地质雷达技术在隧道地质超前中的运用

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地质雷达技术在隧道地质超前中的运用:地质雷达探测技术在隧道地质超前预报中的应用探析

摘 要：在隧道项目的施工作业中，施工范围的水文地质以及工程地质等情况是影响项目施工质量以及施工安全的重要因素，施工范围的地质条件恶劣易引发多种意外事故。例如，突泥涌水、隧道坍方等，突发事故的发生不仅增加隧道施工的困难度，还易导致不良后果，例如工期延误、设备损伤、人员伤亡等，严重损害了隧道项目的经济效益。本文通过分析雷达探测技术在隧道地质探测工作中的应用，分析雷达探测技术的应用价值。

关键词：地质探测；雷达探测技术；应用

隧道地质常用的地质探测技术有多种，常见的有瑞雷面波法、地质雷达法以及地震反射波剖面法等，隧道施工中通过多种探测方法以获取子面工程的地质情况，从而对隧道周围进行精确预报。隧道地质超前预报主要是借助探测手段掌握施工现场的围岩级别、围岩完整度以及不良地质特征等情况，对隧道施工的安全进行给予指导。地质雷达监测方法是用于了解地下介质其分布状况的一种电磁波法。其工作原理是确定受测范围在无铁磁性物质大量干扰的前提下，采用宽频脉冲形式的高频电磁波，借助发射天线将其送入指定方向的地质中，在受到具有电性差异目标体或是地层的反射后，回到地面被接受天线所接受。在地下传播中的高频电磁波在经过介质时，该介质的集合几何形态以及电性性质将会影响电磁波的波形、磁场强度以及路径等。所以，经过分析、处理以及采集时域波形，可掌握地下界面以及地质体的结构、空间、位置等信息。

1 雷达探测技术对断层破碎带的地质探测

断层属于隧道施工过程中的重要地质构造，而地质雷达探测技术的主要目的则是要明确断层的规模、产状以及空间分布状况。国内有部分隧道均存在不同程度的断层现象，例如有些隧道常有岩脉断层、压扭性断层以及岩性的接触断层等。断层带内部还发育有多种岩体，例如角砾岩、糜棱岩等，此外还有地下水以及断层泥等物质，介质的均一性偏低且分布不均匀，电性存在明显差异，断层两侧岩体发育特点通常具有节理性与褶皱性。断层的内部的电性差异偏大则为地质探测作业提供了良好物理基础。地质雷达在探测断层破碎带的发育区时，自动增益的梯度范围通常控制在8～30dB之间，断层富水带自动增益的梯度存在更大的变化，断层破碎带内部雷达图形的色彩分布散乱，电磁波具有规律性差、能量衰减迅速等特点，反射波形杂乱无规律，幅度变化较大；因为断层破碎带与高效滤波系统均有滤波效果，因此电磁波在断层破碎带的穿越过程中，其频率程度会因此而发生巨变，从高频转变成低频。

根据对A隧道进行地质雷达探测结果（如图1）发现，K79+765～K79+771段与K79+776～K79+781段的地质雷达探测波形反射波组呈均匀的低幅水平，该段推断为完整性较高的变质石英砂岩。另外K79+772～K79+776段与K79+782～K79+785段地质雷达探测波形反射波组较强，其缓倾角呈不连续状态，波形紊乱无序，可推断出该段断层破碎带属于陡倾角的辉绿岩脉。其中，K79+782～K79+785段岩脉掌子面与走向的平行情况基本一致，脉内所组成的物质及其强度情况较为均一，岩体结构呈镶嵌、压碎状；K79+772～K79+776段的走向和掌子面交角约为20°，厚度分布较为分散，脉内岩体的风化情况不一致，裂隙发育呈压碎、松散结构。

