地质雷达在洞头上隧道超前预报中的应用
地质雷达法在隧道超前地质预报中的应用
d o i :10.3963/j .i s s n .1674-6066.2022.04.025地质雷达法在隧道超前地质预报中的应用董伟伟,麦燕午(葛洲坝集团试验检测有限公司,宜昌443002)摘 要: 超前地质预报技术为隧道的安全施工提供强有力的保障㊂该研究以新建当阳至远安支线铁路槐树店隧道为研究对象,考虑到宜昌山区喀斯特地貌丰富,隧道建设大概率会遇到溶洞等地质问题,采用地质雷达法对槐树店隧道进行超前地质预报㊂结果表明,地质雷达法在预报溶洞灾害等方面具有优势,成功预判在槐树店隧道掌子面前方D K 54+745~D K 54+753区段存在溶洞㊂关键词: 地质雷达法; 隧道; 超前地质预报A p p l i c a t i o no fG e o l o g i c a lR a d a rM e t h o d i nA d v a n c eG e o l o g i c a l P r e d i c t i o no fT u n n e l C o n s t r u c t i o nD O N G W e i -w e i ,MA IY a n -w u(C h i n aG e z h o u b aG r o u p T e s t i n g C o ,L t d ,Y i c h a n g 443002,C h i n a )A b s t r a c t : T h e a d v a n c e d g e o l o g i c a l p r e d i c t i o n t e c h n o l o g yp r o v i d e s a s t r o n gg u a r a n t e e f o r t h e s a f e c o n s t r u c t i o n o f t h e t u n n e l .T h i s s t u d y t o o k t h en e w l y b e i n g b u i l tH u a i s h u d i a nT u n n e l o f t h eD a n g y a n g -Y u a n ᶄa nB r a n c hR a i l w a y a s t h e r e -s e a r c ho b j e c t ,c o n s i d e r i n g t h a t t h ek a r s t l a n d f o r m s i nY i c h a n g M o u n t a i n s a r e r i c h ,a n d t h e t u n n e l c o n s t r u c t i o n i s l i k e l y t o e n c o u n t e r g e o l o g i c a l p r o b l e m s s u c ha sk a r s t c a v e s ,t h e g e o l o g i c a l r a d a rm e t h o dw a su s e dt oc a r r y o u t t h ea d v a n c e d g e o l o g i c a l p r e d i c t i o no f t h e H u a i s h u d i a nT u n n e l .R e s u l t ss h o w e dt h a t t h e g e o l o g i c a l r a d a rm e t h o dh a sa d v a n t a g e s i n p r e d i c t i n g k a r s t c a v e d i s a s t e r ,a n d s u c c e