摘要：以高风险岩溶隧道为工程背景,结合电磁波传递原理和GPR超前地质预报实践，归纳总结了典型不良地质情况地质雷达图像特征，并运用于工程实际分析中，结合后期掌子面开挖揭露情况，验证了所述解译方法的正确性，为地质雷达指导公路隧道施工积累经验。
关键词：超前地质预报、GPR、公路隧道
1引言
随着我国高速公路建设的飞速发展，高速公路逐渐向地形地质极端复杂的西部山区与岩溶地区转移。在这些地区修建高等级公路，考虑里程以及线型等因素影响，通常需要开挖隧道。然而由于隧道工程的复杂性，施工过程中往往会遭遇如断层、塌方、突水突泥等不良地质构造，造成人员伤亡，机械设备报废，部分隧道被迫停建或改线，环境破坏严重，经济损失巨大。
多年来，隧道工程师一直在寻求一种简易的方法预测隧道前方地质情况，随着物探技术的不断发展，兴起了一系列超前预报手段，很大程度上减少了施工事故，保证了施工人员生命安全和施工进度。在众多超前预报物探方法中，GPR系统具有使用简便、对施工干扰小、预报结果信息丰富等优点。本文分析了GPR系统在公路隧道超前地质预报中的适用性，总结了较为完善的解译方法，并结合实际工程分析了解译方法的工程适用性。
2工程概况
隧道是一座分离式隧道，隧址区属为峰丛坡谷洼地地形和低山陡坡地形，溶蚀~构剥蚀地貌，从属于低山区岩溶丘陵峰丛台地；起讫里程桩号：左隧道 ZK95+377～ZK97 +815，长2438m，右隧道YK95+415～YK97+819，长 2404 m,为长隧道。隧道最大埋深约 246m，洞轴线方位角 210°。左线进口位于R -1500的圆曲线上，洞身接 A=520 的缓和曲线和直线，再接A =600的缓和曲线，出口位于R -1800的圆曲线上；右线进口位于 R -1500 的圆曲线上，洞身接A=520的缓和曲线和直线，再接 A=520的缓和曲线，出口位于 R-1500的圆曲线上。最大超高 2%，隧道全线位于-2.3 5%的单向坡上。
3 GPR预报系统的组成及工作原理
GPR（地质雷达）采用的是连续扫描电磁波反射曲线叠加，利用电磁波在隧道掌子面前方岩体中的传播、反射原理，根据反射脉冲双程传播时间计算反射界面距隧道掌子面的距离。地质雷达探测距离一般在 15～30m，属于短期（短距离）超前地质预报，其分辨率在目前的地球物理探测方法中最高，能够对隧道前方地质条件进行精细的分析，提高预报精度。
地质雷达主要由主机、天线、传输光纤及操控观测装置组成，探测过程中，通过控制雷达主机，使脉冲源产生周期性毫微秒信号，经电缆传输到发射天线T，产生高频电磁波(中心频率为 10～1000MHz)，以宽带短脉冲形式投射入介质中，电磁波传播过程中遇到不同电磁性质（主要是介电常数）的介质分界面时，一部分穿过界面并发生折射继续向远处传播，另一部分发生反射被接收天线 R接收后，，经传输光纤传到雷达主机，反射波信号在主机中经过整形和放大等处理后，从显示器中以彩色堆积图/灰度堆积图或波形堆积图的方式显示出来，根据反射信号的时间，相位、频率、幅度及波形等特征来分析和推断介质性质与界面位置。
4 GPR超前地质预报适用性分析
地质雷达具有操作简便、高效率、高分辨率和无损检测等优点，对于断层破碎带、发育宽度在掌子面宽度一半以下的空溶洞、充水溶洞都有较明显的响应，能够通过反射波给出的信息将不同种类的不良地质加以识别。而对于含水岩体，由于其和断层破碎带电性参数与一般完整干燥围岩比较，均体现在介电常数、电导率升高；同时，当雷达波穿越含水岩体或者断层破碎带，高频能量都会被吸收，故从反射波波形图，频谱图等地质雷达解译图件中难以将这两种不良地质区分开来。在实际预报，只能在解译反射波波形图的基础上，结合地质条件的变化来提高预报的准确性。但是地质雷达在隧道超前地质预报中应用也存在着探测距离较短、干扰源多，对掌子面平整度要求较高等不利因素。除进一步改进雷达本身的性能外，需要在今后的应用中多积累经验，找出克服不利因素的办法。
5 典型不良地质体解译方法
5.1断层破碎带
电磁波遇断层界面反射强烈，反射面附近波幅显著增强，反射波的同相轴错断，破碎面上反射波高频部分衰减很快，反射波同相轴的连线为破碎带的位置。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆
5.2节理裂隙密集带
岩体被节理裂隙切割，反射带增多、反射界面错乱且反射波同相轴错乱，波幅衰减很快