根据对B隧道进行地质雷达探测结果（如图2）发现，K3+840～K3+847段地质雷达探测波形反射波组呈低幅水平，其中有强反射同相轴存在于一些桩号部位，少数部位波形较为杂乱，根据K3+840段掌子面的地质情况反映出该段围岩属于完整性较高的硅质砂岩，其岩体结构主要呈中厚层状，断层层面较为发育，无水。K3+847～K3+860段之间普遍存在有强反射同相轴，图中波形杂乱无序，变化明显，系岩体存在增大的物性差异，围岩质越往下越差，探测结果图中可明显看出，电磁波能量在时间段200～300ns处已相当微弱，图中波形同相轴较为模糊，岩体含水量高，软弱破碎，电磁波大量能量被吸收。根据该隧道工程地质的整体分布情况以及掌子面调查情况，可推断出有断层存在于K3+847处，K3+847～K3+860段的岩体结构层碎裂、松散状，围岩含水量高，破裂。

2 雷达探测技术对溶洞的地质探测

隧道施工过程中主要的不良地质岩体为岩溶，若隧道中存在岩溶，开挖时极易发生突水突泥以及坍塌下沉事件，未事先进行地质探测而盲目的进行隧道施工可能会引起严重的安全事故以及生产事故。施工前对隧道岩体的规模、空间分布、含水率以及充泥情况等信息进行探测是超前预报的主要任务之一。B隧道的进出口位置均属于炭质灰岩，该段岩溶发育较好，隧址中的溶洞主要分布在灰质页岩岩体的下方，以炭质页岩作为隔水层，该地段中的溶洞多无填充物，为空洞，少部分会存在少许呈流塑状的红粘土。B隧道LK3+629～LK3+649段地质雷达探测情况（如图3），该段范围内存在的异常反射体共有3个，呈双曲线型，可推断出该隧道的溶洞地质。

3 雷达探测技术对富水带的地质探测

B隧道发育处为山体内部的煤层，之前所经历过的采掘时间长达数百年，山体内部具有大量巷道，巷道以下行巷道为主，有严重的积水情况。一些老煤窿延伸到隧道底部的距离甚至长达一百多米，山体中存在大量煤窿增加了隧道施工的困难度与危险性。常见的介质中，水体的介电相对常数最大是81，相比基岩介质，两者电性具有显著性差异。雷达电磁波在含水破碎带以及基岩中越过时，有强反射情况在界面产生，同时还会有散射与散射现象、波形紊乱、频率降低等情况在含水破碎带内部发生[2]。

B隧道LK3+756～LK3+776段地质雷达探测结果中显示（如图4），其中LK3+756～LK3+764段反射波组呈相对低幅水平，少数部位有强反射同相轴存在，根据掌子面的地质情况分析结果可推断出，LK3+756～LK3+764段的围岩主要为砂岩互层、中层煤层以及薄层，岩体松散、破碎，易发生坍塌，岩体结构层碎状，构造发育具有节理性，围岩偏破碎状。此外，LK3+764～LK3+776段水平分布有较多具有强规律性特质的强反射同相轴，同时使深部的岩体探测受到掩盖，LK764处出现有雷达电磁波横穿隧道柱状富水带的异常情况，此处含有丰富的水体，有涌水甚至是突水现象存在的可能，围岩破碎。

4 雷达探测技术对裂隙密集带的地质探测

隧道中的软弱夹层、岩脉带以及断层影响带等处是存在裂隙密集带的主要部位，由于具有成分不同且不均匀物质存在于裂隙中，与周边的围岩形成了差异性电性 。因此，地质雷达探测技术对于岩体中裂隙的探测具有良好的物理基础。当裂隙表面有雷达电磁波传到时，此处界面将会产生较强的反射波，裂面的平直性与连续性由同相轴是否连续反映出；裂隙中若存在不均匀的填充物质，电磁波在穿越裂隙时将会有波形杂乱无序、波幅不稳定、散射、绕射等情况产生。

A隧道LK79+745～LK79+765段地质雷达探测结果中显示（如图5），LK79+745～LK79+751段反射波组较均匀，呈相对低幅水平与次块状，属于结构呈镶嵌、破裂状的变质石英砂岩。LK79+751～LK79+765段有多组呈平行、杂乱状存在的反射波，可推断出此处地质属于岩脉条带与裂隙密集带。

