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摘要：地质雷达具有操作简便、扫描速度快、图像直观、高分辨率和屏蔽效果好等优点，在隧道超前预报中有很广泛的应用。基于此，本文先是简单介绍了地质雷达的工作原理，然后具体分析了地质雷达在隧道超前预报中的应用，要选取好相关参数、布置好测线、选择正确的信号触发方式，之后要对地质雷达的检测结果进行数据处理和图像判读，最后列举了地质雷达在隧道超前预报中的应用实例。目的是为了帮助施工人员更好地应用地质雷达进行隧道施工。
关键词：地质雷达；超前预报；天线频率
1.地质雷达的工作原理
地质雷达是应用超高频窄脉冲电磁波来探测介质分布的一种地球物理勘探仪器。它的工作原理就是利用发射天线向隧道掌子面前的方向定向地发射电磁波信号，这种电磁波信号的频率为106-109Hz，电磁波在掌子面前方传播的过程中，遇到电性差异的目标体时，电磁波会发生反射，反射的电磁波由接收天线进行接收，其中，电性差异是指介电常数不同、电导率不同或是磁导率不同，电性差异越大，反射的电磁波信号越强烈，差异越小，反射的电磁波信号越差。目标体是指空洞、富含水、裂隙或岩溶等。通过对反射电磁波的时频、振幅和相位的特征等进行分析，就可以判断出掌子面前方的地质构造。目标体到掌子面间的距离计算公式如下：
其中，d是指目标体到掌子面间的距离，单位是m；
V是指电磁波在介质中传播的速度，单位是m/ns；
T是指反射电磁波双程的走时，单位是ns；
X是指发射天线和接收天线间的距离，单位是m。
2.地质雷达在隧道超前预报中的应用
2.1选取好相关参数
天线中心频率，是决定地质雷达应用效果的主要参数。应将该频率的选择作为参数选择的重点，确保隧道超前预报的过程能够有效完成。目标体深度、目标体尺寸以及天线尺寸等，均需符合场地的要求，以保证雷达空间分辨率达标。将空间分辨率设为x（m），将围岩介电常数设置为e，则雷达天线中心频率为f=150/xe1/2MHZ。施工过程中，可采用上述公式选择雷达。实践经验显示，当雷达中心天线频率为100MHZ时，隧道超前预报范围可达20m--50m。为进一步扩大预报范围，必须增设另外的天线进行辅助测量[1]。
2.2测线的布置和信号触发方式的选择
当前，掌子面的开挖方式，一般以上下导坑式为主，工作面较窄。为确保布线方式能够与掌子面的开挖方式相适应，可采用两横两竖或等方式完成布线。不同工程地形情况不同，测线需根据工程的具体情况进行灵活布置。有研究指出，随着测线距离的延长，数据采集量逐渐增多，数据分析的准确度也会随之提高。因此，工作人员可根据工程情况，适当延长测线的距离，以为后期的数据分析过程提供依据。需注意的是，应将掌子面轴心位置及其周围区域，作为测线的主要区域，以提高测量效率。
地质雷达数据采集信号触发方式主要包括以下几种：（1）测量轮触发：该触发方法对测量目标体表面的光滑度要求较高，如掌子面凹凸不平，测量结果的准确度一般较低。（2）时间触发：该触发方法下，雷达系统能够在一定的时间间隔内，自动采集数据，具有自动化水平高的优势。但该方法对天线运行的速度要求较高。如天线未能匀速前进，导致时间间隙过大，数据采集的精确度则很难得到保证。若工程技术水平较高，能够确保前线匀速运行，则可以采用该触发方式进行数据采集。（3）键盘触发：该触发方法下，电脑键盘可直接将数据采集指令发送给雷达接收系统，每发送一次，便可完成一次数据采集。与测量轮触发相比，键盘触发的优势在于对掌子面的光滑程度无要求，测量较为便利。与时间触发方法相比，键盘触发的优势在于受天线前进速度的限制较小，数据采集的过程，基本能够在可控的范围内完成，因此数据出现误差的几率较低。对比上述触发方式的优势与缺陷可以看出，键盘触发的应用价值更高。