（1）当结构面与掌子面近平行发育时，反射波同相轴平直、连续，与完整岩石的差别在于振幅增大、频率增高；
（2）当结构面垂直掌子面或不规则发育时，反射波振幅增大、频率增高，在分界面处同相轴出现弯曲。
5.3岩溶发育区
电磁波遇溶洞界面反射强烈，一般形成振幅较强的弧形反射波，并出现多次较强反射波，显现较大区域空白。根据充填情况，又可以具化为：
（1）无充填型：溶洞顶和洞底界面反射波振幅加强，洞顶反射波相位与直达波相反，洞底反射波相位与直达波相同；
（2）充填碎石：与断层破碎带信号相似，表现为振幅增强、波形杂乱；
（3）充填泥质：松软泥质的存在会对电磁波强吸收，表现为局部反射波振幅减弱或者消失。
5.4含水结构
掌子面前方遭遇含水结构时，含水层面会发生较强振幅反射波，当雷达波穿透含水层时，高频波几乎全被滤掉，只有低频段波可穿透，脉冲周期明显增大
6 工程应用
6.1地质概况
隧道是拟建银川至北海高速公路建始（陇里）至恩施（罗针田）段上的一座分离式隧道。隧址区属为峰丛坡谷洼地地形和低山陡坡地形，溶蚀~构剥蚀地貌，隧道所处地质条件较差，地质结构复杂，地层岩性多变，围岩自稳能力差，存在岩溶、崩坡积层等不良地质；隧道穿越煤系地层，有可能存在瓦斯等有毒气体，施工难度很大，如图所示为隧道地形剖面图。
6.2典型探测结果分析
如前文所述，由于隧道工程地质条件十分复杂，故在施工过程中采用地质雷达进行超前地质预报。仪器选用美国GSSI公司生产的地质雷达SIR-3000型地质雷达。探测过程中采用天线频率为100MHz，采集样本点为1024，通常布置二条测线探测掌子面（如图所示），由于隧道采用钻爆法开挖，掌子面岩体较破碎、平整性不好，布线条件较差，探测时无法紧贴掌子面，雷达信号受到干扰，因此在条件允许的情况下辅以超前钻探加以补充。
选取隧道进口YK95+466掌子面的一次短距离地质雷达探测结果进行分析。掌子面岩体以中~强风化灰岩为主，围岩完整性较差，节理裂隙发育，局部破碎。两条测线所得雷达波形图如图所示。分析结果如下：
掌子面前方里程桩号YK95+468～YK95+476范围内，雷达发射信号强烈，推测该处围岩破碎，节理裂隙发育。掌子面前方里程桩号YK95+480～YK95+484范围内，反射界面增多，推测该处围岩节理裂隙发育，裂隙中夹杂泥质，局部含有土夹石。掌子面前方里程桩号YK95+486～YK95+491范围内，雷达反射信号异常，推测该处岩体稳定性较差，可能存在松散破碎带。
图4YK95+480掌子面实际情况
后经开挖掌子面揭露发现，预报范围内主要为中-强风化页岩为主，呈块状砌体结果，节理裂隙较为发育，裂隙中夹杂泥质，局部拱顶含有土夹石以及炭钙质页岩，为易坍塌体，整体洞壁较干燥，无明显地下水产出，预报结果与开挖情况基本相符。
7 结论
作为一种短期超前地质预报，地质雷达能够对公路隧道前方不良地质情况作出较快的判断，在公路隧道的超前预报中起到了积极的作用。对比预报结果和隧道实际开挖情况，地质雷达有着较高的准确性，对隧道施工起到了很好的指导作用。与此同时，由于隧道内工作环境较为复杂，干扰较多；或者是解译工作人员水平有限，对结果图件中的异常图像认识不清，没有充分结合隧道工程地质和水文地质条件进行分析等，地质雷达也存在误报的情况，这就需要将需要对不良地质条件下各种介质雷达波形图的典型特征进行反复地研究和积累大量的图像资料，将现场探测方法与解译方法尽量标准化、规范化。
参考文献
[1]赵宇. GPR 及 TSP 在隧道超前地质预报中的解译标志研究[D]. 成都理工大学,2009.
[2]吴俊, 毛海和, 应松, 等. 地质雷达在公路隧道短期地质超前预报中的应用[J]. 岩土力学, 2003 (S1): 154-157.
[3]李天斌, 孟陆波, 朱劲, 等. 隧道超前地质预报综合分析方法[J]. 岩石力学与工程学报, 2009, 28(12): 2429-2436.
[4]白哲. 地质雷达在隧道超前预报中的应用[D]. 武汉: 武汉理工大学, 2006.
[5]肖宏跃, 雷宛, 杨威. 地质雷达特征图像与典型地质现象的对应关系[J]. 煤田地質與勘探, 2008, 36(4): 57-61.
论文作者:李小伟
论文发表刊物:《基层建设》2017年1期
论文发表时间:2017/4/11
标签：地质论文; 隧道论文; 反射论文; 超前论文; 裂隙论文; 节理论文; 电磁波论文; 《基层建设》2017年1期论文;