结语

地质雷达探测技术对探测地质的含水性、介质分层、溶洞以及断层等情况的分辨率较高，且地质雷达探测技术的成本低廉，探测效果明显，在高速公路隧道建设项目施工中的地质探测中具有良好的发展前景。

地质雷达技术在隧道地质超前中的运用:地质雷达法在隧道地质预报中的分析研究

摘要：隧道施工的超前预报工作是隧道安全施工及管理的重要环节，亦是隧道施工的重要技术保障。本文以广东梅州至大埔高速公路盐水坳隧道工程中的预报经验，结合工程实例，对隧道运用地质雷达进行超前地质预报的技术作简单阐述。

关键词：公路隧道 地质超前预报 地质雷达

1 引言

在山岭公路隧道施工中，隧道工程地质对隧道施工的安全性具有十分显著的影响，因此，预先掌握隧道掌子面前方的地质情况，对保障施工安全，预防塌方、涌水、突泥等灾害，优化施工工艺和设计参数具有十分重要的意义。隧道施工过程中的超前预报工作是隧道施工过程中的一个重要组成部分，是实现合理的施工组织，避免意外事故，保证施工安全和质量，加快施工速度，按期完成隧道施工任务，节约工程投资的必要保证。

2 隧道工程概况

盐水坳隧道位于广东省梅州梅县与梅州大埔县交界处，本隧道为小净距分离式短隧道，起止桩号左线ZK36+596～ZK36+885，长289m；右线K36+610～K36+895，长285m。隧址区属于华南褶皱系粤东北-粤中拗掐带之永梅凹褶断束内，所见晚古生代地层褶皱为过渡型褶曲，上部被上三迭-下侏罗统地层不整合覆盖，形成于印支运动，伴有永梅区域动力变质岩带的发育，并为中、新生代岩浆岩、火山岩、红色盆地和断裂所叠加，形态不完整；隧址区属于单斜地层，倾角16～25°，岩性为侏罗系金鸡组砂岩、泥岩。

3 超前地质预报的方法和原理

物探法是目前隧道地质超前预报较为先进的方法，主要有声波测井法、声波透射法和波反射法，其中以基于波反射法的地质雷达和Tgp最为常用。波反射法主要是利用声波、超声波、地震波及电磁波在地层中传播、反射，然后通过信号采集系统接收反射信号，借助分析软件解译隧道掌子面前方反射界面（断层、软弱夹层等）距隧道掌子面的距离进行预报。本文主要介绍地质雷达方法。

地质雷达（Ground Penetrating Radar ，简称GPR）方法是一种用于探测地下介质分布的广谱（1MHz—1GHz）电磁技术。地质雷达用一个天线发射高频电磁波，另一个天线接收来自地下介质界面的反射波。通过对接收的反射波进行分析就可推断地下地质情况。

对于不同深度、不同岩性的探测目的层与目的物，在应用地质雷达检测时，需选择相应频率的天线和适当的仪器参数。要探测到较深的地质情况，就必须选用相对较低频率的天线，本工程检测选用了100MHz天线。

在掌子面上布设测线或测点，由天线向地层中发射一定强度的高频电磁波，电磁波在传播过程中遇到与周围电阻抗有差异的地层或目标体时，部分能量反射回来，被接收天线所接收，通过分析雷达图像特征，预测前方围岩情况。该方法分辨率较高，方向性较好，能够分辨出较小规模的地质异常，能及时预报出掌子面附近的破碎带、溶洞及赋水等不良地质情况。地质工程师根据区域地质知识和经验，综合分析判断，对掌子面前方的地质情况进行预测，并对地质预报仪及地质雷达探测出的地质现象做出合理的解释。

现场预报时，采用SIR-3000型地质雷达沿掌子面进行测试，每次预报范围10～35米。

4 超前地质预报的具体应用

掌子面里程K36+820，围岩由强风化砂岩组成，岩体破碎呈块～块碎状结构，节理裂隙较发育，强度及稳定性差，整体稳定性较差，本次采用了连续线测及点测试方法，测线、测点布设见下图

