陕西省建筑设备安装质量检测中心 陕西西安 710000
摘要：通过探地雷达超前地质预报对隧道围岩类别变化、不良地质做出预测，预防塌方、突水、突泥、突气等潜在的灾害性事故，减少施工的盲目性，优化方案指导施工，有效的控制灾害以及为井巷支护提供依据。
关键词：探地雷达法、地质预报方法
目前常用的超前地质预报方法有工程地质调查与推断法，超前钻探法，地震多波多分量反射法（Tunnel Seismic Predication），地震层析法（TRT），探地雷达法（Ground Penetrating Radar）等。而探地雷达因其成本低、简捷高效、准确度高、无损性、可跟踪施工全过程等诸多优点，在隧道短期超前地质预报领域具有广泛的应用。
探地雷达方法精确 度高，能够及时发现异常情况，预报掌子面前方不良地质体的位置、产状及其围岩结构的完整性与含水的可能性，有效地减少误判和漏判，预防塌方、突水、突泥、突气等潜在的灾害性事故，减少施工的盲目性，为正确选择开挖断面、支护设计参数和优化施工方案提供依据。
一•探地雷达法原理
探地雷达是一种用于确定地下介质分布情况的高频电磁技术，基于地下介质的电性差异。利用高频电磁波以宽频带短脉冲的形式，由掌子面通过发射天线向前发射，当遇到异常地质体或介质分界面时发生反射并返回，被接收天线接收，并由主机记录下来，形成雷达剖面图。
由于电磁波在介质中传播时，其路径、电磁波场强度以及波形将随所通过介质的电磁特性及其几何形态而发生变化。因此，根据接收到的电磁波特征，既波的旅行时间、幅度、频率和波形等，通过雷达图像的处理和分析，可确定掌子面前方界面或目标体的空间位置或结构特征。
二•适用范围及目的
探地雷达是利用电磁波在隧道开挖工作面前方岩体中的传播及反射，根据传播速度和反射脉冲波走时进行超前地质预报的一种物探方法，主要用于岩溶探测，亦可用于断层破碎带、软弱夹层等不均匀地质体的探测。岩体、混凝土等的物质的相对介电常数为4—8，空气相对介电常数为1，而水体的相对介电常数高达81，差异较大，为探地雷达作为地质超前预报提供了较好的地球物理前提。
探地雷达超前地质预报方法主要解决准确预测掌子面前方的不良地质体，为隧道施工提供相关建议。预测内容包括掌子面前方不良地质体的位置、产状及其围岩结构的完整性与含水的可能性。传统的的物探方法精度较低，易产生误判、漏判等情况，而本次所采用的探地雷达超前地质预报通过发射天线向掌子面发射电磁波来判断掌子面前方的地质异常体，该方法精细程度较高，不仅能准确查清隧道开挖工作面前方的工程地质和水文地质条件，指导工程施工的顺利进行，还能能降低地质灾害发生的几率和危害程度并为优化工程设计提供地质依据。
三•探测要求
探地雷达探测目的体与周边介质之间应存在明显的介电常数差异，电磁波反射信号明显；探测目的体具有足以被探测的规模；不能探测极高电导屏蔽层下的目的体。
四•探地雷达法超前地质预报实例
4.1隧道一：
图1 隧道掌子面探测成果图
.png)
（1）在掌子面前方0-1.5米：电磁波反射信号较强，同相轴错乱不连续，推断此区段褶皱、节理等构造发育，岩石风化程度较高，含少量水。
（2）在掌子面前方1.5-3.3米：电磁波反射信号较弱，推断此区域内岩性较均一，局部区域节理发育并含少量水。
（3）在掌子面前方3.3-13.5米：电磁波反射信号强烈，同相轴错断不连续，推断此区段褶皱、节理等构造发育，岩石风化程度高，部分地段可能全风化或蚀变成土，含少量水。
（4）在掌子面前方13.5-18米：电磁波信号弱而杂乱，局部同相轴错乱不连续，推断此区段局部存在岩性变化或地层构造发育，含少量水。
综合来看隧道掌子面可见明显褶皱和发育节理，受构造力作用及孔隙水侵蚀等影响，岩石节理发育，风化程度较高，易破碎。隧道掌子面靠近不整合面，根据探测结果及出露岩石产状测量结果推测隧道掌子面左前方3.3-13.5m岩石风化程度高, 部分地段可能全风化。
图2 隧道掌子面开挖情况
.png)
后期经开挖验证，右洞掌子面左前方6.4米附近岩石风化程度很高，并出现小面坍塌，与预报结果吻合。
4.2隧道二：