2.3地址雷达的数据处理和图像判读
地质雷达图像剖面中，含有大量的雷达资料。只要掌子面前方介质存在电性差异，即可通过图像剖面，找到与之相对应的反射波、确定反射波的同相轴，最终使数据处理以及图像的判读过程得以完成。隧道超前预报过程中，对掌子面构造情况、夹层情况以及熔岩等分布情况的掌握，属于关键的工作环节。不同地质构造的反射波以及雷达图像均存在一定的差异。以构造断裂带为例：当掌子面存在构造断裂带时，雷达图像波层的形状，即为断裂带的走向。实践证明，水会对隧道超前预报的结果造成影响。如掌子面不含水，断裂带以及溶洞等的预报结果通常较为准确。反之，如掌子面含水，探测的距离将会相对缩短， 能量的消耗量也会有所增加。因此，测量前需做好地质勘查工作，以确保测量过程能够顺利完成[2]。
2.4应用实例
2.4.1 工程概况
隧道位于国内某省，设计行车速度100km/h。左右线分离布置。隧道全长2658km，左右两段间距28m。开挖宽度11.4m、高度9.00m，。最大埋深192m、最小20m。
2.4.2 现场组织
施工现场组织工作内容，主要包括仪器准备以及隧道左右两段布置等：（1）仪器准备：工程所需仪器包括地质雷达以及爆破开挖器械等。地质雷达天线频率100MHZ，增设500MHZ雷达一部备用。（2）左右两段布置：隧道左右两段均采用二字型方法布置。掌子面底部横洞布线较低。充电探查区域布线稍高。
2.4.3 参数设置
地质雷达参数设置情况如表1：
通过表1可以看出：（1）地质雷达天线频率为100MHz。（2）数据采集方法为时间触发，时间窗口为350ns/500ns。（3）静态叠加为32.（4）水平高通滤波与低通立波分别为52MHz及300MHz，能够满足工程的需求。
2.4.4 预报结果及分析
出口右线预报结果：地质雷达图像显示，隧道出口右线掌子面前方3m处，局部波形破碎，实测波谱图无异常。表明该部位存在小部分破碎带，但岩体整体较为完整。通过对掌子面轴线区域波形图的观察发现，轴线前方2m--30m的范围内，存在强度异常的问题。25m--30m处强度最高，判断隧道该区域完整性较差。（2）出口左线预报结果：地质雷达图像显示，隧道出口做线局部存在异常发育，其他部位岩体将较为完整。但掌子面轴线左右2m处呈孤立状，判断岩层存在裂隙。地质勘查证实了该结论。工程决定采用支护及喷护技术施工，以避免施工过程中发生塌方，提高工程施工的安全性。
2.4.5 施工结果
工程以地质雷达隧道超前预报结果为参考，对施工方案进行了设计。施工过程中，未出现塌方等事故，工程质量能够达到国家标准要求。表明，隧道超前预报结果较为准确，参考价值较高[3]。
结论：综上所述，地质雷达技术是一种比较先进的隧道超前预报方法。分析可得，通过本文对地质雷达在隧道超前预报中应用的介绍，可以为施工单位提供参考，更好地进行优化施工的工作，节约施工的资源，保障施工人员和施工工程的安全。希望本文的研究可以为相关人员研究隧道超前预报中地质雷达技术的应用提供帮助。
参考文献：
[1]吴俊,毛海和,应松,夏才初.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.
[2]黄侃.地质雷达与TSP在公路隧道超前地质预报中的应用[D].东南大学,2016.
论文作者:常青
论文发表刊物:《防护工程》2017年第16期
论文发表时间:2017/10/19
标签：地质论文; 隧道论文; 超前论文; 天线论文; 电磁波论文; 反射论文; 图像论文; 《防护工程》2017年第16期论文;