中铁隧道勘测设计院有限公司 天津 300133
摘要：结合已有工程实例，介绍地质雷达在隧道塌方段处理过程中的应用。通过雷达探测，探测塌方段影响范围，并根据已探明情况，进行相关设计，对隧道塌方段进行安全经济的处理。
关键词：隧道塌方；地质雷达；超前预报
隧道施工过程中由于地质情况突变及施工措施不当，导致隧道塌方事情时有发生。隧道塌方后如何详细的掌握隧道塌方所造成的影响（隧道塌方的范围、塌方体的地质力学参数），对于隧道塌方段后处理的设计施工至关重要。通过地质雷达探测，可以将隧道塌方体的范围及塌方体的力学参数直观系统的反应出来，为隧道塌方段处理提供技术依据[1]-[3]。
1 地质雷达探测原理及方法
1.1 地质雷达探测原理
地质雷达的探测原理是根据岩层、 土质及其他物质电导率和介电常数的不同， 以及相邻两种物质的电性、 物性差异作为测试条件，形成反射界面而探测地下目标体分布形态及特征（见图一）。
图一 地质雷达工作原理示意图
地质雷达工作时在主机控制下， 雷达脉冲源产生周期性的毫微秒信号， 经过电缆直接反馈发射天线，经由发射天线耦合到前方围岩的信号在传播路径上遇到介质的非均匀体( 如断层、空洞、破碎带等) 时，产生反射信号。发射信号接收后传输到接收机，信号在接收机经过整形和放大等处理后，再经由电缆传输到雷达主机，经处理后传输到微机。在微机中对采集的信号进行处理，根据处理得到的雷达波形图分析电磁波的时频特征、振幅特征、相位特征、频谱等，推断掌子面前方异常地质或目标体的分布情况。
1.2 地质雷达探测方法
1.2.1 仪器选择
目前随着地质雷达技术的发展，地质雷达的种类也比较多，在选定一种雷达后，需要根据现场的实际条件及探测深度选择合适的雷达天线。雷达天线的主频越低，探测深度越深、探测精度越差，反之雷达主频越高，探测深度越浅、探测精度越高，在实际操作过程中需要根据探测深度及精度要求选择合适的雷达天线。由于隧道施工过程中存在多种干扰因素，雷达天线应选择封闭天线，减少隧道施工现场对雷达信号的干扰。
1.2.2 现场实施
对掌子面进行探测前，需将掌子面( 或核心土) 前缘修理平整，根据具体施工情况及掌子面围岩条件布置测线，为了更好的了解掌子面前方围岩情况多布设十字或井字型测线。在探测前先调整雷达参数，选择合适的时窗范围，然后进行增益处理，最后按测线拖动雷达天线在掌子面前缘面上沿测线匀速移动，并记录探测数据。在雷达探测完成后进行掌子面素描，作为后期数据分析的基础。
2 地质雷达资料解释原理[4]
地质雷达探测的最终目的是雷达图像的解释，即在数据处理后得到的地质雷达图像剖面中，根据反射波组的波形与振幅强度，通过对同相轴的追踪，结合现有的地质资料，确定反射波组的地质含义。在隧道超前地质预报中，通过掌子面及其后方左右壁的地质描述，结合先前的地质勘察资料，对地质雷达图像做出合理的解释。
2.1 反射层的拾取
确定具有一定形态特征的反射波组是拾取反射层的基础，识别各种介质层的反射波组特征的主要判断依据如下。
（1）反射波组的同相性
在地质雷达图像剖面上，根据相邻道上反射波的对比，把不同道上同一个反射波相同相位连结起来的对比线称为同相轴。只要地下介质中存在电性差异，在雷达图像剖面上就会有相应的反射波与之对应。
（2）反射波形的相似性
地质雷达测量使用的点间距(即两相邻触发点时间内地质雷达大线移动的距离)很小，被测介质的变化在一般情况下比较平缓，因此，相邻记录道上同一反射波组形态的主要特征保持不变。
（3）反射波组形态特征
