基于地质雷达隧道超前地质预报及衬砌质量检测研究

■林永旺

（福建省交设工程试验检测有限公司，福州 350000）

1 引言

隧道属于地下隐蔽工程，施工现场的地质情况相对复杂，潜在不可预知的地质因素较多[1-2]。 若施工现场安全措施采取不当，会对隧道安全施工及支护结构带来极大威胁， 直接影响隧道正常工期，严重时会造成人员安全事故，带来巨大的经济损失和恶劣的社会影响。 因此，有必要对隧道掌子面前方的地质隐患进行超前地质预报，提前了解隧道未施工段的地质构造，指导隧道安全施工[3]。 同时，隧道的主要受力部分为衬砌结构， 其施工质量的优劣，直接影响隧道运营期的安全使用，因此在隧道施工过程中对施工完成后的衬砌进行质量检测也十分必要[4]。 地质雷达作为一种新型的地下探测无损检测的新技术，具有检测快速、高效、连续、无损、施工干扰性小等优势[5-6]，可在隧道超前地质预报及衬砌质量检测中发挥重要作用。

本文以福建某隧道工程为例，对具体里程的超前预报和部分地段的衬砌质量检测的地质雷达数据进行处理，分析隧道超前地质预报时不良地质分布情况及衬砌施工过程中的质量缺陷， 指导现场安全施工，控制工程施工质量，为同类工程提供技术借鉴。

2 地质雷达工作原理及参数设置

2.1 地质雷达工作原理

地质雷达采用的是高频电磁脉冲波的反射原理。 通过无线波脉冲源向地下介质发射高频电磁波，当电磁波遇到介质分界面（如初衬和二衬的界面，初衬和围岩的界面等）、介质电性（介电常数、磁导率、电导率）差异较大的界面或地下异常体（如不密实、脱空、空洞等）时，电磁波在阻抗界面将产生反射、透射和折射现象[7]。 发生反射的部分返回地面后由接收天线接收，并由采集系统以数字形式记录下来，其工作原理如图1 所示。

图1 地质雷达工作原理图

地质雷达接收从介质分界面反射回的电磁波，其能量大小由反射系数R 表示

式中，ε1、ε2分别为介质界面两侧的相对介电常数。反射系数R 的大小取决于介质界面两侧的相对介电常数差异，差异越大，在雷达图像中信号反应越强烈，异常信号越易被识别。

地质雷达从发射电磁波开始到接收到反射波所用双程走时t 的计算公式为[8]：

式中，H 为目标体深度；L 为接收天线与发射天线之间的水平距离；v 为电磁波在介质中的传播速度。 通过双程走时、接收天线与发射天线之间的距离及电磁波在介质中的传播速度可反算出探测目标的深度H 和范围，从而实现不良地质条件及衬砌病害的定位。

2.2 地质雷达参数设置

地质雷达在工程使用中，需根据探测物深度及分辨率情况选择不同的天线频率。 天线频率越大，分辨率越高，但探测深度越浅；天线频率越小，分辨率越低，但探测深度越大。

本文采用的地质雷达为美国GSSI 公司生产的SIR-30E 型。 超前地质预报检测时由于掌子面不平整，需采用点测法进行数据采集；衬砌质量检测时沿测线采用距离触发法进行数据采集，具体地质雷达主要测试参数如表1 所示。

表1 地质雷达主要测试参数

3 工程实例分析

3.1 工程概况

福建某隧道工程位于福州市西片区，为中心城区规划南北向骨架路网之一，主线车行隧道为双向8 车道，场区未见有空洞、临空面、采空区等不良地质作用。 受施工单位委托，对该隧道工程进行施工超前地质预报及施工中衬砌质量检测，指导施工进度、确保施工质量。

3.2 雷达测线布置

隧道超前预报测线布置需注意以下2 点：

（1）探测方式通常为线性连续测量方式，对于异常位置或不便到达位置，可采用小范围连续测量和点测相结合的方式进行；

（2）为了保障探测信号的准确性，排除电磁干扰的和偶发因素，同一测线通常需进行多次复测。

根据上述测线布置原则和隧道施工现场情况，本项目在待测掌子面距隧道底部约3 m 处布置1条“一”字型水平测线。 测探时采用点测，每次点测相距10 cm，并保持天线与掌子面紧贴。隧道超前地质预报掌子面雷达测线布置示意如图2 所示，现场检测如图3 所示。

图2 隧道超前地质预报掌子面雷达测线布置图

图3 隧道超前地质预报现场检测图

在衬砌质量检测时，为了使检测结果更全面地反应隧道的衬砌质量情况，沿隧道左边墙、左拱腰、拱顶、 右拱腰及右边墙纵向部位各布置1 条测线，共5 条测线，编号为CD1～CD5，隧道衬砌质量检测测线横断面布置示意如图4 所示。 在衬砌拱顶及拱腰检测时，为满足作业高度的要求，可采用检测车或者搭设钢管架平台，现场检测如图5 所示。

