627+541.6～DK627+511.6，通过对探测数据进行分析具体解释如下：（1）0～12m范围内反射振幅较强，表现为中低频信号，同相轴时断时续，不平行，波形较乱，推测溶蚀裂隙发育，岩体较破碎，且发育裂隙水；其中8～12m低频反射信号较强，同相轴较连续、规则，推测发育延伸性较强宽张裂隙，（2）12～30m范围内反射振幅较弱，表现为均匀的中高频信号，频率变化较小，同相轴较连续，仅20～22m范围内雷达低频反射信号较强，呈层面状反射，同相轴较连续，推测该范围内节理较发育—不发育，20～22m范围内发育宽张型裂隙，岩体较完整，且发育裂隙水。测结果（图6）及地质推断图（图7）。
图4 探测结果Wigglemode图
2.3 开挖揭示对比分析
2.3.1 案例一
ⅡXJK1+593.2～ⅡXJK1+585.2段节理较发育，岩体较完整；ⅡXJK1+585.2～ⅡXJK1+577.2段溶蚀裂隙发育，多为宽张裂隙，泥质充填，岩体较破碎～破碎，其中ⅡXJK1+583.0附近时左侧边墙附近发育小型溶腔，直径约20cm，无充填，裂隙水发育；ⅡXJK1+577.2～ⅡXJK1+563.2段节理较发育—不发育，岩体较完整。实际开挖揭示与雷达探测结果基本吻合。
图5 地质结果推断平面图
图6 探测结果Wigglemode图
2.3.2 案例二
DK627+541.6～DK627+529.6段节理裂隙、溶蚀裂隙发育，岩体较破碎，其中DK627+533.6～DK627+529.6段发育一条宽张裂隙，宽约15cm，方解石及灰岩碎块充填，且发育岩溶裂隙水，水量约200m3/h；DK627+529.6～DK627+511.6段节理裂隙较发育～不发育，岩体较完整，其中DK627+520施工面右侧拱部至底部发育一条溶蚀裂隙，与施工面近似平行，延伸性强，属宽张型，宽约20cm；裂隙方解石结晶、泥质充填，延伸性好，发育岩溶裂隙水，水质浑浊，后渐清，且具一定水压，水量200～300m3/h。与雷达探测结果基本吻合，由于施工单位根据前期探测资料，也进行了其他手段的探测验证，并制定了切实可行的施工方案，未对施工安全造成影响。
图7 地质结果推断平面图
3 结论
通过上述案例及结合以往采用探地雷达对施工面前方不良地质情况探测的分析研究，得出以下几点认识：
（1）由于探测施工面凹凸不平及人为操作原因，天线不能按固定间距移动，不能保证采集数据的剖面宽度与测线长度保持一致，很大程度影响数据的分析判识，是产生实际揭示与探测结果存在误差的一个重要原因，所以在探测过程中应尽量避免干扰，确保数据的准确性。
（2）如果施工面前方岩体完整，表现出来的电磁波信号很微弱，频率变化较小，同相轴连续且平行；反之，如果施工面前方节理发育，岩体破碎，电磁波信号振幅较强，受裂隙水的影响，中低频信号都有，同相轴时断时续，不平行，波形较乱。
（3）溶蚀破碎带、富水段及岩溶发育段，电磁波信号绝大部分被吸收，反射波衰减较快，后续段电磁波信号表现较为微弱，很容易引起数据判释错误，所以技术人员进行数据解释时一定要认真分析，结合多方面资料，对数据做出精准的解释。
（4）对于重大异常地段，应该适当增加测线。
随着隧道工程的增加，复杂地质条件下修建隧道越来越多，隧道超前地质预报作为地质勘察工作的延续与补充，已经成为隧道施工工序的一部分。地质雷达应用于隧道超前地质预报过程中，具有高效、精准、干扰小的特点，但有时也有它的局限性，所以有时要通过几种预报手段综合分析验证，为隧道安全施工提供可靠的依据。
参考文献
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