同一介质层的电性特征比较接近，而不同介质层的电性特征差异相对较大，因此，同一介质层反射波组的波形、波幅、周期及其包络线形态等具有一定的特征。
2.2 时间剖面的解释
由介质层的反射波组特征划分反射波组后，就需要依据反射波的同相性和相似性进行介质层的追索与对比。在进行时间剖面的对比时，除了掌握地质雷达反射波组的特征外，还应掌握一些具体的对比方法。
（1）掌握充分的地质资料，分析测区的地质构造特征。
进行时间剖面的对比前，收集详细的地质资料，掌握掌子面的地质构造特征。在此基础上，充分利用时间剖面的直观性和范围大的特点，统观整条测线，研究重要波组的特征及其相互关系，掌握重要波组的构造特征。
（2）重点研究特征波的长同相轴
我们把强振幅、能长距离连续追踪、波形稳定的波称为特征波，它们一般都是主要物性差异分界面的有效波。特征波特征明显，易于识别，掌握了它们，就能研究剖面的主要分界面、构造等特点。
（3）时间剖面上常见的特殊波
a绕射波
和地震波传播一样，电磁波在传播过程中遇到断层或基岩不整合面时发生绕射现象，因断层属于岩性的突变点，常常产生绕射波；而基岩不整合的侵蚀面上，存在许多起伏不平的电性突变点，也常常产生绕射波。绕射波在时间剖面上为双曲线反映。
b断面波
当断层有一定断距时，断层两侧岩性往往有较大差别，这时断层面有时可能成为具有大差异的电性界面，在时间剖面上会得到来自断层面的反射波，称为断面反射波。断面波的一个明显特征是有一组产状很陡的波组出现在时间剖面上，周围的反射界面却比较平缓，产状往往相反，由于断层两侧地层电性的变化，断面的光滑程度比地层面差，使断面反射波的强度变化很大，波形不稳定等。
（4）同相轴不连续带
当测区内只存在一些小的次级断裂，而且其断距较小时，由于断裂带两侧地层岩性差异不大，在地质雷达图像中很难见到明显的断层波。但断裂造成的地层错断使断裂两侧反射波组有明显的不连续，加之断裂错动形成的地层破碎，使断裂带对电磁波吸收加强，因此，会在断裂带处形成一条反射波组同相轴不连续且反射波强度明显减弱的带。这种同相轴不连续带是地质雷达图像中识别断裂的主要标志。
3 工程实例
3.1 工程概况
洛栾高速鸭池沟隧道位于秦岭余脉之伏牛山区，山岭纵横，层峦叠嶂，河沟交织。隧道区地形起伏大，地面标高基本在690～780米之间，相对高差90.0米。隧道所在区域主要地质构造为：马超营断裂以北为华熊台隆、马超营断裂—陶湾断裂为洛南—栾川台缘褶皱带、陶湾断裂以南为北秦岭下元古褶皱带、本区盖层褶皱构造主要属于加里东期褶皱，由上述地质构造决定隧道主要地质病害为断层及节理裂隙发育区。隧道开挖至K116+694处发生坍塌，地表K116+683~K116+699段开始出现山顶塌陷，塌陷范围：隧道纵向方向为16米，横向方向约为5米，塌陷深度1.5米—3米，塌陷体积大约160m3。实测原地表K116+683处地表埋深为：19.11米， K116+699处地表埋深为：16.73米。山顶塌方处如下图二所示，隧道掌子面条件见图三。本次塌方区段隧道围岩为强风化花岗岩，灰白色，中粗粒状结构，块状构造，节理裂隙发育，岩石较破碎，围岩稳定性差，岩芯呈碎块状易坍塌。该段范围内原设计支护级别为Ⅳ级。为进一步了解掌子面前方地质情况，采用地质雷达进行超前探测。
图四 40MHz雷达天线 图五 雷达测线布设示意图
3.2.2雷达探测结果及解析
现场探测结果经预处理后再计算机上采用专用软件进行雷达波形图处理，雷达波形图处理过程分为六步，依次为垂直带通滤波→去除直达波→背景去除→线性增益→平滑增益→结果输出。得到雷达波形图后，根据工程地质调查情况综合分析，确定掌子面前方围岩情况。具体结果如下所述。
