基于地质雷达的隧道掌子面前方地质预报研究

崔 芳，高永涛，吴顺川

(北京科技大学土木与环境工程学院，北京 100083)

由于地质条件的复杂性，在公路隧道开挖中，可能会遇到溶洞、断层、破碎带、瓦斯和各种含水情况等不良地质现象。因此，在隧道开挖阶段，如何超前预报隧道掘进方向的地质构造，准确查出隧道掘进方向的围岩性状、结构面发育情况，对及时采取有效施工措施、确保施工安全至关重要[1-3]。常用的超前预报方法，有地质学方法、GPR(Ground Penetrating Radar，地质雷达)法、TSP(Tunnel Seismic Prediction，隧道地震超前预报系统)法[4]等。其中，地质雷达法是通过向地下发射高频宽带的电磁脉冲信号，利用地下介质的电磁特性差异，根据回波信号的振幅、波形和频率等特征来分析和推断介质结构。它以快速便捷、操作简单、抗干扰强、分辨率高、图像直观等特点，在20m范围内的短距离超前地质预报中有着广泛应用[5-7]。地质雷达探测技术，作为有效的地质勘探手段和隧道监控量测手段，可对掌子面前方围岩进行超前探测，确定隧道前方断层破碎带、裂隙风化破碎带、富水带等不良地质状况的位置与范围，进而详细划分或界定围岩类型，以便采取不同开发方式及超前支护措施，防止隧道灾害的发生[8-10]。本文利用地质雷达探测方法，结合张承高速大华岭隧道的工程地质实际，重点研究隧道掌子面前方复杂岩石及围岩介质传播穿透过程中，岩石及围岩介质对电磁波的反射、散射等机理特性，对掌子面前方岩石及围岩介质结构情况进行超前预报，为施工单位合理安全施工，减少隧道灾害及消除隐患提供了依据。

1 地质雷达探测原理及预报方法

1.1 地质雷达探测原理[11]

地质雷达与对空雷达在原理上十分相似，是一种根据地下介质的电性差异，来对地下介质或物体内部目标进行探测的一种电磁波探测技术。地质雷达采用的是时间域脉冲雷达，它通过发射天线将高频电磁波以宽频带脉冲形式定向送入地下，经具有不同电性的地下地层或目标体反射后返回，由接收天线接收回波信号，送入雷达主机进行后续的信号处理，如图1所示。

图1 地质雷达工作原理

雷达主机根据回波的单程旅行时间和电磁波在相应介质中的传播速度确定目标距离，并通过综合分析来判断目标性质。在介质中传播的电磁波，当遇到不同的岩体界面时，将发生反射和透射。探测过程中，影响电磁波传播规律的关键指标是介质的电性，包括电导率和介电常数。电磁波传播路径与电磁场强度随所通过介质的电性、几何形态及尺寸等不同而变化，所接收反射回波的幅度、形状、频率及在横向上的展布特征也随之变化。因而，在对地质雷达数据进行处理和分析的基础上，可根据雷达波形、电磁场强度、振幅和双程走时等参数，来判断掌子面前方异常地质或目标体的分布情况。

1.2 地质雷达预报方法及资料解析

地质雷达的探测布置方法比较灵活，根据具体情况布置测点、测线或网络。对于隧道掌子面前方地质预报而言，在开挖掌子面上，通常以上、中、下水平和左、中、右位置为骨架，布设若干水平测线和竖向测线进行前方探测。每条测线可构成一条剖面，各条剖面上的综合地质信息构成了前方一定范围内的空间地质构造形态。测线密度根据所探测地段的围岩地质构造复杂程度和所要求的探测控制精度确定，围岩越复杂，要求的控制精度越高，测线密度越大。根据探测资料，首先对各方向剖面进行综合分析，定性判定前方地质情况并定量确定有关异常体、条带等位置、深度及其空间分布情况，再结合具体已知条件(如断层、节理、裂隙与隧道走向的夹角和倾角及其对隧道围岩稳定性的影响程度)、地压因素(静压、动压和二次平和压)，详细划分和界定围岩类别，以便采取相应的超前支护措施。

雷达测试资料的解析，应根据现场测试的雷达图像，对其进行异常分析，根据异常的形态、特征及电磁波衰减情况，对测试范围内的地质情况进行推断解释：一般来说，反射波越强，则前方地质情况与掌子面的差异就越大。根据掌子面的地质情况，就可对掌子面内的地质情况做出推断；另外，电磁波衰减对地质情况判断也极为重要，因为完整岩石对电磁波的吸收相对较小，衰减较慢，当围岩较破碎或含水量较大时，对电磁波的吸收较强，衰减较快。解释过程中电磁波的传播速度，主要根据岩石类型进行确定，在有已知地质断面的洞段，则以现场标定的速度为准。

2 应用实例

2.1 工程概况

大华岭隧道位于河北省张家口市口里东窑子村东北，总体走向为西南-东北。该隧道设为左右两条路线，隧道洞身平面由缓和曲线和直线组成，左线里程：LK18+415～LK23+670，洞净宽12.5m，洞净高7.45m；右线里程：RK18+520～RK23+800，洞净宽12.5m，洞净高7.45m，如图2所示。大华岭隧道出口段，围岩岩性主要为强～弱风化凝灰角砾岩，节理裂隙较发育，岩体呈碎块～大块状镶嵌结构，拱顶岩体较破碎，呈碎石状压碎结构，沿裂隙面风化强烈，呈泥状，其中大华岭左线出口掌子面中部见少量强风化膨胀岩，爆破效果较好，围岩级别Ⅳ级。