图1雷达测线及测点布设图 图2 雷达测试波形图

本次雷达预报探测范围K36+820～K36+855段计35米，从点测及线测结果来看：本测段范围内雷达反射波波幅及相位变化不大，预计该段围岩特征与目前掌子面基本相似，岩体破碎，节理裂隙较发育，强度及稳定性差，受构造影响严重，拱顶岩体组合受震动易掉块、坍塌，岩块结合性较差，整体稳定性较差。相比较而言，距目前掌子面5～15米（即K36+825～K36+835）范围雷达电磁波反射较强，反射界面较多，预计本段范围内节理、裂隙极发育，呈碎～碎状结构，层理明显，围岩较破碎，含水量稍大或存在夹层，围岩整体稳定性较差。拱顶层面组合受震动易掉块、坍塌，应根据炮孔钻进情况谨慎掘进，并注意加强支护，做好施工安全监控。

5 结语

目前，盐水坳隧道已经贯通，由于经济技术水平的限制，期望在施工前的勘测设计阶段，将所有可能存在的不良地质问题搞清楚是极其困难的。为了保证隧道快速、安全、经济、顺利进行，避免或者尽可能的减少地质灾害的产生，隧道超前地质预报是强有力的保证。本文就盐水坳隧道工程的特点只简单阐述了地质雷达方法，对于不同的隧道工程，应根据隧道工程自身的地质特点及问题选用合适的超前地质预报方法，以针对工程的特点满足其准确性及针对性。

地质雷达技术在隧道地质超前中的运用:浅谈如何提高岩溶隧道地质雷达预报的准确性

摘要：湖北恩施地处溶蚀发育山区,在隧道施工中经常遭遇地质灾害,为了保障施工安全,在隧道开挖的同时需要进行超前地质预报。结合宜万铁路云雾山隧道中的雷达应用实例,介绍地质雷达的工作原理及其在隧道超前预报中的应用和技巧。

关键词:地质雷达；岩溶隧道；超前预报；地质灾害；准确性

一、工程概况

云雾山隧道全长6640m，是宜万铁路的重点工程，是宜万线八座Ⅰ级风险隧道之一，隧道地处低中山区越岭地段，地形起伏大，地形陡峻，区内受地形、地质及构造等各种条件的影响，岩溶发育强烈，溶洞、暗河、漏斗及岩溶洼地等随处可见。有5条地下暗河穿越其间，设计日最大涌水量为16141m3，设计有突水、突泥、岩爆、天然气、溶洞等突发性地质灾害。

为了更好的探测隧道开挖面前方围岩情况，确保施工人员及设备安全，我们运用了目前国内最先进的物探方法之地质雷达超探测法。

二、地质雷达探测的特点：

地质雷达探测具有分辨率高、定位准确、快速经济、灵活方便、剖面直观、实时图像显示等优点，近年来在公路路基检测、隧道超前预报、衬砌厚度检测、工程地质与水文地质工作等方面，发挥着越来越重要的作用。美中不足的是由于岩土层对电磁波的吸收较大，导致地质雷达的探测距离较短，因此雷达更常用于工程检测方面。但在岩溶发育山区，容易发生涌水事故，含水性的预报又是难中之难，而地质雷达在探测地下水方面有其独到之处，加之岩溶山区隧道开挖的推进速度较慢，用雷达进行地质超前预报,完全可以满足施工需求。在实际工程应用中，地质雷达对岩溶发育预报的准确性，也受到了相关单位的普遍认可,值得研究与推广。

三、地质雷达工作原理：

地质雷达（GroundPenetratingRadar ，简称GPR）方法是一种用于探测地下介质分布的广谱（1MHz—1GHz）电磁技术。地质雷达用一个天线发射高频电磁波，另一个天线接收来自地下介质界面的反射波。通过对接收的反射波进行分析就可推断地下地质情况。

