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地质雷达（GPR）在超前地质预报中的应用李耀

发表时间：2021/4/6 来源：《建筑科技》2021年1月上作者：李耀

[导读] 对于地质条件复杂的隧道工程，隧道施工涉及到工程的安全性、质量、成本和进度。隧道的地质超前预报的应用十分广泛，预报方法很多。其中地质雷达的优点是扫描速度快、重量轻、分辨率高、屏蔽效果好、图像直观、对施工和跟踪的影响小，并在使用过程中积累了大量的工程测量数据和图像分析经验，近年来已广泛用于建筑检查和地质预测中。

上海勘察设计研究院（集团）有限公司青岛分公司李耀青岛 266199

摘要：对于地质条件复杂的隧道工程，隧道施工涉及到工程的安全性、质量、成本和进度。隧道的地质超前预报的应用十分广泛，预报方法很多。其中地质雷达的优点是扫描速度快、重量轻、分辨率高、屏蔽效果好、图像直观、对施工和跟踪的影响小，并在使用过程中积累了大量的工程测量数据和图像分析经验，近年来已广泛用于建筑检查和地质预测中。根据地质雷达预报的基本原理，将地质雷达用于隧道超前预报，可以采取有效的预防措施确保隧道施工的安全性，并且预报精度高。
关键词：地质雷达（GPR）；超前地质预报；隧道；探测
        引言
        地质超前预报是为了预测和预报隧道开挖过程中的围岩坡度以及隧道前方的不良地质状况。超前地质预报通常使用许多物理勘探方法，它们的分类也不相同。传统的地质素描方法和物理勘探方法是当今隧道建设中常用的超前地质预报方法。传统的地质素描方法包括超前试验坑法，正洞地质草图，水平超前地质勘探等。物理勘探方法包括TSP-203，GPR，声学测试，地震反射法和红外水质勘探等。其中，GPR已成为地下工程中常用的一种先进的地质预测方法。 GPR广泛用于工程质量检查，现场勘测和隧道超前地质预报。其特点是操作方便、分辨率高、预测距离短，并且对电磁干扰的敏感性较高。
        1.隧道综合超前预报技术分析
        我国有多种先进的预测方法，每种预测方法具有不同的特点，在这种情况下，有必要通过在实际应用过程中完美结合隧道施工条件，创造出一种科学合理的方法。
        1.1宏观地质分析
        所谓宏观地质分析，就是对施工前隧道开挖过程的简单分析，在此过程中，必须收集隧道施工现场等相关信息，并进行地质调查工作。然后，利用收集到的数据和信息进行充分的实验，最后确定隧道施工现场周围的岩石分布、水文条件、地下水位和方向信息。
        1.2TSP地震波法
        TSP地震波法只能测量隧道掌子前方125m范围内的岩石分布，测量距离上下浮动不超过25m。在应用该技术的过程中，在隧道掌子后面的隧道边缘建造爆破孔后，利用地震波传达爆破情况，并将波形呈球面扩展。在此过程中，当检测到不良的地质体时，会发生反射，并将反射波转换为电信号并传输到设备。对接收到的信息进行分析后，可以确定隧道不良状况。传播时间与地震波的距离之间存在比例关系。因此，在使用过程中，可以充分利用该功能确定反射界面的最终位置，隧道角度和不良地质体的具体位置，确保有序进行下一步工作。
        2.地质雷达的工作原理
        地质雷达是一种物理勘探设备，使用超高频窄脉冲电磁波来检测介质的分布。它的工作原理是使用发射天线向隧道掌子前方发射电磁波信号，该电磁波信号的频率为106-109Hz。当电磁波在掌子前方传播时，遇到具有不同电特性的目标时，电磁波会被反射，并且反射的电磁波会被接收天线接收。其中，电性差异是不同的介电常数，不同的电导率或透射率，电性差异越大，反射的电磁信号越多，而电性差异越小，反射的电磁信号越少。目标物体是空动、有水、裂缝或岩溶。通过分析反射电磁波的时频、幅度和相位的特征，可以判断掌子前方的地质结构。
        3.地质雷达的应用技术方法
        3.1雷达预测测试
        地质雷达的测试原理是控制单元将以一定频率为中心的一组高频电磁波发射到地层中。在传播过程中，当电磁波遇到其他电磁介质的界面时，电磁波能量被转换为反射波。回到地面后，另一部分能量继续通过界面向前传播，当再次遇到界面时，另一部分电磁波被反射回地面。
        3.2地质雷达地质预报技术
        3.2.1确定雷达地质预报的时长
        预报长度与在岩体中传播的电磁波的特性密切相关。