图4 隧道衬砌质量检测测线横断面布置图

图5 隧道衬砌质量现场检测图

4 检测数据分析

4.1 超前预报检测数据分析

本项目在对超前地质预报检测数据分析时，采用二维成像技术及三维成像技术相结合的形式，对其地质情况进行预测判定。

4.1.1 地质雷达二维波形图

本文采用掌子面里程桩号为ZK124+842 处雷达数据来进行分析说明。 经处理后的地质雷达二维波形图如图6 所示。

图6 掌子面ZK124+842 处地质雷达二维波形图

（1）在掌子面前方构造深度0～18 m，该范围内椭圆标记处电磁波信号以较均匀中低频为主，同相轴较连续，波形频率变化较有规律，初步推断存在裂隙水； 矩形标记处电磁波信号为较均匀中低频，同相轴连续，波形频率高低变化快，初步推断为软弱泥质夹层。

（2）在掌子面前方构造深度18～30 m，该区域范围矩形标记处电磁波信号以较均匀中低频为主，同相轴较连续，波形频率变化较有规律，初步推断存在裂隙水， 其他区域内电磁波信号以中低频为主，波形频率高低变化快，同相轴较连续，初步推断该范围围岩节理裂隙发育，层间结合差，岩体破碎。

4.1.2 地质雷达三维成像图

从地质雷达二维波形图分析结果表明，掌子面前方0～30 m 区段有裂隙水及围岩节理裂隙发育，但无法对裂隙水及围岩节理裂隙发育的规模及位置进行定位。 此时需采用三维成像技术对不同方向采集的地质雷达波信号进行处理，分析裂隙水及围岩节理裂隙发育的频响谱能强度，获得被探测目标的地质雷达三维成像图，并对不良地质情况规模及位置进行判定[9-12]。

本文以里程ZK124+942 断面与隧道轴线交点为中心， 周边围岩40 m 范围， 探测隧道左幅ZK124+942～ZK124+842 段（约100 m）空间区域，综合探测结果如图7 所示，从三维图中可直观地发现里程ZK124+882 为隧道围岩岩性变化界面。测控区空间范围ZK124+942～ZK124+882 段岩性单一，岩体较破碎，围岩节理裂隙较发育，稳定性稍好，含水量相对较小， 呈弱含水状；ZK124+882～ZK124+842段周边围岩40 m 范围为富含水区， 相对于拱顶左侧含水量较大，同时左右拱顶上方有较大规模的破碎松散区，左侧位于掌子面ZK124+842 结构向外约10 m 范围，沿隧道轴线交点左侧长度约20 m；右侧位于在掌子面ZK124+842 结构向外约40 m 范围，沿隧道轴线交点右侧长度约30 m。在该区域岩体破碎较严重，节理裂隙发育，围岩完整性及稳定性差，开挖时易产生突泥涌水，如图8 所示。

图7 地质雷达三维成像探测综合结果

图8 隧道周边围岩破碎松散、富含水区分布探测结果

根据探测结果，建议施工采取“短开挖、强支护、勤量测、早封闭”的开挖原则，在开挖过程中应尽量减少对围岩的扰动， 避免产生严重的拱顶掉块，甚至坍塌等破坏现象。 施工工程中及时喷射混凝土封闭掌子面进行加固处理，现场应加强支护工作，施工时应注意防排水。

4.2 衬砌质量检测数据分析

本项目衬砌检测数据采用隧道地段ZK124+750～Zk124+770 CD1、CD2、CD3 测线处数据进行分析，来说明地质雷达在衬砌检测中的应用。

由于层间脱空及厚度大空洞中常含有空气，电磁波从衬砌界面到达空气界面后再经过衬砌界面，造成介电常数相差较大，在两个接触面都会产生强反射信号，形成双曲线波形，同相轴连续，同时在混凝土空洞含有较多的空气，电磁波透过衬砌到达空气层时会产生一条反射波，而电磁波在空气中衰减较小， 因此电磁波在空洞中易产生多次较强的反射，形成三角状或带状波形，同相轴呈弧形且与相邻轴不连续，因此可判断本项目隧道拱顶衬砌背后出现脱空， 隧道边墙衬砌钢拱架后存在的空洞异常，典型地质雷达图如图9～10 所示。

图9 隧道拱顶衬砌背后脱空

图10 隧道边墙衬砌钢拱架后存在的空洞异常

在衬砌施工中，由于隧道掌子面超挖、混凝土配合比不规范或振捣不均匀，均有可能导致衬砌不密实，不密实的混凝土中易产生细小空洞或蜂窝麻面，在该空间内常含有水和空气，由于混凝土、水及空气三者相对介电常数差异较大，电磁波穿过该类区域，便会产生规模较小的多组反射信号，且同相轴错乱不连续，整体剖面信号较杂乱，因此可判断隧道拱腰处衬砌层存在不密实异常，典型地质雷达图如图11 所示。

图11 隧道拱腰处衬砌层存在不密实异常

5 结论

本文以福建某隧道工程为例， 对具体里程的超前预报和部分地段的衬砌质量检测的地质雷达数据进行处理， 分析隧道超前地质预报时不良地质分布情况及衬砌施工过程中的质量缺陷， 研究结果表明：

（1）利用地质雷达进行隧道超前地质预报，可以快速、便捷地识别掌子面前方的岩溶空腔、断层破碎带、涌水、含水裂隙等不良地质体，提前预警，及时调整隧道开挖方案，结合预报情况动态调整围岩等级，从而达到动态设计、动态施工的目的。

（2）利用地质雷达进行隧道衬砌质量检测，可高效、连续、无损地识别衬砌不密实、背后出现空洞或脱空、衬砌中的钢筋及钢拱架，判定钢筋间距及钢拱架数量是否满足设计要求，为检测隧道衬砌的质量提供依据。