孫佳

摘 要：地質雷達作為常用的物探手段之一，在隧道超前預報中大量應用，本文結合某高速公路隧道實例，闡述了地質雷達做超前地質預報的原理和應用范圍，并得出探測結論，旨在積累預報經驗，為類似工程提供借鑒和參考。

關鍵詞：隧道施工；地質雷達；地質預報

中圖分類號：TB

文獻標識碼：A

文章編號：16723198（2015）19021702

1 前言

探地雷達（Ground Penetrating Radar，簡稱GPR），又被貫以地質雷達之稱，是淺層地球物理探測的一項新技術，具有高效性。它借用主頻電磁波，其波段達到數十兆赫至千兆赫茲，借助寬頻帶短脈沖的方式，由地面通過天線發(fā)射器發(fā)送至地下，經地下目的體或地層的界面反射后返回地面，被雷達天線接受器所接受，進行處理和圖像解譯的操作針對所接受的雷達信號，來實現(xiàn)探測前方目的體的目的。探地雷達較傳統(tǒng)的地球物理方法而言優(yōu)點是更加突出，具體體現(xiàn)為便捷迅速、高精度以及對原物體無破壞作用。故此，在道路建設和公路質量檢測方面，探地雷達已漸漸被人們所認識并得以廣泛應用。從20世紀70年代地質雷達就人們所應用，到現(xiàn)在快有40年的歷史了，它的應用范圍有了不小擴展，譬如考古考察、建筑工程、鐵路公路、水利電力、地質采礦、航空飛行等領域起著重要的作用，也解決了諸多問題，例如現(xiàn)場勘察、選擇線路、檢測工程質量、地質預報、地質構造研究等。關于工程地球物理方向的探測方法也分好多種，像反射地震、地震CT高密度電法、地震面波及地質雷達等方法均被涵蓋，但是地質雷達卻以其高清的分辨率，直觀的圖象，便捷的使用，得到了工程界認可信賴和歡迎。

2 地質雷達探測的基本原理

2.1 工作的基本原理

地質雷達是一種寬帶高頻電磁波信號探測介質分布的非破壞性的探測儀器。斷面的掃描圖像即是雷達借助連續(xù)拖動的天線而獲取的。雷達不斷地把高頻電磁波發(fā)射到地下，在物體內部傳播的電磁波信號在通過不同介質的界面時，反射、透射和折射就會產生。介質的介電常數差異愈大，反射的電磁波能量隨之愈大；反射的電磁波被與發(fā)射天線同步運行的接收天線成功接收后，借助雷達主機對反射回的電磁波的運動特征進行精確記錄，再用技術對數據的進行處理，形成斷面的掃描圖，利用圖像進行判讀，即可獲取地下目標物的實際情況。

雷達天線把電磁波發(fā)射與物體內部，物體內部的填充物或其密實度的差異，導致它們的介電常數有所不同，使電磁波于不同介質的界面處形成發(fā)射，并被物體表面的接收天線所接收，參照電磁波發(fā)射到反射波返回的時間差及物體中電磁波的速度來測算反射體距表面的距離，完成探測出物體內部的不同層面等結構。

探地雷達主要借助寬帶高頻時域電磁脈沖波的反射探測目的體。

公式如下：

t=4z2+x2/v

雷達依據測取的雷達波走時，自動求出反射物的深度z及范圍。

圖1 雷達的工作原理及其探測方法

根據上述原理，可用地質雷達儀探測地基中的不同地質分層及異常體的位置、深度和范圍。

2.2 測試方法及儀器

不同頻率天線的測深能力也會存在差異，頻率愈低，探測深度愈大；且此次檢測的任務在于探測地質構造及斷裂帶，本次預報選用美國勞雷SIR-20地質雷達，100MHz天線，采集參數為：采集方式為點測，每20cm一個點，每掃描采樣數為512，采集時窗為300ns，采用32次迭加。測線布置如圖2所示。

圖2 雷達測線布置

3 工程實例

3.1 工程概況

XX高速公路XX合同段XX隧道位于陜西省安康市紫陽縣縣城東部，設計為兩座單線隧道，左線長921米，右線長862米。結構為Y形隧道，采用復合式襯砌。洞身最大埋深200m左右。隧道如圖3所示。

圖3 隧道整體圖

3.2 地質情況

宋家梁隧道設計為強～弱風化泥質板巖、弱～微風化泥質板巖及微風化輝綠巖，但實際施工過程中圍巖較差，只有極少段落為微風化輝綠巖，其中進口小凈距段全部為強風化碳質千枚巖，巖性極差，數次造成隧道冒頂塌方，按照普通圍巖支護無法進行正常施工；且隧道緊鄰漢江，水系發(fā)達，而強風化碳質千枚巖遇水則成瀝青狀外流，造成極大安全和質量隱患；且初期支護施作以后，圍巖變形大，且長期不收斂，強風化碳質千枚巖段落4～5個月不趨于穩(wěn)定，無法進行下步施工；開挖時有地下水，且水量較大，后期地下水增大。且進口段落為小凈距，左右洞施工干擾較嚴重。這些病害都危及到隧道施工安全與結構質量，嚴重制約隧道施工進度，造成了人員機械的極大浪費，并給項目部造成了嚴重的經濟損失。

4 檢測結果及分析

4.1 地質雷達探測成果分析

根據地質雷達在隧道掌子面探測數據圖像（見圖4）分析，推斷此段0-25米范圍內圍巖為微風化碳質千枚巖，呈碎裂狀結構，節(jié)理、裂隙發(fā)育，含水率大，整體穩(wěn)定性差，其中15-25米范圍內，有稍強的反射截面，推斷該段范圍內，圍巖裂隙增多，拱頂和拱腰位置可能有掉塊落實，可能有滲漏水，以及涌水，應加強防排水措施。

圖4 ZK13+540掌子面雷達波列圖

4.2 驗證

經過15天開挖，距預報掌子面13米處，隧道開挖掌子面由滲水變?yōu)橛克?，且拱架變形嚴重，由于預報準確，施工單位提前做好準備，增強支護等級，提前抽調大量抽水設備，避免了災害進一步發(fā)生，為下一步施工的有序進行，打下良好的基礎。

5 結語

根據以上實例，可以說明以下幾個問題：（1）地質雷達用于隧道超前地質預報中，可較快做出判斷，有利于下一步施工的安全有序進行；（2）隧道超前預報，需要大量實踐，反復研究圖形和地質情況，以提高工作水平；（3）地質雷達的預報范圍不宜過長，20-25米為最佳預報范圍，最好留有一定的搭接長度。

未來，隨著我國經濟的進一步發(fā)展，隧道也將越來越多，大力拓展地質雷達在隧道超前預報中的應用，可以減少不要的損失，為工程的正常進行提供有力的保障。