李 磊（中鐵第五勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，北京 102600）

地質(zhì)雷達(dá)法在超前地質(zhì)預(yù)報中的應(yīng)用

李 磊
（中鐵第五勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，北京 102600）

超前地質(zhì)預(yù)報已經(jīng)成為了隧道建設(shè)過程中不可缺少的一部分。其中地質(zhì)雷達(dá)法在25～30m范圍內(nèi)能近距離以微觀角度進(jìn)行較為準(zhǔn)確的預(yù)測，幾乎已經(jīng)成為了每個隧道工程中不可缺少的一步。本文首先對地質(zhì)雷達(dá)法的原理分析，然后理論結(jié)合實際，通過對兩個具體工程的具體過程和測試結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)分析，形象地探討了地質(zhì)雷達(dá)法的操作性、可行性、準(zhǔn)確性以及注意事項等，本文的研究具有一定的理論意義和工程實踐應(yīng)用價值[1]。

隧道；斷層；超前地質(zhì)預(yù)報；地質(zhì)雷達(dá)

1 引言

從目前的工程實際中超前預(yù)報的應(yīng)用來看，主要的隧道超前地質(zhì)預(yù)報方法有：地質(zhì)法（掌子面地質(zhì)素描）、超前水平導(dǎo)坑法、地球物理探測預(yù)報法（主要包括地震法和電磁法等，其中地震法的使用最為普遍，它包括地質(zhì)雷達(dá)法、TSP、TGP、SHP、負(fù)視速度法等方法）[5]。地質(zhì)雷達(dá)法和TSP法在工程實踐中應(yīng)用的最為廣泛。究其原因，首先從效率方面來看，地質(zhì)雷達(dá)法和TSP法的預(yù)報距離都較長（地質(zhì)雷達(dá)的預(yù)報有效距離為25～30 m，TSP的預(yù)報有效距離為100～150 m），先比其他方法更可減少對隧道施工的影響，還有一個很重要的原因是地質(zhì)雷達(dá)法和TSP法都經(jīng)過國外和國內(nèi)大量工程實際檢驗，技術(shù)比較成熟，預(yù)報的精度較高。本文著重介紹地質(zhì)雷達(dá)法。

2 地質(zhì)雷達(dá)測試法的原理和探測方法

地質(zhì)雷達(dá)的探測原理從通常意義上講就是利用電磁波的傳播來對不同的目標(biāo)體進(jìn)行檢測，通過特定的發(fā)射儀器向探測體發(fā)射雷達(dá)波，根據(jù)被探測體的物理特性的不同，設(shè)定不同的參數(shù)，進(jìn)而根據(jù)彈射回來的雷達(dá)波的波形、強度等一系列不同，對被檢測體的結(jié)構(gòu)、幾何形體等進(jìn)行具體分析[5]。

在地質(zhì)雷達(dá)探測預(yù)報中，電磁波在不同的介質(zhì)中傳播，得到不同的反射圖像以及反射振幅，并以此作為分析的依據(jù)。電磁波為橫波，在不同的介質(zhì)中傳播時，即使是同頻率的電磁波其傳播速度也會不同。電磁波由電矢量和磁矢量組成，它們兩者是相互垂直的，介質(zhì)對其具有吸收作用。當(dāng)電磁波在不同的介質(zhì)中傳播時，所產(chǎn)生的折射、反射、透射、散射等現(xiàn)象直接影響地質(zhì)雷達(dá)對其的接收情況。相對介電常數(shù)的變化直接影響電磁波的反射系數(shù)，而反射系數(shù)的正負(fù)決定反射波振幅的走向[5]。

因此，當(dāng)被檢測體的組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時，多得到的地質(zhì)雷達(dá)圖像便會發(fā)生非常明顯的變化。如果被檢測體出現(xiàn)空洞、裂縫、不密實、鋼筋間距等問題時，都會在地質(zhì)雷達(dá)圖形上顯現(xiàn)出來。地質(zhì)雷達(dá)還可以用來對斷層、溶洞等各種各樣的地質(zhì)情況進(jìn)行檢測。除此之外，地質(zhì)雷達(dá)還可以用來檢測混凝土的厚度以及混凝土中的鋼筋分布情況、隧道建設(shè)中的襯砌內(nèi)的超挖欠挖情況，在市政管網(wǎng)建設(shè)方面，地質(zhì)雷達(dá)也可以起到積極的檢測作用。

3 中南通道新彈音4號隧道超前地質(zhì)預(yù)報

中南通道新彈音4號隧道進(jìn)口地質(zhì)雷達(dá)檢測是對隧道掌子面進(jìn)行檢測，預(yù)報其向前25 m距離內(nèi)的地質(zhì)情況。首先對圖像進(jìn)行了掉頭處理，而后進(jìn)行水平、垂直濾波，濾波值分別定位150 MHz和200 MHz。檢測之前把該隧道的介電常數(shù)暫定為8，測量結(jié)束后，根據(jù)地質(zhì)雷達(dá)電磁波在此中的傳播速度和實際地質(zhì)情況，把該隧道的介電常數(shù)修正為7.5。圖1為中南通道新彈音4號隧道進(jìn)口地質(zhì)雷達(dá)檢測圖像。