s s f u l l yp r e d i c t e d t h e e x i s t o f k a r s t c a v e i n t h e s e c t i o no fD K 54+745~D K 54+753i n f r o n t o f t h e f a c e o f t h eH u a i s h u d i a nT u n n e l .K e y wo r d s : g e o l o g i c a l r a d a rm e t h o d ; k a r s t t u n n e l ; a d v a n c e d g e o l o g i c a l p r e d i c t i o n 收稿日期:2022-05-11.基金项目:中国能源建设股份有限公司重大科技项目(C E E C 2021-Z D Y F -16).作者简介:董伟伟(1991-),工程师.E -m a i l :1579285000@q q .c o m 公路和铁路为人民日常出行提供了很大的便利,尤其对于山区而言,公路和铁路是将其与外界连接的重要通道㊂在山区修建公路和铁路比在平原地区难度更大,因其面对的地形㊁地质条件等更加复杂[1]㊂例如,为了使线路尽可能平顺,保障行车速度,往往需要架桥或者修建隧道,因而山区公路和铁路的桥隧比一般都很高[2]㊂面对复杂的环境,快速识别相关风险因素是保证桥梁及隧道建设及服役安全的重要前提㊂如隧道建设常出现的溶洞㊁涌水突泥等灾害与围岩等级㊁岩体发育特征等息息相关[3]㊂如何快速㊁准确地识别或者预报灾害源是保证隧道建设及运营安全的关键㊂为保障隧道建设的安全,隧道施工时工程人员迫切想掌握掌子面前方的地质情况,隧道超前地质预报技术应运而生㊂常见的超前地质预报方法主要有:以T S P 等设备为代表的地震波法[4]㊁以地质雷达为代表的电磁波法[5]㊁以激发极化为代表的电法等[6]㊂这些方法适用场景各不相同,为获取地层岩性㊁结构面产状㊁富水岩层㊁断层㊁溶洞等地质信息提供了便利,也为隧道的安全施工提供了重要保障㊂研究依托位于湖北宜昌山区的槐树店隧道实体工程开展超前地质预报工作㊂地下与地表水对可溶性岩石不断溶蚀㊁沉淀形成的喀斯特地貌广泛分布于湖北宜昌山区㊂因此,针对宜昌山区新建隧道开展超前地质预报时,非常重要的一项任务就是及时探明掌子面前方是否有溶洞的存在㊂大量研究表明地质雷达法对隧道岩溶地层的溶洞与岩溶水㊁破碎带等有较好的识别能力㊂因此,采用地质雷达法对位于湖北宜昌山区的槐69建材世界 2022年 第43卷 第4期树店隧道开展超前地质预报工作㊂1 工程介绍新建当阳至远安支线铁路槐树店隧道段位于湖北省宜昌市远安县洋坪镇,起止里程为D K 54+540~D K 57+440,隧道全长2900m ,最大埋深312m ,其中Ⅲ级围岩1090m ,I V 级围岩1540m ,V 级围岩270m ;隧道进口采用端墙式洞门,出口采用环框式洞门;进口内轨设计标高271.748m ,出口内轨设计标高299.360m ㊂全隧道共设置洞室96处,其中小避车洞室77处,大避车洞室11处,弱电设备洞室2处㊂2预报原理 地质雷达法(G P R )超前地质预报主要是基于掌子面前方不同介质的电性(介电性和导电性)差异实现的,其包括两个主要的阶段:向岩体发射高频电磁波,再接收和解析介质反射的电磁波,如图1所示㊂具体的实现过程为:由发射天线将高频电磁脉冲波送入掌子面前方岩体,当高频电磁脉冲波在传播过程中遇到不同目标体(断层㊁空洞等)的电性介面时,部分反射回来的电磁波被接收器所接收㊁记录,并获取电磁波从发射到反射回来被接收所用的时间,当电磁波在介质中的传播速度已知时,即可确定目标体的位置㊂因此,地质雷达技术是由已知条件推断未知情况的一种方法㊂电磁波在介质中的传播速度主要由介质的相对介电常数决定,电磁波在传播过程中,当遇到不同的波阻抗界面时,将产生反射波和折射波,反射波能量大小取决于反射系数R ,计算式如式(1)所示,ε1㊁ε2分别为反射界面前后介质的介电常数㊂反射系数的大小取决于介质的介电常数差异,差异越大,反射系数越大,则越容易被地质雷达探测到㊂岩体的介电常数一般为4~8,水的介电常数为81,空气的介电常数为1㊂R =ε1-ε2ε1+ε2(1)3 数据采集及处理过程预报里程范围为D K 54+732~D K 54+762,长度30m ,采用的主要设备为MA L A P r o E x 型地质雷达㊂数据采集工作包括4个步骤:掌子面测线布置㊁仪器调试㊁雷达参数设置㊁激发并接收数据,具体实施过程为:选取距离隧道底部5m 左右的水平线作为掌子面测线;将天线与雷达主机连接,启动设备,检查设备状况;在开始采集前,为了提高精度,要进行雷达参数的设置,根据实际情况选择采样频率等参数;数据采集采用人工点测的方式,沿事先布置好的测线移动雷达设备,逐点激发并收集㊂地质雷达采集数据的处理步骤则主要包括去失真处理㊁水平信号去除㊁静校正㊁增益㊁带通滤波㊁二维滤波等㊂4 结果分析通常采用波形图表示雷达图像,如图2左侧㊂但当采用探地雷达进行连续测量时,由于采集的电磁脉冲数非常多,继续采用波形图则难以清晰表述雷达图像特征,此时可将波形图转换为灰度图,如图2右侧㊂波形图转换为灰度图的具体原理为:将没有反射信号的区域描绘为灰色,表示这些区域的反射信号振幅弱,没有有效反射㊂将反射界面的波谷相位描绘为黑色,波峰相位描绘为白色,即用黑色和白色表述出了信号的相位;黑色和白色的强度表述出了信号的振幅,即越黑或越白就表示振幅越强,该处的反射信号越强㊂桩号D K 54+732~D K 54+762的区段范围对应的地质雷达剖面波形图和灰度图分别如图3和图4所示㊂具体来看,在掌子面前方0~200n s 的区段内(电磁波波速0.1m /n s ,视深度0~10m ),对应桩号D K 54+732~D K 54+742的范围,电磁反射波振幅较小,频率以中高频为主,结合79建材世界 2022年 第43卷 第4期地勘资料推测该区段围岩与掌子面相近㊂在掌子面前方200~420n s 的区段内(电磁波波速0.1m /n s ,视深度10~21m ),对应桩号D K 54+742~D K 54+753的范围,掌子面前方有多组明显的电磁反射波,同相轴局部连续,振幅较强,频率中等偏低㊂结合地勘资料,初步判断此区段围岩较掌子面变差,节理裂隙发育,岩体破碎㊂且在D K 54+745~D K 54+753区段,有溶洞发育,溶洞边界非常清晰;溶洞首先在掌子面右侧揭露,且该溶洞可能有水填充,开挖至该桩号附近时应注意防范突水突泥等地质灾害㊂在掌子面前方420~600n s 的区段内(电磁波波速0.1m /n s ,视深度21~30m ),对应桩号D K 54+753~D K 54+762的范围,电磁反射波振幅较小,频率以中高频为主,推测该段围岩较前段围岩完整性稍好㊂结合槐树店隧道具体开挖情况来看,基于地质雷达的超前地质预报结果与实际情况一致㊂进口掌子面开挖至D K 54+745时,掌子面右侧揭露一溶洞,溶洞中有股状水流,溶洞揭露部分宽度约3.5m ㊂5 结 论考虑到宜昌山区多为岩溶地质构造,采用对岩溶地层溶洞与岩溶水具有较好识别能力的地质雷达方法,对新建当阳至远安支线铁路槐树店隧道D K 54+732~D K 54+762里程段进行了超前地质预报㊂结果表明,地质雷达法在预报溶洞灾害等方面具有优势,成功预判槐树店隧道掌子面前方D K 54+745~D K 54+753区段存在溶洞㊂参考文献[1] 黄 陈,陈 谊.山区公路路线设计的特点与策略探讨[A ].2020万知科学发展论坛论文集(智慧工程二)[C ].西安:中国智慧工程研究会智能学习与创新研究工作委员会,2020:715-723.[2] 叶林海,陈修和,李 诚.安徽省高速公路隧道照明节能的实践与思考[J ].