隧道在开挖过程中发现掌子面处存在一不整合面。不整合面上部岩石岩性仍以混合岩化片麻岩以及少量石英片岩为主，但岩石风化程度很高。通过现场勘查及实测数据知孔隙水沿不整合面下渗，不整合面上部岩石受构造挤压及孔隙水的腐蚀作用明显，岩石节理非常发育，风化程度很高，部分地段呈全风化或蚀变成土。不整合面下方岩石呈灰白色，局部含石英脉，该岩石风化程度相对较低，稳定性较好。从隧道岩石产状测量结果知不整合面上下各组内地层产状略有变化。隧道掌子面所见不整合面加速了岩石风化速度，使得靠近不整合面处岩石风化程度高、易破碎。隧道掌子面的整体工程地质情况见图3。
图3 隧道掌子面照片
雷达预报隧道掌子面探测范围段计18米，测试结果见图4，分析如下：
根据探测数据结果分析，综合地质观察，得出结论如下：
（1）在掌子面前方0-3.2米：局部区域电磁波反射信号较强，同相轴错断不连续，推断此区段节理等构造发育，岩石风化程度较高，含少量水。
（2）在掌子面前方3.2-11米：电磁波反射信号强烈，同相轴错断不连续，波形杂乱，波幅变化大，推断此区段节理等构造发育，岩石风化程度很高，含水量有所增加，部分地段可能全风化或蚀变成土。
（3）在掌子面前方11-18米：电磁波反射信号弱，局部区域反射信号较强，同相轴错乱不连续，推断此区段局部存在岩性变化或地层构造发育，含少量水。
4.3隧道三：
图5 掌子面探测成果图
.png)
（1）在掌子面前方0-10米：电磁波反射信号较弱，局部区域反射稍强，振幅不强，频率中等，初步此区域内岩层较为完整，局部区域破碎，含少量水；
（2）在掌子面前方10-20米：存在一条左下至右上的强反射信号，本区域内信号频率较低，振幅较强，同相轴连续，结合掌子面地质素描及勘察资料，初步判断此区段内裂隙发育严重，含水量增加，需谨慎施工；
（3）在掌子面前方深度25-35米：存在数条与掌子面平行的强反射信号，有较为明显的顶底反射信号，信号同相轴连续，信号频率较低，振幅强，在右半部分区域电磁波反射信号有震荡，初步判断此区段内，岩层存在岩溶或溶槽，左半部分为非充填型，右半部分区域可能含有淤泥，施工需谨慎施工。
5其他应用实例
与超前地质预报类似，探地雷达探测还可用于地表面的工程地质勘查、管线探测等领域。
如图6所示，为某挡土墙后地面裂缝深度及走向、回填土层分布情况的探测成果图，可知反射波同相轴错断不连续，判断距挡土墙5米和9米附近存在裂缝，裂缝向下延伸较深；从地质雷达成果图知深部土层反射波同相轴错断不连续，反射波波形杂乱，判断深部土层土质松散，稳定性差；观察可知该剖面上部杂填土与下部原土体分界面清晰，探测效果良好。
图6 挡土墙后回填土探测成果图
.png)
采用探地雷达进行超前地质预报工作中发现隧道掌子面周边支架等铁磁性物质的存在对探测数据的准确性产生了干扰。屏蔽天线特别适合于城市及有干扰背景的地方，在隧道超前地质预报工作中采用屏蔽天线可提高探测结果的准确性。
6结束语
综上可知探地雷达在超前地质预报中具有设备轻便，操作简单，灵活，适应性强，采集速度快，对施工干扰小，探测精度高，准确度较高，探测空间范围广，特别是能形成围岩的总体和立体信息。探地雷达超前地质预报可准确探测掌子面前方约30m范围内的地质情况，包括查明溶洞、断裂破碎带、地下暗河等安全隐患的大小和空间位置，为隧道的安全开挖提供保障。
但是目前探地雷达技术还是借鉴地震波的资料处理技术，由于其动力特学特性的差异，使其完全套用地震波的处理技术难以满足探测需求。同时借鉴反射地震勘探中的全波层析成像方法还在研究之中，此方法的研究成功将为雷达波的资料的处理提供全新的方法，能够提供精细的速度结构，建立波场特征与地质体结构之间更为直观的联系，为地质解释提供更为可靠的依据。
参考文献：
1、陈仲候、王兴泰、杜世汉编：工程与环境物探教程，地质出版社，1993年
2、李大心编：探地雷达方法与应用，地质出版社，1994年
3、中国电波研究所编：LTD-2000探地雷达使用手册，2009年
作者简介：高鸿飞（1990-），男，工程师；单位：陕西省建筑设备安装质量检测中心；电话：15102991684；E-mail：734598419@qq.com
程耀芳（1981-），男，工程师；单位：陕西省建筑设备安装质量检测中心；电话：13891925057；E-mail：250182818@qq.com
曹敏燕（1981-），女，工程师；单位：陕西省建筑设备安装质量检测中心；电话：13619252276；E-mail：122271796@qq.com
全润东（1987-），男，工程师；单位：陕西省建筑设备安装质量检测中心；电话：18700588845；E-mail：584162423@qq.com