Ｂｒｉｄｇｅ＆Ｔｕｎｎｅｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ桥梁与隧道工程 地质雷达在公路隧道 超前地质￣ｌ ｌｌｉｌ巾的应用 尹俊涛 （河南省交通规划勘察设计院有限责任公司，河南郑州４５００５２） 摘要：介绍地质雷达的工作原理和使用方法，论述利用地质雷达对隧道掌子面进行超前地质预报时参数的选取及注意事 项，并结合实际工程总结出围岩不良地质体在地质雷达图像中的显现特征，得出相关结论。 关键词：隧道工程；地质雷达；超前预报：破碎带 中图分类号：ｕ４５２．１１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００２—４７８６（２０１２）１７—００４５—０３ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ Ｒａｄａｒ ｆｏｒ Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ Ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ ｉｎ Ｒｏａｄ Ｔｕｎｎｅｌ （Ｈｅｎａｎ Ｐｒｏｖｉｎｃｉａｌ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ Ｐｌａｎｎｉｎｇ Ｓｕｒｖｅｙ＆Ｄｅｓｉｇｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ ４５００５２，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ａｎｄ ｕｓｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｒａｄａｒ，ｄｉｓｃｕｓｓｅｓ ｔｈｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｐｏｉｎｔｓ ｆｏｒ ａｔｔｅｎｔｉｏｎ ｗｈｉｌｅ ｆｏｒｅｃａｓｔｉｎｇ ｔｈｅ ｔｕｎｎｅｌ ｆａｃｅ ｕｓｉｎｇ ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｒａｄａｒ．Ｉｔ ｓｕｍｍａｒｉｚｅｓ ｔｈｅ ｄｉｓ— ｐｌａｙ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｎ ｒａｄａｒ ｉｍａｇｅ ｏｆ ｕｎｆａｖｏｒａｂｌｅ ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｒｏｃｋ ｂｏｄｙ ｂｙ ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ａｃｔｕａｌ ｐｒｏｊｅｃｔｓ，ａｎｄ ｄｒａｗｓ ｓｏｍｅ ｉｎｓｔｒｕｃｔｉｖｅ ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｔｕｎｎｅｌ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ；ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｒａｄａｒ；ａｄｖａｎｃｅｄ ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ；ｆｒａｃｔｕｒｅｄ ｚｏｎｅ ０ 引言 电性差异的目标物时，如断层、破碎带、溶洞和含 目前，国内隧道施工时对掌子面前方地质情况 水层等，由于介质表面两侧介质的介电常数不同会 进行预测的工作越来越被重视及采用，由于勘察设 被反射回来，由接收天线Ｒ接收，差异越大反射信 计的局限性和隧道围岩地质条件的复杂性，实际工 号就会越强烈（见图１、图２）。根据电磁波的双程走 程中难以准确地把握复杂的地质情况，经常会出现 时ｔ及电磁波在介质中的传播速度Ｖ．可以得到目的 地勘资料与实际不符的情况。在施工过程中会产生 层的深度ｈｉ２］： 未知风险。因此。如何在施工中快捷准确地对前方 ＝— 、／ 一 地质进行探测就显得尤为重要，地质雷达（ＧＰＲ）法 是目前普遍被采用的一种地质预报方法ｌｌｌ。 