中国交通信息化,2011(4):105-107.[3] 许崇帮,王华牢.杜公岭隧道工程地质特征及工程危害性分析[J ].公路交通科技,2019,36(8):93-99.[4] 洪卫良.基于T S P 地震波法的长大隧道不良地质探测[J ].土工基础,2012,26(1):60-62.[5] 吴 俊,毛海和,应 松,等.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(S 1):154-157.[6] 聂利超,李术才,刘 斌,等.隧道激发极化法超前探测快速反演研究[J ].岩土工程学报,2012,34(2):222-229.89建材世界 2022年 第43卷 第4期。
地质雷达（GPR）在超前地质预报中的应用李耀
地质雷达（GPR）在超前地质预报中的应用李耀发布时间：2021-04-06T10:46:55.007Z 来源：《建筑科技》2021年1月上作者：李耀[导读] 对于地质条件复杂的隧道工程，隧道施工涉及到工程的安全性、质量、成本和进度。
隧道的地质超前预报的应用十分广泛，预报方法很多。
其中地质雷达的优点是扫描速度快、重量轻、分辨率高、屏蔽效果好、图像直观、对施工和跟踪的影响小，并在使用过程中积累了大量的工程测量数据和图像分析经验，近年来已广泛用于建筑检查和地质预测中。
上海勘察设计研究院（集团）有限公司青岛分公司李耀青岛 266199摘要：对于地质条件复杂的隧道工程，隧道施工涉及到工程的安全性、质量、成本和进度。
隧道的地质超前预报的应用十分广泛，预报方法很多。
其中地质雷达的优点是扫描速度快、重量轻、分辨率高、屏蔽效果好、图像直观、对施工和跟踪的影响小，并在使用过程中积累了大量的工程测量数据和图像分析经验，近年来已广泛用于建筑检查和地质预测中。
根据地质雷达预报的基本原理，将地质雷达用于隧道超前预报，可以采取有效的预防措施确保隧道施工的安全性，并且预报精度高。
关键词：地质雷达（GPR）；超前地质预报；隧道；探测引言地质超前预报是为了预测和预报隧道开挖过程中的围岩坡度以及隧道前方的不良地质状况。
超前地质预报通常使用许多物理勘探方法，它们的分类也不相同。
传统的地质素描方法和物理勘探方法是当今隧道建设中常用的超前地质预报方法。
传统的地质素描方法包括超前试验坑法，正洞地质草图，水平超前地质勘探等。
物理勘探方法包括TSP-203，GPR，声学测试，地震反射法和红外水质勘探等。
其中，GPR已成为地下工程中常用的一种先进的地质预测方法。
GPR广泛用于工程质量检查，现场勘测和隧道超前地质预报。
其特点是操作方便、分辨率高、预测距离短，并且对电磁干扰的敏感性较高。
1.隧道综合超前预报技术分析我国有多种先进的预测方法，每种预测方法具有不同的特点，在这种情况下，有必要通过在实际应用过程中完美结合隧道施工条件，创造出一种科学合理的方法。
地质雷达法在隧洞超前预报中的应用
地质雷达法在隧洞超前预报中的应用发表时间：2019-12-24T09:39:52.777Z 来源：《城镇建设》2019年第22期作者：窦宝松[导读] 随着隧道施工技术的提高，对隧道施工期地质超前预报提出了更高的要求。
摘要：随着隧道施工技术的提高，对隧道施工期地质超前预报提出了更高的要求。
地质雷达因具有扫描速度快、操作简便、重量轻、分辨率高、屏蔽效果好、图像直观等优点得到了广泛应用，近年来也被用于隧道超前预报。
本文结合某工程实例就地质雷达在隧道超前地质预报进行一些探讨。
关键词：隧道，地质雷达，超前探测1 引言随着2011年中央1号文件《中共中央国务院关于加快水利改革发展的决定》的发布，推动了我国水利事业的快速发展。
南水北调工程的西线工程与中线工程，大部位于我国西部山区，也将修建大量穿越山岭的超长大隧洞。
由于这些隧道、隧洞大都处于地下各种复杂的水文地质、工程地质岩体中，为了摸清和预知周围的水文地质和工程地质条件，隧道施工期地质超前预报显示出越来越重要的作用。