圖1 新彈音4號隧道空洞圖像

隧道掌子面的巖石因受到地質(zhì)風(fēng)化作用，由于地質(zhì)構(gòu)造的影響，導(dǎo)致巖體破碎為碎石狀松散結(jié)構(gòu)，比較易破碎，巖體完整性一般，開挖后暴露個別部位易失穩(wěn)形成掉塊和塌方，影響隧道施工安全。地質(zhì)雷達(dá)雷達(dá)反射波較弱，波幅較穩(wěn)定；在DK119+545出的雷達(dá)圖像上發(fā)現(xiàn)異常，此處距掌子面15 m，根據(jù)圖形形狀、變形大小、掌子面情況以及以往經(jīng)驗判斷，此處存在小規(guī)?？斩?。

4 朝家山1號隧道的超前地質(zhì)預(yù)報分析

4.1 工程概況

基于業(yè)績?nèi)庵钠詹榭冃Ф嘀笜?biāo)可拓綜合評價研究……………………………………………………吳慧芳，劉素榮（4.37）

隧道位于青海省民和縣，穿行于低中山體中，屬黃土高原中溫帶亞濕潤氣候區(qū)，年平均氣溫為8.9℃，其中最熱月平均氣溫20℃，最冷月平均氣溫-6.2℃，極熱溫度37.2℃，極冷溫度-22.2℃。年平均降雨量331.6 mm、蒸發(fā)量1 735.5 mm，凍土深度最大108 cm[2]。

進(jìn)出口兩端低洞身部位高，地形起伏大，山體植被發(fā)育較差，山體兩側(cè)坡度差異較大，上覆為第四系風(fēng)積砂質(zhì)黃土、沖積砂質(zhì)黃土，下部有基巖。

隧道經(jīng)過區(qū)域的地層主要為第四系全新統(tǒng)沖積砂質(zhì)黃土、滑坡堆積砂質(zhì)黃土。根據(jù)勘察地質(zhì)資料，地層上更新統(tǒng)砂質(zhì)黃土、下伏夾有部分砂巖的白堊系下統(tǒng)泥巖基巖層。

隧道受如加里東期和燕山期構(gòu)造形跡等多種地質(zhì)構(gòu)造影響，褶皺、斷裂和破碎斷層帶較為發(fā)育，由此產(chǎn)生的裂隙導(dǎo)致圍巖失穩(wěn)，破碎的巖石再受到地下水的擠壓，最終形成含水層。

現(xiàn)場勘察階段主要發(fā)現(xiàn)有2處較大的黃土滑坡。其中位于DK72+968處的最為典型，為了保證隧道的安全施工和后續(xù)的安全運行，預(yù)防隧道的施工存在的極大不確定因素和安全隱患，設(shè)計方及施工方?jīng)Q定對隧道進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報。

實際在后期現(xiàn)場施工時，在隧道施工掘進(jìn)到DK72+969時，隧道的掌子面出現(xiàn)異常，隧道周邊的圍巖變得支離破碎，整體性極差，極其吻合的符合了對隧道掌子面進(jìn)行地質(zhì)雷達(dá)檢測的預(yù)測結(jié)果?，F(xiàn)就當(dāng)時的測量情況進(jìn)行說明。

4.2 測量儀器及參數(shù)：

采用美國SIR-3000高精度探地雷達(dá)，儀器天線頻率為100 MHz、掃描率為100掃描/秒、采樣率為512樣點/掃描，儀器的預(yù)報距離為25 m。

4.3 測線布置方式

測線共布置5條側(cè)線，總里程56m。具體布置如圖2所示：

圖2 朝家山1號隧道測線布置圖

4.4 測試結(jié)果

首先根據(jù)勘察設(shè)計的地質(zhì)資料，了解此地段主要為砂巖、膨脹巖，本地區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造運動比較活躍，而且在此次測試的掌子面處的巖體破碎，整體不穩(wěn)，故可基本判斷此處可能有斷裂構(gòu)造出現(xiàn)。隨后按照根據(jù)第四章介紹的地質(zhì)雷達(dá)操作規(guī)程，做好現(xiàn)場的準(zhǔn)備工作，排除某些物體的干擾因素，如大型機械、風(fēng)槍、噴錨等的影響，然后采用超前地質(zhì)雷達(dá)對隧道的掌子面進(jìn)行監(jiān)測，最后進(jìn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，處理結(jié)果如圖（以測線1為例）[2]。

