地质雷达在山西某隧道地质超前预报中的应用

洪俊光,王东林

中交路桥技术有限公司试验检测中心，北京 100018

地质雷达在山西某隧道地质超前预报中的应用

洪俊光,王东林

中交路桥技术有限公司试验检测中心，北京 100018

首先，介绍了地质雷达的工作原理和参数要求。其次，采用美国SIR-20型地质雷达在某隧道进行地质超前预报。最后表明，地质雷达用于隧道地质超前预报具有真实可靠性。

地质雷达;地质超前预报;隧道;电磁波

引言

目前，我国修建大量穿越山岭的特长隧道。由于这些隧道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，隧道地质超前预报显示出越来越重要的作用。在隧道开挖掘进过程中，提前发现隧道前方的地质变化，为施工提供较为准确的地质资料，及时调整施工工艺，减少和预防工程事故的发生非常重要。

1 地质雷达[1]探测原理

地质雷达通过发射天线，按照确定的方向，以高频脉冲电磁波的方式向目标体方向发射电磁波，在同一均匀介质中，电磁波以正常速度传播，当存在着不同物性的介质时，诸如岩石破碎带、富水区、溶洞、断层等，电磁波便发生反射，返回到地面，由接收天线接受。在对雷达波进行处理和分析的基础上，可以大致计算出探测目标的深度、位置、结构等[2]。

地质雷达工作时,由发射天线向地下介质发射一定中心频率的高频电磁脉冲波，经地下地层或目标体反射后返回地面，被接收天线所接收(图1)。脉冲波旅行时间为

其中：h为探测体的深度；v是电磁波在介质中的传播速度；x为发射天线与接收天线的距离。

图1 地质雷达探测原理示意图

当地下介质的波速v(m/ns) 已知时，可根据精确测得的走时t(ns)，由上式求出反射物的深度h(m)。

地质雷达探测目的层深度的计算式为：

2 现场检测

2.1 设备介绍

采用美国劳累工业公司的SIR-20型地质雷达。

SIR-20型地质雷达主要技术特点如下：

(1) SIR-20型雷达主机800线/秒的扫描，是目前世界上扫描速度最快的雷达，可支持快速检测，测量速度可达80公里/小时。

(2) 主机适配所有高中低频的各类雷达天线，频率范围从16MHz到2.2GHz。

(3) 分辨率高，可达5ps。

(4) 具有公路面层自动追踪软件、结构扫[3]描工具包、快速三维绘图软件等软件模块。

2.2 天线的选择

目前广泛使用的是900MHz、400MHz、100MHz天线。高频天线，分辨率高，探测深度浅；低频天线，分辨率相对较低，探测深度较深。根据检测目的及探测目标的深度来确定天线频率。不同频率天线的探测深度一般是：900MHz天线探测深度为1m～2m；400MHz天线探测深度为4m～6m；100MHz天线探测深度为20m～40m。900MHz天线主要用于结构物检测；400MHz天线主要用于市政、隧道衬砌检测；100MHz天线主要用于隧道地质超前预报、考古等。

2.3 测线布置

用地质雷达进行隧道地质超前预报时，隧道掌子面前方常采用井字形或网格形测线布置。根据预报需要，可以增加测线数量，以便提高地质预报的准确性。

2.4 测量方式

用地质雷达进行隧道地质超前预报，常采用点测方式。由于隧道掌子面时常不平整，难以采用连续测量方式，所以经常采用点测方式。点测时，每次通过人工方式将天线移动相对固定的距离，手动采集数据[4]。

3 实例分析与研究

下面介绍地质雷达在山西省某隧道地质超前预报中的应用情况。隧道全长约6000公里。隧道隧址区围岩地层为中下太古界集宁群右堡组(Ar1-2y)黑云斜长片麻岩夹浅粒岩、紫苏麻粒岩，呈现强～微风化，岩体节量裂隙普遍较为发育，围岩以较坚硬岩为主，岩体较破碎，局部较完整或极破碎，影响围岩质量的主要因素为强风化岩层在洞体内的分布范围及岩体裂隙发育程度。围岩级别为III～V级。

3.1 岩体破碎带的地质雷达图像

图2是破碎带的探测图像。测线方向为，面向掌子面从左向右。从图像中可以看出，雷达波同相轴连续与错断并存，反射信号震荡。掌子面前方，尤其是掌子面右侧岩体较破碎，含有少量裂隙水。后经开挖证实，掌子面前方岩体较破碎，预报结果与实际情况吻合，从而有效的指导了施工。

图2 岩体为破碎带的雷达图像

3.2 含水裂隙的地质雷达图像

图3是含水裂隙的探测图像。测线方向为，面向掌子面从左向右。从图像中可以看出，雷达波同相轴连续与错断并存，反射信号震荡，振幅较强，频率较低。掌子面前方岩体层理面较发育，岩体较破碎，岩石富含水。后经开挖证实，掌子面前方岩体较破碎，含有裂隙水，预报结果与实际情况吻合，从而有效的指导了施工。

图3 岩体为含水裂隙的雷达图像

4 结语

(1) 地质雷达用于隧道地质超前预报具有快速、便捷的特点。

(2) 地质雷达由于发射的是超高频电磁波, 故探测深度及广度有限。

(3) 探测过程中经常会有干扰因素存在，如隧道台车、装载机、照明电缆等的干扰。如何正确识别干扰，从而得到正确的分析结果尤为重要。

(4) 本次探测实例证明了地质雷达用于隧道地质超前预报有理有据，结果真是可靠。但是对雷达图像异常情况的判断解释，需要积累大量的实际经验。

[1] 夏才初，潘国荣．土木工程监测技术[M] ．北京：中国建筑工业出版社, 2001：245～280

[2] 杨峰，彭苏萍．地质雷达探测原理与方法研究[M]．北京：科学出版社，2010：8～9

[3] 刘柱．地质雷达无损检测隧道施工质量的图像分析方法[J]．公路交通科技!应用技术版，2012．2：21～22

[4] 由广明，刘学增，汪成兵．地质雷达在公路隧道超前地质预报中的应用．公路交通科技，2007．8(24)：93

洪俊光(1980-)，男，硕士研究生，研究方向为公路工程检测。

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.16.031