隧道地质超前预报因为技术要求高、难度大、观测条件受限而成为疑难问题，而含水性的预报又是难中之难[1]。
目前常用的超前预报方法主要有：地质分析预报法、TSP 法、地质雷达法、瞬变电磁法等。
本文结合福厦铁路某段山区隧洞工程，介绍地质雷达法在隧洞超前预报中的应用。
2 地质雷达基本原理地质雷达（简称GPR），是一种对地下的或物体内不可见的目标体或界面进行定位的电磁技术。
是一种对地下的或物体内不可见的目标体或界面进行定位的电磁技术。
其工作原理是：高频电磁以宽带脉冲形式，通过发射天线被定向送入地下，经存在电性差异的地下地层或目标反射后返回地面，由接收天线接收。
高频电磁波在介质中传播时，其路径、电磁场强度与波形将随所通过介质的电性特征及几何形态而变化。
故通过对时域波形的采集，处理和分析，可确定地下界面或地质体的空间位置及结构[2]。
一般，岩体、混凝土等的物质的相对介电常数为4～8，空气相对介电常数为1，而水体的相对介电常数高达81，差异较大，如在探测范围内存在水体、溶洞、断层破碎带，则会在雷达波形图中形成强烈的反射波信号，再经后期处理，能够得到较为清晰的波形异常图。
地质雷达在岩溶地区隧道超前预报中的应用
文章编号:1671-2579(2010)02-0185-03地质雷达在岩溶地区隧道超前预报中的应用常铮(贵州大学资源与环境工程学院,贵州贵阳 550003)摘 要:贵州地处溶蚀发育山区,在隧道施工中经常遭遇地质灾害,为了保障施工安全,在隧道开挖的同时需要进行超前地质预报。
笔者结合贵州省某三车道小间距隧道中的雷达应用实例,介绍了地质雷达的工作原理及其在隧道超前预报中的应用和技巧。
关键词:地质雷达;隧道;超前预报;地质灾害收稿日期:2009-10-25基金项目:贵州大学自然科学青年科研基金项目(编号:2007047);贵州大学资源与环境工程学院青年教师科学技术基金项目(编号ZH Y0804)作者简介:常铮,女,硕士,讲师.E -mail :a2000908@ 地质雷达探测具有分辨率高、定位准确、快速经济、灵活方便、剖面直观、实时图像显示等优点,近年来在公路路基检测、隧道超前预报、衬砌厚度检测、工程地质与水文地质工作等方面,发挥着越来越重要的作用。
美中不足的是由于岩土层对电磁波的吸收较大,导致地质雷达的探测距离较短,因此雷达更常用于工程检测方面。
但在岩溶发育山区,容易发生涌水事故,含水性的预报又是难中之难,而地质雷达在探测地下水方面有其独到之处,加之岩溶山区隧道开挖的推进速度较慢,用雷达进行地质超前预报,完全可以满足施工需求。
在实际工程应用中,地质雷达对岩溶发育预报的准确性,也受到了相关单位的普遍认可,值得研究与推广。
1 地质雷达工作原理地质雷达是利用高频电磁波束在界面上的反射来探测目的物的,当电磁波在传播过程中遇到不同的波阻抗界面时,将发生反射和透射。
探测过程中影响电磁波传播规律的关键指标是介质的电导率和介电常数。
简单地说,电导率决定了电磁波在该介质中的穿透深度,电导率越大,穿透深度越浅,当掌子面前方含 以上结果表明,地质雷达检测结果与抽芯结果基本吻合,地质雷达检测结果可以有效地控制隧道施工质量,及时消除质量隐患。
地质雷达技术在隧道施工地质超前预报中的应用
Ｇ Ｒ是 一种 无 损 探 测 技术 ， 带 方 便 ； 其 它 Ｐ 携 与 地 球物 理方法 相 比 ， 分辨率 高 、 测和数 据处理 速度 探
和安南 （ ９ ９ ） 。利 用雷达发 射天 线 （ ｘ 向隧底 １８ ） … Ｔ）
ｔ＝ ７４ ＋ｘ ／ ／ｚ ２ｖ
，
（） １
Ｇ Ｒ） 一种 高分辨率 的地球 物理探 测技术 ， Ｐ 是 以其经
式 中 ： 反射体 深 度 ； 为接 收 天线 与反 射 天线 的 为
距离 ； 为地质 雷达发 射 的电磁波 波速 。 （） ２ 电磁 波在介 质 中的传播 速度 ：