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根据波的传播原理，当电磁波在具有良好硬度，均匀性和完整性的岩体中传播时，传播能力很强。当电介质与恒定岩石界面之间存在较大差异时，电磁波的反射系数会增加，天线接收器接收到的信号会变强，并且可以适当延长预测长度。根据隧道周围岩石的基本特征，估计长度一般在20-30m左右。
        3.2.2介电常数的选择
        要想保证地质雷达预报结果的可靠性，选择围岩介质介电常数的关键。通常，岩体的介电常数在5到8之间。该特定值必须根据岩石特性确定。另外，岩体的介电常数必须根据特定的岩石来确定，并且岩石的含水量对围岩的介电常数有很大的影响，因此还需要对围岩的含水量进行调整。
        3.2.3测量范围选择
        当使用雷达进行隧道地质预报时，应将线和点的测量结果结合起来使用，并将线或点测量的不同测量范围结合起来，以比较和分析各种测试结果，并相互验证，从而探测周围不良的岩层。如果围岩完整性好，则测量范围可以为700 ns。如果围岩破裂，则测量范围可以为300 ns。
        4.地质雷达在隧道超前预报中的应用
        4.1选择相关参数
        天线中心频率是决定地质雷达应用效果的主要参数。该频率的选择应该是参数选择的重点，以便可以有效地完成隧道超前预报过程。目标物体的深度，尺寸和天线的尺寸必须满足现场的要求，以使雷达的空间分辨率符合标准。如果将空间分辨率设置为x（m），并将周围岩石的介电常数设置为e，则雷达天线的中心频率为f=150/xe1/2MHZ。在施工过程中，可以使用以上公式选择雷达。根据实际经验，当雷达的中心天线频率为100MHZ时，隧道的超前预测范围可达20m-50m。为了进一步扩展预测范围，必须添加另一个天线进行辅助测量。
        4.2信号触发方式选择
地质雷达数据采集信号的触发方法主要如下。（1）测量轮触发。这种触发方法要求要测量的表面具有很高的平滑度，如果隧道表面的不平整度不高，测量结果的准确性通常较低。（2）时间触发。在这种触发方式下，雷达系统可以在特定的时间间隔内自动收集数据，具有较高的自动化优势。但是，这种方法对天线的运行速度有更高的要求。如果由于天线不能以恒定的速度前进而导致时间差太大，则难以保证数据收集的准确性。如果工程技术水平很高并且电线可以以恒定的速度运行，则可以将该触发模式用于数据采集。（3）键盘触发。在这种触发方式中，计算机键盘可以将数据收集命令直接发送到雷达接收系统，并且每次发送数据时都可以完成数据收集。与测量轮触发器相比，键盘触发器的优点是不需要考虑掌子表面的光滑度，并且测量更加方便。与时间触发方法相比，键盘触发的优点是不受天线前进速度的限制，并且数据采集过程基本上可以在可控范围内完成，从而降低了数据错误的可能性。如果比较上述触发方法的优缺点，可以看到键盘触发的应用价值更高。
        4.3地质雷达数据处理和图像解释
        地质雷达图像部分包含大量雷达数据。只要掌子前面的介质存在电气差异，就可以使用图像轮廓找到反射波，确定反射波的同相轴，最后完成数据处理和图像解释。掌子隧道表面结构、层间和熔岩分布是隧道超前预报过程中的关键工作环节。不同地质结构的反射波与雷达图像之间存在一定差异。以断裂带为例。当隧道表面存在结构性断层带时，雷达像波层的形状即为断层带方向。实践证明，水会影响隧道的超前预报结果。例如，隧道表面不含水，断层带和岩溶洞穴的预测结果通常更准确。相反，如果隧道表面有水，则检测距离相对较短，并且能耗也增加。因此，为了确保测量过程能够顺利完成，必须在测量之前进行地质调查工作。
        结语
        根据地质雷达的预测结果和对开挖揭示的地质条件的全面比较，地质雷达在预测岩体中存在的不良地质体、地下水和围岩的类型方面的准确性较高。该预测为施工提供了许多有益的结论和建议，并减少了因项目围岩条件变化而导致的安全事故。
参考文献
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