摘要：隧道施工常遇到不良地质概况，如不提前预测可能对工程安全和进度产生较大影响。在勘察过程中有效采用地质雷达进行超前地质预报具有高效、准确、无损探测物的优点，补充完善地质钻孔的缺陷，在隧道工程地质超前预报领域具有较好的适用性。本文介绍了地质雷达探测技术在隧道地质超前预报领域的应用，着重介绍了地质雷达的操作经验和数据后处理技巧，对后续使用地质雷达进行地质预报具有一定的指导借鉴意义。
关键词：隧道工程；地质雷达；超前地质预报；数据采集；后处理
引言
我国隧道建设工程多分布于地质条件复杂的西南山区，隧道开挖常遇到岩溶发育、较大空洞、地下暗河发育、构造带、岩石破碎带等工程灾害，给隧道施工造成很多困难。而地质钻探具有一定的局限性，它不能全面连续的揭露隧道围岩的地质构造，因此需要采用一定的手段对这些地质构造和地质灾害进行探测和预报，提前采取措施消除灾害。
地质雷达超前探测预报是一种无损检测的高新技术，具有轻便、高效、可靠、成果直观等特点，已经在多条隧道的地质探测实践中进行了验证。
1 地质雷达探测原理
地质雷达探测是根据不同物质具有不同的介电常数、导电率和磁导率的特性，通过仪器设备发射和接收的高频电磁波，经过分析处理从而判断出施工场地前方地层的介电常数差异，进而判断前方地质情况。电磁波在介质中的传播特性是由介质的波阻抗η决定的，η与其相对介电常数ε具有一定的关系。反射系数R为：
图1 不同介质中传播的电磁波反射
2 探测仪器
地质雷达发射装置发出的高频电磁波频带范围在几兆Hz到几千兆Hz之间。低频电磁波的探测深度较大，范围较广，而高频电磁波其探测深度一般较浅，范围较小，其在常见的地质中探测的深度和范围从几米到十几米不等，有效深度较深的可达三十多米。目前市场上应用比较广泛的地质雷如美国GSSI公司的SIR系列、加拿大Sensor&Software公司的EKKO系列、瑞典Mala公司的地质雷达等，达频带一般为100兆天线。
3 数据采集与后处理
3.1 数据采集
测线布置。在对隧道进行超前地质预报前需结合钻孔地质资料对围岩和掌子面的构造特性和岩性进行分析，以便布置合适有利的测网、测线进行探测。构造简单且掌子面岩石完整的围岩，已经开挖部分隧道内岩石完整，通常在掌子面上布置一条横向测线即可。在灰岩地质隧道中常常遇到岩溶发育不规则，溶洞几何尺寸形状和地下状态复杂的状况，在此种比较复杂、地质条件较差的情况下，需对掌子面前方的围岩进行行之有效的探测，以便制定有效的施工方案，保障生命财产安全。岩溶较发育的地质情况，尤其在地下水较为丰富的隧道内，需在掌子面上布置横竖交叉的测网，探测较为细致的地质概况。
天线选取。在全断面法开挖的隧道中，可在开挖掌子面上多布置几条侧线，采用100兆天线探测；在台阶法施工的隧道中，可采用100兆天线仅在上台阶掌子面上进行有针对性的探测。
探测注意事项。在使用天线贴地耦合式的地质雷达系统进行探测，需要将天线紧贴隧道开挖掌子面。天线距离测探测面的距离控制在1/4波长以内。100兆的天线距离被测掌子面10 cm以内，一般在探测中使用天线津贴掌子面沿侧线进行匀速移动。
地质雷达探测系统有连续测量式、手动点测方式、测量轮触发测量式三种触发方式，不同的工作环境可选择不同的探测方式。由于掌子面一般难以做到很平整，天线难以在高低不平整的掌子面上匀速移动，这对探测手段的选择有一定的影响，因此推荐点测法式对其进行超前探测。
3.2 数据后处理分析