（ ２ ５ ． Ｉ 。隧 道 最 大 埋 深 ３ ６ ６ ， 道 设 长 ８ ０Ｉ） ７ Ｙ １ ．０ｒ 隧 ｎ 计成 型 宽 １ ． ５ｍ， ７ ５ ０ ７ 高 ． ７ｍ。
３ ２ 地 质 概 况 ．
２ｏ ０
Ｉ ｏ０
扎 营 山隧道 穿越地 质 地层 岩性 为 ： １ 覆 盖层 ， （） 为第 四系残 坡 积层 （ 川 ） 岩 性 为 紫 红 、 黄 、 Ｑ ， 褐 褐
３ 超前 预 报工程 实例
３ １ 工 程 概 况 ．
Ｏ
测线 长 度 ， ｍ
Ｏ １ ２ ３ ４ ５ ６ ７ ８ ９
扎 营 山隧道 位于 贵州 省六 盘水 至盘 县高 速公 路 上 的一段 ， 分离 式单 向高 速公 路 隧道 ， 计 左 幅隧 为 设 道起 讫 桩号 为 Ｚ ６ ２０一 Ｋ ０＋ ５ （ ２ ３． ） Ｋ ８＋ ２ Ｚ ７ ９５ 长 ７５０ｉ ； ｎ 设计 右 幅隧道 起讫 桩 号为 Ｙ ６ ２ ５～Ｙ ７ ９ ３ Ｋ ８＋ １ Ｋ ０＋ ７
地质雷达在公路隧道超前地质预报中的应用
地质雷达在公路隧道超前地质预报中的应用摘要：从地质雷达预报的基本原理出发，采用地质雷达进行隧道超前预报，提前采取有效的防范措施，确保隧道施工的安全是可行的，且具有较高的预报精度。
关键词：地质雷达；超前地质预报；隧道；探测引言：在隧道施工中，尤其是地质条件复杂的隧道工程，它关系到工程的安全、质量、成本和进度。
隧道地质超前预报由来已久，超前预报的方法也有很多，地质雷达具有扫描速度快、重量轻、分辩率高、屏蔽效果好、图像直观、对施工影响小和可跟踪施工全过程等优点，并积累了大量的工程实测数据和图像分析经验，近年来在施工检测及地质预报中得到了广泛应用。
1、地质雷达的工作原理探地雷达依据电磁波脉冲在地下传播的原理进行工作。
发射天线将高频（100～800MHz 或更高）的电磁波以宽带短脉冲形式送入地下，被地下介质（或埋藏物）反射，然后由接收天线接收。
根据电磁波理论，当雷达脉冲在地下传播过程中，遇到不同电性介质交界面时，由于上下介质的电磁特性不同而产生折射和反射。
在对接收天线接收到的雷达波进行处理和分析的基础上，根据接收到的雷达波形、强度、双程时间等参数便可推断地下目标体的空间位置、结构、电性及几何形态，从而达到对地下隐蔽目标物的探测（如图1 所示）。
2、地质雷达应用技术方法2.1 雷达预报原理地质雷达的试验原理为由控制单元向地层发射一组以某一频率为中心的高频电磁波，在传播的过程中，电磁波遇到不同电磁性介质分界面时，一部分电磁波能量会转换成反射波返回地面，另一部分能量则透过界面继续向前传播，再次遇到界面时，又有一部分电磁波产生反射返回地面。
2.2 地质雷达地质预报技术2.2.1 雷达地质预报长度的确定预报长度的长短同电磁波在岩体中传播的特性密切相关，根据波的传播原理，电磁波在坚硬均匀完整性好的的岩体中传播时，其透射能力较强，当其遇到介电常数相差较大的岩层界面时，电磁波的反射系数较大，天线接收器接受的信号就越强，预报长度可适当放长。
地质雷达技术在地质超前预报中的应用
地质雷达技术在隧道地质超前预报中的应用摘要地质雷达技术已广泛应用于铁路、公路、水电等大型工程的地质勘探、隧道的地质超前预报和工程质量检测。
地质雷达可以准确预报隧道掌子面前方20—30m的围岩地质变化情况，为安全快速施工提供依据。
本文通过武汉—广州铁路客运专线五尖大山隧道进口地质超前预报的一次应用实例，详细介绍了地质雷达在隧道地质超前预报工作中的应用，具体阐述了地质雷达的基本原理、数据采集、数据处理、解释结果，并和围岩实际开挖情况做了对比分析。
关键词地质雷达技术五尖大山隧道地质超前预报1. 前言自上世纪八十年代中期，我国引进地质雷达这种先进的无损检测技术以来，地质雷达已广泛应用于铁路、公路、水电等大型工程的地质勘探、工程质量检测和隧道的地质超前预报等工作领域。