图2 大华岭隧道断面轮廓图

2.2 预报方法

预报采用美国GSSI公司制造的Sir-3000型探地雷达系统，所用天线主频为100MHz，同时，为了提高探测精度，预报还可采用主频为400MHz的天线，对掌子面前方5m范围进行高精度探测。本次预报掌子面位于LK23+181、RK23+310里程处，使用人工手工托举雷达天线紧贴掌子面并且垂直掌子面正前方施测。

2.3 成果解析

2.3.1 完整围岩

完整围岩的岩性单一，介电常数变化很小，雷达波形均匀，无异常强发射现象；如图3所示，为大华岭隧道左线出口LK23+181掌子面雷达探测图像。从图3中可以看出，雷达波波形均匀，围岩基本无显著变化。据此预测该段围岩条件为：岩体干燥，呈块状、次块状结构，仅局部发育有细小裂隙，岩石质地坚硬，围岩较完整。几乎没有明显的反射波信号，推断该范围内电导率较小，相对介电常数变化不大。因此，该处应为较为完整的强～弱风化流纹质凝灰角砾岩。这一解释结果与后期开挖情况相符。

图3 左线出口LK23+181掌子面雷达图像(100m天线)

2.3.2 膨胀围岩

膨胀围岩具有强的亲水性，遇水易崩解的特性，容易引起隧道下沉和塌方。图4为大华岭隧道左线出口LK23+181掌子面中部雷达图像。总体来说，在掌子面前方里程LK23+181～LK23+161，岩体破碎程度基本与掌子面相似，前方以强～弱风化流纹质凝灰角砾岩为主。而在隧道掌子面左侧至中部里程LK23+181～LK23+175部位区段，同相轴异常紊乱，预测该区段岩石比较婆娑，节理裂隙发育，含水量增加，地下含水率一般。推测围岩性质较为不利，隧道偏压加重，为强风化膨胀岩，围岩级别Ⅳ～Ⅲ级。

图4 左线出口LK23+181掌子面中部雷达图像(400m天线)

2.3.3 破碎带围岩

在低强度岩层中侵入高强度的岩脉时，裂隙或破碎带较发育，由于岩层的不连续性，岩石强度和介电常数的变化，在雷达波形图上显示为区域性的强反射。如图5所示为大华岭右线出口RK23+310右侧掌子面雷达探测图像(100M天线)。从图5中可看出，掌子面中部出现比较集中的强反射，与周围围岩有明显区别。考察相位图后预测，该区域受构造作用形成裂隙，开挖易形成沿裂隙方向的滑动。实际开挖掘进与预报成果一致。

图5 右线出口RK23+310右侧掌子面雷达图像(100m天线)

2.3.4 富水区围岩

地质雷达这种电磁类预报方法对水尤其敏感，雷达波对水和含水率高的介质的反射强烈，反射波强度大。同时，雷达波从其它介质到含水层界面的反射波相位与入射波相反，且雷达波通过含水层后，高频部分被吸收，反射波的优势频率降低。因此，在雷达探测中，富水岩体中反射波的脉冲周期明显增大，并且通过富水岩体后能量很快衰减，削波现象严重。因而在雷达图像中，富水岩体处为强反射带，且反射波主频显著降低，相位发生翻转，有时会产生绕射、散射现象导致信号紊乱。图6为大华岭右线出口RK23+310左侧掌子面雷达探测图像(400m天线)。从图6中可以看出，该段出现较强的反射波，相位连续性不强，预测该段富水性较强，围岩变差，实际开挖至该区段时，掌子面出现较大面积线流，并伴有掉块现象，即破碎岩。

图6 右线出口RK23+310左侧掌子面雷达图像(400m天线)

3 结论

(1)地质雷达作为一种无损检测方法，具有经济快速、操作简便、判断直观等优点，在一般情况下，能够较准确地探测出掌子面前方20m范围内的岩石破碎程度及节理、裂隙、断层发育及含水量等情况。由于各类岩体及围岩介质的电性、几何结构差异较大，雷达回波对上述地质情况变化反应较为明显。

(2)掌握复杂地质条件下探测电磁波的传播特性，研究岩石及围岩介质对电磁波的反射、散射、衍射、色散、衰减等机理，对于隧道掌子面前方地质超前预报的准确度具有重要的现实意义。下步的研究重点，主要是建立从回波信号反演隧道掌子面前方复杂岩石及围岩介质内部结构的三维数学模型，并运用合理的信号处理方法，如小波分析、模拟退火、神经网络等，推断隧道掌子面前方复杂岩石及围岩介质的几何参数和力学参数等信息。

(3)由于无损检测的局限性，导致雷达图像具有多解性，因此应注重采取多种方法提高预报解析的准确性，如现场数据的海量采集，增加掌子面测试次数，选取合适雷达参数，选择点测方式等。在与测区实际地质情况相结合的基础上，注意排除图像中的干扰因素，做到合理的推断解释，达到准确预报的目的。

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