地质雷达法在隧洞超前预报中的应用

地质雷达法在隧洞超前预报中的应用

窦宝松

北京市水科学技术研究院，北京 100048

摘要：随着隧道施工技术的提高，对隧道施工期地质超前预报提出了更高的要求。地质雷达因具有扫描速度快、操作简便、重量轻、分辨率高、屏蔽效果好、图像直观等优点得到了广泛应用，近年来也被用于隧道超前预报。本文结合某工程实例就地质雷达在隧道超前地质预报进行一些探讨。

关键词：隧道，地质雷达，超前探测

1 引言

随着2011年中央1号文件《中共中央国务院关于加快水利改革发展的决定》的发布，推动了我国水利事业的快速发展。南水北调工程的西线工程与中线工程，大部位于我国西部山区，也将修建大量穿越山岭的超长大隧洞。由于这些隧道、隧洞大都处于地下各种复杂的水文地质、工程地质岩体中，为了摸清和预知周围的水文地质和工程地质条件，隧道施工期地质超前预报显示出越来越重要的作用。隧道地质超前预报因为技术要求高、难度大、观测条件受限而成为疑难问题，而含水性的预报又是难中之难[1]。目前常用的超前预报方法主要有：地质分析预报法、TSP 法、地质雷达法、瞬变电磁法等。本文结合福厦铁路某段山区隧洞工程，介绍地质雷达法在隧洞超前预报中的应用。

2 地质雷达基本原理

地质雷达（简称GPR），是一种对地下的或物体内不可见的目标体或界面进行定位的电磁技术。是一种对地下的或物体内不可见的目标体或界面进行定位的电磁技术。其工作原理是：高频电磁以宽带脉冲形式，通过发射天线被定向送入地下，经存在电性差异的地下地层或目标反射后返回地面，由接收天线接收。高频电磁波在介质中传播时，其路径、电磁场强度与波形将随所通过介质的电性特征及几何形态而变化。故通过对时域波形的采集，处理和分析，可确定地下界面或地质体的空间位置及结构[2]。

一般，岩体、混凝土等的物质的相对介电常数为4～8，空气相对介电常数为1，而水体的相对介电常数高达81，差异较大，如在探测范围内存在水体、溶洞、断层破碎带，则会在雷达波形图中形成强烈的反射波信号，再经后期处理，能够得到较为清晰的波形异常图。

3 工程实例

3.1 工程概况

本工程贵州省西南部山区，隧道长4534m，掌子面为马蹄形，高7.0m，最大跨度9.0m。开挖后采用钢桁架支护，间距1.5m，初衬挂钢筋网喷混凝土保护，厚15cm；二衬为现浇混凝土，厚30cm。根据勘察和设计文件地质特征为： 表层为块石，松散结构，石灰岩为薄层状，质软，节理裂隙十分发育；钙质千枚岩节理、裂隙发育，片理间结合较差，岩质软，顺层，设计为Ⅴ级围岩。探测当日隧道进深约25m。掌子面地质情况与地质报告一致，掌了面地层为泥质薄层状石灰岩，间夹薄层泥岩，多呈互层状。

3.2 探测设备与参数

本次工作采用瑞士MALA公司的探地雷达，主要工作技术参数为：100Hz屏蔽天线，每次扫描的采样点数：500；每秒钟的扫描数：100；相对介电常数：6。

3.3 探测工程布置

隧道开挖超前预报因钢架影响，掌子面处分为3段测线测量，每测线约长2m，测线布置见图1。

图1掌子面超前预报测线布置平面图

采用瞬变电磁法同步对该工程进行探测，其探测结果显示在在探测掌子面进深50m左右里程处可能存在一处含水区。该里程已超出地质雷达的探测范围，为确保工程安全，现场查勘后在含水区对应里程的山坡上布置3条测线。

3.4 探测结果分析

本次雷达探测距离根据电磁速度和反射走时计算约为20m，根据探地雷达解译结果如图3~图5，从图像分析得出以下结论：

图2隧道内测线1图像

图3隧道内测线2图像

图4隧道内测线3图像

(1) 掌子面超前预报探测深度约为19m，测线1形成的图像去除干扰后，图像波形平行但不连续，岩层较为破碎，测线3图像也存在该现象，故认定探测范围内岩层较为破碎。

图5坡顶测线3图像

(2) 隧顶覆岩探测深度约为20m，测线1形成的图像去除干扰后，地表下8-10m处存在一处图像波形平行但不连续，判定为岩层较为破碎，同时在16m附近，电磁波明显减弱，异于上下岩层，应为一软弱岩层。测线2经过较多植被，干扰严重，形成的图像去除干扰后，仅能判定在18m附近，存在一异于上下岩层的构造，结合测线1的结果，分析为一软弱岩层。测线3形成的图像去除干扰后，存在较多异常区域，在这些区域内电磁波急剧减弱，特别在异常区2内电磁波几乎完全被吸收，因此在该区域内为冲积土填满，并且很可能含有较多地下水；同时三个异常区域几乎联通在一起，很有可能存在一个孔洞。

后经开挖验证，探测掌子面进深20m范围内，岩体整体条件较好，无明显破碎及富水区。进深45m左右，存在一孔洞，已被冲积土填满，且含水量极高，局部形成水沼。

4 结论

本文通过利用地质雷达对某山区隧洞进行超前探测，较好的探明的不良地质条件，为隧洞的安全施工提供了指导。虽然地质雷达具有扫描速度快、操作简便、重量轻、屏蔽效果好等优点，并且在本工程中得到较好的应用，但也有局限性，如探测距离和精度的矛盾性；探测图像的多解性等。因此在使用过程中可结合其他探测手段，如瞬变电磁法、物探法等；同时结合现场条件，合理布置探测方案，如物探与地质分析结合、洞内外结合、长短预测结合，从而得更加准确的结果，更好的指导工程施工。

参考文献：

[1] 李天斌，孟陆波等．隧道超前地质预报综合分析方法[J]．岩石力学与工程学报，2009

[2] 牛一雄，苑守成. 地质雷达在公路建设中的应用[J]. 物探与化探,1996