地质雷达在洞头上隧道超前预报中的应用

杨成铭姜婉文何慧美

摘要：地质雷达以其实用性、高效率、可信度较高等的优点广泛应用于工程建设领域，本文以毕威高速洞头上隧道为工程背景，介绍地质雷达的工作原理以及在岩溶地区超前地质预报中的应用，同时指出了在超前预报中深度反演出现误差的原因。

关键词：公路隧道 地质雷达 超前预报 岩溶 反演深度

U459.2

1前言

洞头上隧道为毕节至威宁高速公路的一座分离式的双向四车道高速公路隧道。全长335m，最大埋深104m。场区处于云贵高原乌蒙山脉北段。属构造剥蚀、溶蚀型低中山沟谷地貌类型。覆盖第四系（Qe1+d1）黄褐色粘土，下伏基岩为二叠系下统茅口组（P1m）深灰色中厚～厚层状灰岩[1]。围岩为强风化～中风化灰岩，节理裂隙发育，岩体破碎岩溶作用比较强烈，常会形成一系列溶井、落水洞等垂直形态的不稳定岩溶，及其在雨季集中降雨且降雨量大时极易引起岩溶突水突泥等现象，严重威胁施工安全。可以说破碎和岩溶问题是灰岩地区隧道施工的主要威胁。因此，做好洞头上隧道施工的超前地质预报工作，对预防隧道安全事故、减小施工风险有着十分重要的意义。

2地质雷达工作原理

雷达主要由控制器、发射与接收天线组成。其工作原理为：电磁波以宽频带脉冲形式通过发射天线定向发射，电磁波在地下介质中传播，当遇到存在电性差异介质的界面时，电磁波便发生反射并在发射界面被接受天线所接收，如图1所示。电磁波的传播取决于物体的电性,物体的电性有电导率μ和介电常数ξ，前者主要影响电磁波的穿透深度,后者决定电磁波在该物体中的传播速度。隧道围岩均为非磁性介质,岩石破碎带、溶洞、断层裂隙、水等介质的介电常数有明显的差异，它们之间能形成良好的电磁波反射界面，探地雷达发射的电磁波脉冲向下传播遇到这些反射界面就会产生发射，反射后被接收形成的雷达剖面图像，经过分析可得到隧道掌子面前方目标体的分布情况。

图2.1 地质雷达工作原理示意图

根据记录到的反射波的到达时间和电磁波在介质中的传播速度，来确定反射界面或目标体的深度，其公式[2]见式2.1：

(式2.1)

其中： ——发射天线和接收天线间距； ——介质中的电磁波传播速度；

——反射波旅行时间。

3现场测试及结果分析

3.1现场测试

根据工程需要及地质雷达的探测能力，本次采用的设备为美国劳雷公司产的SIR-20地质雷达，配以100M天线，采用点测的方法。由于掌子面操作场地狭窄及不具登高条件等因素，测线布置为沿掌子面横向，在能够操作的范围内布置两条测线，如图3.1所示。在测试过程中,先沿横向自左到右按间隔约10cm停下采集一次数据的方法移动地质雷达天线，直至测线1采集完成，再自右向左以相同的方法移动采集测线2。通两次雷达波形图的对比，直接判断仪器工作是否正常及减轻人的操作对信号采集的影响。本次预报范围为右洞掌子面YK95+073前方37m(YK95+073～YK95+035)。

3.2资料分析

洞头上隧道右线YK95+073掌子面出露为二叠系下统茅口组（P1m）深灰色中风化厚层灰岩，产状为206°∠38°。掌子面垂直节理一组发育，产状为256°∠85°，间距为10-30cm，节理面局部见充填黄色塑性粘土，地下水发育一般。受溶蚀影响，掌子面岩体较破碎，稳定性较差。易产生掉块、塌落等不良地质现象。采用探地雷达进行探测，掌子面前方雷达探测资料如图3.2所示。

图3.1 YK95+073掌子面 图3.2地质雷达测试综合成果图

从雷达波形图可以看出，在掌子面前方8～15m范围内，波形杂乱，同相轴错断17～21m范围有一条与隧道轴线斜交的电磁波突变带，界面发射强烈，其余段波形无明显变化。由此可推断YK95+066～YK95+060段范围内，掌子面中部偏右侧节理裂隙发育，岩体整体性差且含水，呈碎裂结构；YK95+058～YK95+051段范围内，发育一斜条切隧道的溶蚀裂隙，岩体破碎，左侧溶蚀裂隙水发育，如图3.2所示。根据地质预报结果，建议YK95+058～YK95+051段开挖时须预先做好超前支护，遵循短进尺、弱爆破的施工原则，施工过程中应尽量减少掌子面开挖对现出露岩溶充填物的扰动，以免掉块、塌陷甚至造成冒顶等安全事故。

4开挖验证及分析

2011年5月6日洞头上隧道开挖至YK95+059，掌子面右侧岩体破碎见斜切溶蚀裂隙带露头；2011年5月8日开挖至YK95+054，掌子面穿越溶蚀裂隙带，拱顶稳定性差、掉块严重，不时有流塑状泥质充填物涌出。在超前地质预报预先发出后，施工单位预先采用针对性的超前支护，安全有序的通过该不良地质影响区域。

图4.1 YK95+059掌子面 图4.2 YK95+054掌子面

但是，预报中在对目标体深度的判读上出现了1米左右的误差,这是因为掌子面前方地下水等对围岩的影响，导致电磁波在不同介质的传播速度差异较大，而地质雷达系统在后期数据处理时却按照统一的传播速度来处理，这是造成深度反演误差的最大原因。

5 结语

在施工过程中依靠地质雷达进行超前地质预报，保证了施工安全，在整个施工过程中从未发生因不良地质而引起的安全事故，确保了工程施工人员安全，及施工进度。但为进一步提高地质雷达在隧道超前预报中的准确性和有效性，需要对不良地质条件下各种介质雷达波形的典型特征进行反复的研究，以提高地质雷达波形的判读能力。

参考文献：

[1]毕威高速公路第5合同段两阶段施工图设计 贵阳：贵州省交通规划勘察设计研究院，2010.11.

[2]姜汶泉，刘亚玲，汪林平.地质雷达在公路隧道超前预报中的应用[J].地下空间与工程学报,2008,4(4):649-652.

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。