对于长大隧道的开挖，进行地质超前预报很有必要，特别是地质情况复杂的隧道，在开挖前进行地质超前预报，探明掌子面前方的地质变化情况，并根据随时变化的地质情况及时调整施工方案和各类支护参数，使施工单位对前方的地质情况做到心中有数，提前进行必要的安全、技术、人力、物资和设备储备，及时采取有效的技术措施和安全措施，才能在隧道施工中有效避免塌方、涌水、泥石流等严重性地质灾害。
我们在2006年使用地质雷达对武汉—广州铁路客运专线五尖大山隧道掌子面前方地质情况进行了多次地质超前预报。
任务要求：超前探测隧道掌子面前方地质变化情况。
2．地质雷达工作原理简介地质雷达（Ground Penetrating Radar ，简称GPR）方法是一种用于探测地下介质分布的广谱（1MHz—1GHz）电磁技术。
地质雷达用一个天线发射高频电磁波，另一个天线接收来自地下介质界面的反射波（如下图所示）。
通过对接收的反射波进行分析就可推断地下地质情况。
地质雷达反射探测原理图根据波动理论，电磁波的波动方程为：P = │P│e-j（αx-αr）﹒e-βr (1)（1）式中第二个指数-βr是一个与时间无关的项，它表示电磁波在空间各点的场值随着离场源的距离增大而减小，β为吸收系数。
地质雷达在隧道超前地质预报中的应用
其进行地质雷达衬砌后 围岩探测 。
２地 质 雷 达 超 前 预 报 探 测
２ ． １ 地质雷达探测原理
探地雷达与探 空雷达技术相似 ． 也 是 利 用 高 频 电 磁 脉 冲波 的反 射 来 探 测 目标 体 ． 是 通 过 对 电磁 波 在 地
作 者简 介 ： 吴 小波 （ １ ９ ８ ２ － ） ， 研 究方 向为 隧道及 地 下工程 。
收 稿 日期 ： ２ ０ １ ５ — ０ ３ ． ０ ２
（ １ ）
式 中． 为 两 天 线 的 间 距 ： 为 反 射 点 的法 线 深 当地 下 介 质 的 波 速 Ｖ为 已知 时 ． 则 可 根 据 天 时 ｔ ， 求 出 反射 体 的
１
ｗｗｗ． ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ｃ ａ ａ ａ ． ｃ ｏ ｍ 自动化 应 用
施 工 过 程 中 左 侧 拱 墙 中 部 存 在 大 量 裂 隙 水 发 育 及 出
图 ２ 反 射 探 测 原 理
水现象 ． 施工方 及时采取注浆封堵 等措施 ， 加强 支护 。
现 对 其 进 行 地 质 雷 达 探 测 隧 道 右 洞 采 用 台 阶 法 开 挖 ． 图 １为 右 洞 左 侧 Ｄ Ｋ ２ Ｏ ＋ ８ ４ Ｏ —Ｄ Ｋ ２ ０ ＋ ８ ３ ６范 围 内 上 台 阶 衬 砌 的 现 场 情 根据 图 ２ ． 回波 走 时 （ 电 磁 波 行 程所 需 时 间 ） 为： ｆ ＝ 、 ／ ｚ ＋ ／ ｖ 度： 为 电 磁 波 在 地 下 介 质 中 波 速 。
系 统 决 解 方 案
地质雷达在隧道超前地质预报 中的应用
吴 小 波
地质雷达在公路隧道超前地质预报中的运用
地质雷达在公路隧道超前地质预报中的运用摘要：在科学技术的发展背景下，公路隧道工程中的超前地质预报问题得以解决。
并且还在对公路隧道超前地质预报中所涉及到的技术及操作流程进行了解析，通过利用地质雷达原理，分析出隧道工程超前地质预报的数据，作业人员会根据采集到的数据进行制定准备计划，以此加快公路隧道的作业。
本文主要针对地质雷达在公路隧道工程超前地质预报中体现的作用进行简单的分析，还简单介绍了地质雷达在公路隧道作业中的技术体现，希望可以为今后公路隧道工程工程作业提供便利。
关键词：地质雷达；公路隧道；超前地质预报；探究前言众所周知，我国高速公路上隧道路段较为常见，这都是在科学技术的发展推动下得以快速发展，充分说明了科技技术的发展大大加快了我国交通事业的发展进程。
近年来，隧道工程作为公路建设中实施操作较难的一项作业，再加上不同地质所涉及到的岩石属性都是不同的，这也就意味着会给公路隧道工程作业造成一定的施工难度。