地质雷达超前预报在施工现场测取的结果后需进行资料处理，一般包括资料整理、图像显示、增益处理、滤波、图像输出、地质描述等。
资料整理：包括测线测网的梳理，桩号里程的对应，电子表格录入等。
图像显示：对数据处理时可采用线扫描、波形加变面积、波形图等方式读取探测数据，然后采用地质雷达对应的后处理软件解读探测得到文件。
增益处理：采取整体增益。可先把探测的整个掌子面的数据信息进行放大，对比分析地质情况，对有异常区域可进行局部的数据信息放大，以便于重点分析及准确判读。
一维频率滤波：可采用频率滤波的方法对探测中出现的杂波进行滤除，排除干扰，获取清晰的数据图像。
高级滤波：数据图像中难免存在一定的杂波造成图像混乱，其中的干扰信息可采用反褶积方法消除干扰，还原围岩中的地质构造。
使用软件显示图像，结合经验对探测图像进行分析，同时结合地质钻孔资料，对地质进行推断和解释，需要进行验证的区域可进行布置钻孔进行验证确认。最后结合各里程桩号的探测数据图像及验证结果绘成隧道的地质剖面图。
下面结合工程实例探测结果分析地质概况。
工程实例1
某隧道开挖掌子面岩性为灰色、灰白色中厚层、薄层白云岩，岩层为平叠、强风化裂隙发育，少数填充为方解石脉，裂隙宽一般在1~3mm，软弱夹层发育，发育宽度一般为0.5~17mm，填充黄色粘土，呈软素状，隧道围岩中有岩溶发育，填充黄色粘土，粘性较好。图2给出了地质雷达探测图。
图3 近距离溶洞探测图像
图3为掌子面前距离较近的溶洞探测图像，图中褶皱处为溶洞边界区域，围岩性质发生变化，相对介电常数也发生改变造成图2的反射差异。
图5 工程实例2地质雷达探测图
图4中显示在距离掌子面距离掌子面约5~7.5m处发生电磁波反射能量不均匀现象，表明距离掌子面约5~7.5m围岩介质发生变化，岩体完整性变差。在距离掌子面约10m距离处发生更为明显的雷达信号通向不连续现象，表明此处为溶洞边界。
工程实例2
图5给出了某隧道掌子面的探测图像。根据图5可知，图像在掌子面前方约25m范围发生变化，其中测线中部的电磁波反射较为密集，说明此处围岩岩性发生较大变化，结合地质资料推断为全风化硅质岩填充碎石土，松软、泥化、潮湿；图像的其它部分反射情况较为单一，没有复杂图像，这说明该处的围岩性质和掌子面处的较为一致，可判断为强风化硅质岩。
根据测试结果，并结合掌子面的围岩特性和地质概况进行分析，推测掌子面前方25m范围内围岩的地质概况如图6所示。
图6 推断地质构造剖面图
4 结语
地质雷达超前地质预报作为一种跨领域、跨学科的新兴技术，具有高效、准确、无损探测物等优点，在地质勘察中有着极大的优势和发展应用潜力。它具有使用方便，快捷，低廉等特点，能够为隧道地质探测节约极大成本。目前地质雷达超前地质预报技术在我国隧道工程中的应用还未大范围应用，国内缺乏一批经验丰富，具有复合专业背景的技术人才从事地质雷达探测超前地质预报。随着我国隧道工程建设的发展，地质雷达超前地质预报将得到越来越多的应用，隧道探测技术势必越来越科学化、信息化。
参考文献：
[1] 王添荣. 地质雷达在公路隧道工程中的应用[J].北方交通，2017，（9）：82-85.
论文作者:李涛
论文发表刊物:《防护工程》2018年第35期
论文发表时间:2019/4/1
标签：地质论文; 隧道论文; 围岩论文; 超前论文; 图像论文; 电磁波论文; 天线论文; 《防护工程》2018年第35期论文;