四、针对影响地质雷达预报准确性的主要原因制定对策如下表：

1 掌子面周边有金属物质 非开挖工作期探测 不受金属物质磁场影响 退平台后探测

2 掌子面残留有泥或水 加大雷达的叠加次数和信号强度 不受泥或水工作影响 同上

3 雷达参数设置不准确 探测前根据不同围岩设置相应参数 避免参数不准确 将探测仪放置在探测点半小时，确保仪器内部参数稳定

4 数据分析不准确 请相关地质专家对检测人员培训并帮助分析 准确分析采集数据 认真对采集数据进行分析，确保结论接近现场实际

地质雷达技术在隧道地质超前中的运用:地质雷达技术在隧道地质超前中的应用

摘要：隧道修建过程中，由于地下岩石、水文等地质条件不明确，常常发生一些意外事故。发生坍方、突然涌水等突发事故，不仅造成严重的人员伤亡，而且还使工期延误，及其设备损伤。使隧道的修建困难重重。还降低了隧道修建的经济效益。因此，超前预测在隧道修建工程中非常重要。它对隧道修建的工期，安全，质量，投资等有非常重要的作用。地质雷达技术探测为隧道的修建提供有用的资料，减少隧道修建过程中的不安全因素，也是隧道能安全且快速修建的关键性因素。

关键词：地质雷达技术；隧道地质；应用

隧道超前预测现在越来越受到修建隧道工程实施的关注，其重要原因是隧道修建过程中安全问题越来越受到关注。但隧道地质超前最重要的应用技术是地质雷达技术。地质雷达技术对隧道超前预测非常重要。故我们此篇文章重要讨论其应用。

超前地质预报工作的目的及任务

1.1目的

为隧道的修建提供有用的资料，减少隧道修建过程中的不安全因素，使隧道能安全经济并且快速的修建成功。

1.2任务

1.2.1对没有修建的地段进行围岩地质条件的探测

对未修建的但是将要修建的地段，我们探测的内容有：是否有地下水的存在，溶岩溶洞是否发育，岩性变化的情况，是否存在断层和发育有破碎带等。

1.2.2预报有可能会发生的灾难性突发状况

例如在地下储藏有害气体的大量溢出。由于岩土的不稳定导致的塌方。地下储藏有地下水。这些都会对隧道施工造成严重后果。要通过雷达技术分析判断，避免事故发生。

2.地质雷达进行超前预报的基本理论

地质雷达技术在隧道超前预测中至关重要，但是其原理却是非常简单，即就是物理中的电磁波反射原理。电磁波在岩体岩土介质中传播，由发射天线发出一束电磁波脉冲。电磁波在地下传播，由于波有反射性质，当传播的电磁波遇到物质时，即就是介质，会在物质与物质的分界面发生电磁波反射。反射的波会被接收天线所接收，由接收天线处理。

3.地质雷达的探测方法和步骤

3.1准备工作

由于地质雷达技术的原理是电磁波反射原理，所以所有能干扰电磁波的物件，都会对探测造成一定影响。我们在应用电磁波的时候首先排除地面干扰电磁波的物体。例如一些有磁性的物体或者是金属。

3.2测线布置

测线的布置应该是越密越精确，但是有些时候由于地质条件有些点测不出。一般情况下我们布置测线是按照‘十’字形布置。但有时我们也按照‘井’字形布置。在有些崎岖不平的地方一般是一个点一个点的探测，点数一般为5到12个。两点间的距离一般为0.5到1米。

3.3数据采集及处理

为了使数据更加精确，明确介质条件，都要对原始的雷达波进行一系列处理。对平均道的抽取。对时间要静校正、增益。压制干扰波，突出有效波。

3.4数据分析与解释

地质超前预测是应用雷达技术来探测未施工地段的岩体情况，做到防患于未然。这里所谓的“防患”就得根据雷达探测的数据资料来分析隧道可能发生的事故。数据资料在雷达技术上用图像显示出来。所以我们根据雷达显示的图像异常的形态，特征，还有电磁波的衰弱情况来分析我们看不到的岩体的性质以及地质特征。若是存在特殊异常体，则电磁波反射信号强。若是岩体质量差则反映在雷达上电磁波衰弱，这是根据岩石对电磁波的吸收性来决定的。掌子面跟未施工地段的地下特征差异越大，反射波则能量则越强。可以根据这些异常做出有用的地质解释。