式中， 为发射天线和接收天线间距。 １ 地质雷达的工作原理和使用方法 在对雷达数据进行处理和分析的基础上，结 １．１ 地质雷达的工作原理 合工程地质资料及掌子面围岩情况，对隧道掌子 地质雷达采用时间域脉冲雷达，雷达系统发射 面前方异常地质或目标体的分布情况进行预测， 天线Ｔ向掌子面前方围岩发射超高频窄脉冲电磁波 从而推断出掌子面前方异常地质或目标体的分布情 脉冲（１０６Ｈｚ～１０９Ｈｚ），电磁脉冲在传播过程中遇到 况 ２０１２年９月第１７期Ｉ ４５ 桥梁与隧道工程Ｂｒｉｄｇｅ＆Ｔｕｎｎｅｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ 图１ 地质雷达电磁波发射接收示意网 反射线 反射线Ｉ 反射线２反射线３ 空气 掌子面 ２ 地磺宙达电磁波传播不恿 １．２ 地质雷达的探测方法和步骤 １．２．１ 测线布置及测量方式选择 由于隧道掌子面开挖多采用上、下导坑开挖方 式，常采用十字形布置和井形布置两种布置方式． 可根据现场实际情况灵活布置测线，必要时可以加 密测线来提高准确性。在条件允许的情况下尽可能 多地采集有效数据，以备后期数据的处理分析【３ １地质雷达－－－一般有测量轮控制测量、连续测量和点测 种测量方式。前两种测量方式一般要求测量表面 较为光滑，保证测量距离的准确性，点测方式是通 过按键发送指令，较易控制。掌子面一般都凹凸不 平，因此，隧道超前地质预报大多都会采用点测的 测量方式，测点间距一般为０．５ｍ～ｌｍ １．２．２ 雷达参数选取及数据采集 雷达参数选取得是否合理直接影响探测结果的 精准性，探测深度为２０ｍ～３０ｍ时，一般采用５０ＭＨｚ 或１００ＭＨｚ的低频天线，这是因为天线中心频率越 高，分辨率较高，但是能量衰减也越大，探测距离 较短；反之天线中心频率越低，其探测距离越长 采样率宜选择天线中心频率的６～１０倍，每扫描采 样点数可选５１２或１ ０２４。记录时窗的选择由最大探 测距离、上覆地层的平均电磁波速以及雷达反射信 号的质量来确定，要保证所有可用信号全部采集． 每扫描记录时窗一般为６００ｎｓ。在开始正式采集时。 ４６ ｆ交通标准化 需对原始雷达波数据进行校正、增益处理，尽可能 压制和剔除干扰波，突出有效波，增强雷达测探结 果的准确性［５１ 地质雷达采集数据时易受到电磁干扰，因此， 现场测量时应清除天线和天线电缆附近的金属物， 支撑天线的器材应用绝缘材料。如果现场某些干扰 物件无法清除，应将其记录，并在数据分析时予以 考虑。 １．２－３ 数据处理及分析 首先对采集的原始数据中的不良数据进行剔 除，然后对数据采取滤波、增益等数据处理。根据 掌子面的围岩地质特征和异常的形态、特征及电磁 波的衰减情况对测试范围内的地质情况进行推断解 释。反射信号强则说明前方存在异常的形态和特 征；电磁波衰减则说明前方围岩质量较差，或富含 水。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率较大时对电磁波的吸 收较强，衰减较快 。为了提高测试的精度，在测 试过程中需要地质人员对测试剖面上的地质情况进 行现场记录，结合前面已开挖的围岩地质情况，对 掌子面前方的地质情况做出预测。 ２ 工程应用 ２．１ 工程概况及地质条件 青石岭隧道是连霍高速公路洛＿三灵段改扩建］～ 程隧道之一．为分离式双洞四车道隧道．全长 ８８０ｍ，左线里程桩号为ＲＫ８５＋８４２～ＲＫ８６＋７２２．此丁 程区域地貌属豫西低山区．地形起伏变化较大．所 处地质构造以断裂为主。地下水类型主要有松散岩 类孔隙水、基岩风化带网状裂隙水及岩溶裂隙水。 隧道主要所处地层中，泥岩和页岩较破碎．且风化 程度以强～中风化为主，遇水易产生膨胀崩解。 ２．２ 断层破碎带超前地质预报 本次雷达预报探测范围为青石岭隧道进口左线 ＲＫ８５＋９７２～ＲＫ８６＋００２段计３０ｍ。现场采用美国ＧＳＳＩ 公司的ＳＩＲ－－３０００型地质雷达和ＩＯＯＭＨｚ天线：每次 扫描的采点数为１ ０２４；水平测线距一级台阶底面 约１．５ｍ；测点间距为１ｍ 掌子面ＲＫ８５＋９７２Ｐ［＂露围岩主要为青灰色中风 化石灰岩，厚层状构造，节理裂隙较发育，岩体 完整性较好，岩体锤击声清脆，围岩＿Ｔ程地质性 质及自稳能力好。掌子面及初支局部有渗水情况（见 冈３）