地质雷达在平顶山隧道超前地质预报中的应用

　　摘 要: 通过平顶山隧道超前地质预报，介绍了地质雷达的参数设置、测线布置及数据采集，并通过对数据的分析和解释预测了未开挖掌子面的地质情况。与此同时，还总结了影响地质雷达预报效果的因素，可为其他类似工程提供借鉴。

　　关键词: 超前地质预报，地质雷达，公路隧道

　　1 概述

　　随着国家大力倡导基础设施建设，越来越多的隧道工程进入规划建设。然而在建设过程中由于地质情况的复杂多变，因隧道建设范围内地质资料掌握不足而导致的安全事故时有发生。如 “6·21 临沧隧道突泥涌水事故”“9·14 西双版纳隧道坍塌事故”等[1]。

　　上述一系列事故充分说明了在隧道施工过程中，准确、及时、有效的超前地质预报工作，对避免重大地质灾害，保证隧道施工安全起着不可替代的作用[2]。目前，常用的超前地质预报方法有: 地质雷达法、TSP 法、TRT 法等[3]。其中地质雷达法具有效率高、精度高、抗干扰、操作便捷等优点[4]，在短距离精确探测中得到了广泛应用。本文以平顶山隧道为工程背景，对超前地质预报进行了介绍。

　　2 实际应用

　　2. 1 工程概况

　　平顶山隧道位于山东省烟台市境内，设计为分离式隧道。隧址范围内围岩主要为下元古界粉子山群岗嵛组云母片岩，风化程度包括全风化 ～ 未风化，风化深度大。

　　隧址区分布有三条构造破碎带及三块风化破碎区，三条构造破碎带均对隧道构成不利影响。三块风化破碎区主要分布在隧道进口，其中两块对隧道造成了不利影响。隧址区主要发育两组构造节理，其中第二组对隧道的稳定性造成不利影响。隧址区的主要地下水为基岩风化裂隙水，该含水层分布于整个工作区。

　　故隧道超前地质预报的主要内容是正确分辨出破碎带、破碎区的范围及不同岩性的接触带、同一岩性的风化程度和涌水问题等。限于篇幅，本文仅介绍平顶山北线 BK1 + 028 的地质雷达探测情况。

　　2. 2 地质雷达探测方法及结果分析

　　2. 2. 1 参数选择

　　为了达到预报的最好效果，准确预测掌子面前方地质，在进行超前地质预报时采用近距离较微观的预报方式。采用仪器为美国劳雷公司最新的 SIR4000 型地质雷达，并把隧道的每次探测深度定为 30 m，且前后搭接 5 m，测试结果当天反馈，以便快速指导施工。具体地质雷达参数设置见表 1。

　　2. 2. 2 测线布置

　　在进行超前地质预报时，由于开挖方法的不同，测线的布置灵活多样。一般沿掌子面的竖直、水平方向布置。由于平顶山隧道出口采用台阶法施工，根据实际情况，在掌子面布置 1 测回， 2 条测线，具体布置见图 1。

　　2. 2. 3 采集数据

　　数据的采集选用时间模式，时间模式是在数据采集时，系统在每一秒钟记录定量的扫描信息，其数据密度依赖于天线在掌子面上的移动速度。数据采集时由 2 个人将 100 MHz 天线竖立贴近掌子面，并按布置好的测线沿掌子面匀速前进，在每条测线的开始和结束打一条标记用以区分测线的位置。

　　2. 2. 4 结果分析

　　完成现场采集后，后续数据采用专业分析软件 RADAN7 对雷达信号进行分析处理。在测试资料的解释中首先要通过 RADAN7 对现场测试的雷达图像进行编辑数据块、距离归一化、滤波、偏移归位、反褶积、希尔伯特变换等一系列后处理，然后对图像中异常的形态、特征及电磁波的衰减情况进行解释。反射信号强则说明前方存在异常的形态和特征，电磁波衰减则说明前方围岩质量较差当围岩较破碎或含水率较大时对电磁波的吸收较强，衰减较快[5]。

　　由于隧道内地质情况错综复杂，为了提高地质预报的准确度减少误判，在进行地质预报的结果分析中不能只考虑采集到的数据，还要结合掌子面的地质状况、地质勘探资料以及区域地质状况进行综合判断。纵观本次平顶山隧道北线 BK1 + 028 地质雷达图像，结合相应的地质分析，在测线长度和探测深度范围内，可得如下结论: 本次预报范围内围岩属强风化云母片岩，岩体破碎主要呈碎块状，雷达电磁波反射界面较强，结合掌子面围岩情况，推断掌子面前方围岩破碎，裂隙发育，围岩完整性差，稳定性差，地下水不发育，其中 BK1 + 016 ～ BK1 + 012 附近节理裂隙极发育，岩体破碎，施工时应特别注意。在之后的开挖过程中，证实了预报结果与实际情况基本吻合。其中图 2，图 3 为 BK1 + 028 处测线 1 和测线 2 的地质雷达探测成果图。

　　3 地质雷达预报效果的影响因素

　　1) 在原始数据采集过程中，由于隧道掌子面爆破后清渣不干净凹凸不平，在探测过程中天线与掌子面贴合不够紧密，可能会造成探测图像的偏差，从而导致在对图像进行解释时无法准确定位不良地质体的位置，造成结果不能实际反映真实地质情况。

　　2) 在原始数据采集过程中，随身携带的手机、对讲机，或隧道台车、挖掘机就在采集工作面附近，这些因素的出现很可能会产生干扰信号，使形成的图像杂乱无章，从而导致无法辨识有效信号，降低了原始数据的有效性和可靠性。

　　3) 由于参与人员缺乏相应的知识，在不考虑实际的情况下，仅仅照本宣科按默认内置参数进行数据的采集和处理，可能会造成预报结果不真实或有效性大大降低，甚至造成错报。

　　4 结语

　　地质雷达作为一种高效、便捷且快速的超前地质预报手段，对探明掌子面前方不良地质体如断层、含水带、裂隙破碎带、溶洞等的分布状况有良好的效果，且能够做到当天预报，当天出结果，是及时指导施工、保证隧道安全的关键所在。

　　为了增加超前地质预报的精确度，在进行数据采集时要尽量减少外界的干扰，并根据实际情况合理选择仪器的参数，在数据处理时要正确使用分析软件，并在解释过程中要结合隧道掌子面描述[6]，进行反复的研究，从而提高量化处理的水平得到有效、精确的预报结论。

　　推荐阅读：探地雷达在工程检测领域的应用分析

　　摘　要：由于探地雷达的高效、准确、无损伤，现已被广泛应用于工程检测和工程地质勘察领域。通过工程实例结合理论知识，对探地雷达在隧道超前预报、衬砌检测及工程勘察中的岩溶探测的应用进行介绍分析，让工程技术人员对探地雷达问题的解决有进一步的认识。

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