4.地质雷达在隧道超前预报中的应用

4.1对不利于施工的地质体的探测

溶洞带，含水带，富有裂隙带，断层以及破裂带，岩土疏松带。这些地质岩体带不利于施工，更不利于隧道的修建，我们要利用地质雷达技术，结合掌子面的附近地质水文，地质工程情况将这些不利于施工的地质带的位置基本上确定。确定这些不良地质带后，根据具体情况下做出不同的施工方案，以此避免在施工过程中发生意外。

4.2探测未知岩溶

喀斯特是岩溶的另一个地貌名称,指的是一些可溶性岩石收到水中化学物质的溶蚀，水的物理冲刷作用，所形成的具有一定空间的沟，槽，和一些空洞。岩溶发育的必不可少的条件是可溶性岩石，例如碳酸盐岩，含有化学成分的可流通的水等。下渗的地表水以及流动的地下水，对溶岩非常重要。岩溶与围岩性质差异很大，所以其地质雷达图像很容易判断其异常。在溶洞内大量充填围岩碎块，水，空气，上覆岩石，这些充填物与称为“槽”的可溶性岩石之间的物质差异很大。由于介质的多样性，以及物质的差异性，而在溶岩中形成电性界面。我们只要探测出这个电性界面就探测出了岩溶的位置。同样，由于介质的多样性，电磁波的反射波图像随着溶岩溶洞的具体情况而发生相应的变化一般情况是在横向上变化。

若存在强反射包围弱反射，则说明可能是溶洞存在的雷达图像。强反射是溶洞侧壁反射的，并且常常有弧形的绕射现象。溶洞内的物质为填充物，填充物的反射为弱反射，具有高频，低幅，波形密集的特征。但是，如果填充物为水，局部的波可变强。

4.3富水带探测

含有大量水的岩体区域，如果没有被预测出来，在隧道施工过程中将会释放出大量的水，这将影响隧道的施工进程和施工安全。

如果岩体中含有水，则会影响岩体岩石介质的介电常数，从而影响反射波的波形，传播时间等。具体是，岩石中含水时，岩石的介电常数增大，在介质中具体表现为电磁波的传播速率降低，时间变长，在反射波形图像中则可能出现的是异常的正峰。另一方面，还产生强反射和绕射现象。还会由于出现散射现象而使波形紊乱。不仅如此，频率也发生变化，由高频迅速的变为低频。

4.4探测断层破碎带

断层破碎带由于存在裂隙，这是由外来物质充填到裂隙中，外来物质和原岩性质差异大，所以介质常数差异也大。同时在裂隙中也可能有大量的水充填，这也影响介质常数，裂隙中地下水的存在，使得断层附近以及破碎带附近稳定性差。破碎带空隙多，所以含水多。电磁波在穿过破碎带时，由于破碎带的胶结情况不同岩石性质不同，而使得波形比较乱。具体表现在地质雷达的图像中则表现为：频率变化，偶尔出现断面波，地层发育有反射波，错短的同相轴，振幅能量明显增强，有时有绕射波。破碎带两侧的物质差异构造差异，使得具有波阻抗差异。由于这些波阻抗差异，使得电磁波在通过界面时电磁波的电磁能能量增强同时波幅增大。

4.5裂隙密集带的探测

断裂的两岩体，它们没有发生明显的错动，即就是节理，也称之为裂隙。裂隙的发育对岩体的稳定性有很大的影响。对岩体的强度也有很重要的作用。由于裂隙中可充填不同物质，导致介质常数不同，与周围围岩形成电性差异。当电磁波传播到裂隙时，会产生较强的界面反射波。由于裂隙内充填的物质具有不均一性，直接表现在雷达图像中就是，会有散射、绕射、波形杂乱等特征，波幅变化大。同相轴连续，反映了裂面的平直。

小结

虽然地质雷达技术是目前一种既方便又快捷而且还精确的探测技术，但是地质雷达所得到的资料有时候具有多解性，我们在对探测地区进行分析的时候，最好将地质雷达探测资料与掌子面的地质情况性质相结合，得到更加全面更加有效更加精确的结果。