a、由图六，上台阶上半部600MHz天线波形图分析得，掌子面前方0-4米范围内雷达波反射强烈、颜色均一，推测该范围内围岩情况与掌子面围岩情况相同，为全风化花岗岩，围岩软弱易坍塌，为上部塌方体；掌子面前方4-8米范围内，雷达波为渐变段，中部高频突出，两侧高频逐渐衰减，中部为深褐色，两侧为绿色，推测该范围内中部为全风化花岗岩，两侧为中风化花岗岩渐变段，该段范围内为塌方体与原有围岩渐变段；掌子面前方8-10米范围内，雷达波高频减弱，波形图为绿色均一体，推测该段范围内为中风化围岩，属原基岩。
b、由图七，上台阶下半部40 MHz天线波形图分析，掌子面前方0-10米范围内同相轴错乱，局部高频突出、低频衰减，推测该段范围内岩石节理裂隙发育，岩石破碎，其中掌子面前方0-5米范围内围岩极破碎；掌子面前方10-18米范围内同相轴局部错乱、高频突出，推测该段范围内节理裂隙较发育，围岩破碎；掌子面前方18-30米范围内同相轴局部错位，无异常区段，推测该段范围内岩石节理发育，岩石较破碎；掌子面前方11-30米范围内雷达波形图有一条高频突出带，推测该段内含有基岩裂隙水。
图七 40MHz雷达天线探测结果图
3.2塌方段处理
根据现场调查及地质雷达探测结果，对塌方段采取针对性的加固措施。掌子面前方0~8米范围内使用Φ50×4超前导管、长度4米、环向间距40厘米、纵向间距2.4米、外倾角10~15°超前支护，支护结构使用20a工字钢拱架，间距40厘米，Φ8钢筋网20×20厘米，C25喷射混凝土厚度26厘米；掌子面前方8~20米范围内使用Φ50×4超前导管、长度4米、环向间距50厘米、纵向间距2.4米、外倾角10~15°超前支护，支护结构使用20a工字钢拱架，间距40厘米，Φ8钢筋网20×20厘米，C25喷射混凝土厚度26厘米。施工过程中采用上下台阶法，短进尺、早支护顺利通过该段塌方地段。开挖过程中掌子面前方0~8米范围内为塌方体影响范围，掌子面前方8~20米范围内为原状基岩，与地震预报结果相同。
4 结语
随着地震雷达技术的发展，地质雷达具备的探测精度高、对施工影响小、造价低等优点，在隧道施工过程中对于掌子面前方不良地质区段越来越多的采用地质雷达进行探测，在隧道塌方段处理过程中使用地质雷达尚无其他工程实例。通过地质雷达探测，探测出塌方体的具体范围，围岩结构类型，并对塌方体前方围岩进行探测，充分掌握了塌方段附近地质情况，为进一步设计及施工提供了必要的工程地质资料，确保施工过程中顺利通过塌方段，避免造成二次危险。本方法可以在类似工程中提供相关经验。
参考文献：
[1]王朋朋.地质超前预报在隧道工程中的应用[J].山西建筑2011(5):174-176.
[2]周国华.地质雷达检测技术在隧道质量隐患处理中的应用[J].深圳土木与建筑2011(1):34-36.
[3]刘康云.地质雷达在公路隧道施工中的应用[J].辽宁省交通高等专科学校学报2010(4):1-4.
[4]李大心.探地雷达方法与应用[M].北京：地质出版社，1994.
作者简介：
论文作者:郭辉
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第14期
论文发表时间:2018/10/18
标签：地质论文; 隧道论文; 范围内论文; 围岩论文; 反射论文; 波形论文; 剖面论文; 《建筑学研究前沿》2018年第14期论文;