如圖3，現(xiàn)場實測的原始數(shù)據(jù)圖主要為線掃描顯示模式和波形顯示模式。結(jié)合現(xiàn)場實際情況，考慮到施工中鋼筋、臺車等大型施工儀器影響，我們將介電常數(shù)按規(guī)范修訂為7.0，按照地質(zhì)雷達(dá)的分析解譯步驟進(jìn)行逐步處理。對圖像進(jìn)行濾波處理、深度變換參數(shù)修訂等一系列處理步驟（圖4），最終分析得到隧道的Wiggle模式圖形（圖5）。

圖3 隧道掃描圖及波形圖

圖4 濾波處理、深度變換

圖5 Wiggle模式圖形

眾所周知，電磁波的能量在完整的界面勻速進(jìn)行傳播，在進(jìn)入斷層破碎帶后會形成時間延遲.因為此時的巖層整體性差、規(guī)則不完整，雷達(dá)信號到此會產(chǎn)生漫反射，在圖形上就會顯示為有一定持續(xù)的寬度。很明顯，看隧道掌子面的前方5 m的區(qū)域處wiggle模式波形發(fā)生異常的突變，因此我們分析很可能是由于雷達(dá)波從完整界面進(jìn)入斷層破碎帶界面導(dǎo)致。

無論是圖3、圖4的各個處理過程，以及圖5的wiggle模式結(jié)果顯示，我們都可以看出，在隧道掌子面的前方5m處出現(xiàn)異常反應(yīng)，由于儀器的有效測試距離為25m。因此在5-25m范圍內(nèi)雷達(dá)反射波波形非常雜亂，同相軸錯亂不連續(xù)，局部振幅較大，雷達(dá)反射信號明顯，目標(biāo)體對雷達(dá)波的吸收作用明顯。結(jié)合地質(zhì)勘察資料和區(qū)域地質(zhì)情況，隧道在此處的圍巖較為破碎，存在斷層破碎帶的可能性非常大。

結(jié)合上述結(jié)果，施工現(xiàn)場制定了隧道開挖到此處前后10m處，機械掘進(jìn)過程中采取專項安全措施，開挖前采用超前管柵支護(hù)?？s小每次的進(jìn)入尺寸，留核心土，降低爆破強度，開挖的同時加強支護(hù)。尤其在接近DK72+968時，實行邊開挖支護(hù)，開挖緊跟支護(hù)，開挖后及時進(jìn)行噴護(hù)封閉。根據(jù)實際情況調(diào)整開挖進(jìn)度和逐步增強支護(hù)方案。

后經(jīng)現(xiàn)場實際開挖證實，該地段屬于強風(fēng)化破碎帶，以裂巖、角礫巖和糜棱巖為主，夾有大量斷層泥。預(yù)報為斷層破碎帶的區(qū)域是一個塌陷的淘金洞，位置與隧道走向斜交，此處的巖層產(chǎn)狀非常凌亂，這與測試時此處的波形突然發(fā)生變化非常吻合。上述施工方案在最大的限度上防止了隧道掌子面和拱頂極大的脫落、垮塌可能性，是一次非常典型的、成功的超前地質(zhì)預(yù)報知道施工的施工案例。

5 結(jié)論

通過地質(zhì)雷達(dá)法在上述兩處隧道的超前地質(zhì)預(yù)測預(yù)報工作的運用，可以得到如下結(jié)論：

(1)地質(zhì)雷達(dá)法預(yù)報測試結(jié)果與現(xiàn)場實際情況基本一致，取得了良好的實踐效果。

(2)地質(zhì)雷達(dá)探測技術(shù)是一種不斷發(fā)展中的無損探測技術(shù)，在短距離內(nèi)對不良地質(zhì)體的探測效果較好，但是易受干擾因素的影響，如何正確的識別并排除探測過程中的干擾因素、對雷達(dá)圖像中的異常情況做出合理的解釋，就需要測試人員積累大量的實際經(jīng)驗。

(3)雷達(dá)測試的過程中要格外重視區(qū)域地質(zhì)資料，對其中指出的可能存在不良地質(zhì)體的地方要給予重視。因為要做好預(yù)報工作并不能單純的依靠儀器分析，更要結(jié)合實際情況。

[1]李磊.常見淺基礎(chǔ)形式的ANSYS仿真分析[J].河北:石家莊鐵道大學(xué)學(xué)報,2012,03.

[2]羅安海. SIR高精度探地雷達(dá)在朝家山1號隧道超前地質(zhì)預(yù)報中的應(yīng)用[J].河北:國防交通工程與技術(shù),2012,09.

[3]中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).客運專線鐵路隧道工程施工技術(shù)指南[S].北京:中華人民共和國鐵道部,2005.

[4]朱永全.隧道工程[M].北京:中國鐵道出版社,2007.

[5]鄧少平.蘭新鐵路第二雙線LXS-3標(biāo)段隧道超前地質(zhì)預(yù)報研究[D].《西南交通大學(xué)碩士論文》,2012.

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