进而，可以使用地质雷达技术对隧道建设进行数据采集分析，通过数据可以制定出最佳的施工方案，从而加快公路隧道的着整体建设进度，提高了工作的效率。
1地质雷达技术的超前地质预报特征在建设公路隧道期间，隧道施工过程中会遇到崩塌、岩溶断层破碎和地下水量过大等负面因素，而这些因素极有可能会造成事故，阻碍施工进度。
进而，需要在建设公路隧道前期，最好勘探准备工作。
但是往往因为条件及技术方面的因素，对隧道勘探准备工作造成影响，导致隧道内的实际情况与勘探的结果相差较大。
基于此，隧道超前地质预报工作对于公路隧道施工而言尤为重要，而针对地质雷达方面的技术有很多。
例如最为传统的地质雷达成像技术，会以图像的形式与实际情况进行相对比，而这一技术对于勘探隧道工作而言有着非常重要的作用；但是，该地质雷达技术在成像方面仍有待提高，相比与实际情况还存在一些差距，再就是如何根据图像显示来区分识别地质现象等问题，都需要进一步更新完善。
而当前的地质雷达勘探技术相比以往传统的勘探技术而言，地质雷达技术可以通过高频电磁波，利用电磁波的反射原理进隧道内的数据进行采集处理，再根据数据生成内部图像，从而精准的判断出隧道内的地质情况，从而加快公路隧道施工的进程。
地质雷达在隧道超前预报中的应用
地质雷达在隧道超前预报中的应用曾爱霞杨峻摘要：隧道开挖掘进过程中常遇到不良地质体，需要提前进行预报。
以王子石隧道为例，研究断层破碎带、富水带、裂隙密集带等不良地质体在地质雷达图像中的显现特征，论证了地质雷达探测结果的可靠性。
关键词：地质雷达；不良地质体；超前预报1 前言在隧道施工中，由于前方地质情况不明，常遇到不良的地质因素，如断层、破碎带、溶洞、暗河等。
一般地面测绘所遇到的这类地质现象仅为地下开挖时所遇到的1%～9%，因而隧道施工的危险性很大[1]。
若能准确地在隧道掘进中提前了解掌子面前方岩性结构的变化情况，可及时合理地安排掘进进度，修正施工方案，安排防护措施，避免险情发生。
地质雷达技术被应用于隧道工程的地质超前预报中，它具有速度快、成本低及分辨率高等特点，因此具有广泛的应用前景。
2 隧道超前地质预报的雷达探测理论地质雷达是一种无损探测仪器。
地质雷达方法是一种用于确定地下介质分布的广谱(1MHz-1GHz)电磁技术。
它依据电磁波脉冲在地下传播的原理进行工作，电磁波脉冲由发射天线T发出，被地下介质介面（或埋藏物）反射，由接收天线R接收，见图2-1，然后将这王子石隧道隶属于沪蓉国道主干线湖北宜昌-恩施公路第一合同段，它位于宜昌市长阳县龙舟坪镇王子石村，呈近东西向展布，隧道地处构造溶蚀、侵蚀低山地貌区，山体总体呈北西向条形展布，沿隧道轴线总体呈东西高、中间低的特征，地面高程在230m~342m之间，最大相对切割深度212m。
隧道进口地形上表现为较陡斜坡，地形坡度在20°~40°左右；出口处地形陡峻，为近于直立的陡崖，垂直切割高度最大在70m以上；山坡植被较发育，进出口洞的冲沟边缘均分布有零星居民点。
隧道区地质构造较复杂，有断裂构造带通过且有岩溶发育；隧道区岩层产状总体上在195°~203°∠70°~84°之间，仅在隧道右线进洞口段岩层产状不同，其产状为5°∠42°。
地质雷达在引水隧洞施工超前预报中的应用
・
波 、反褶 积 、偏 移归 位处 理ｌ－ ６ ７。数字 滤波就 是用 Ｊ
１ ・ Ｏ
小水电 ２１年第 ５ （ ００ 期 总第 １ 期） ５ ５
技术 交流
醋 入射 波 （ 自到黑 ） 从
反射波
Ｌ 扫 天 描Ｉ
（ 从黑到 白
图 １ 地质雷达探测原理
当沿着被 测物体 表 面 同步 、连续 移动 发射和 接
收天线 时 ，使 得反射 波 反复重 叠 ，根 据反 射波 的波
形 和强 度特征 ，得 到其 内部介 质 的剖 面 图形 ，结合 多 条测 线 的探 测 ，可 以了解 目标体 的平面分 布情 况
（ 图 １。 见 ）
地质 雷达 的数据 处理 方法 主要包括 预处 理 、滤
１ 地质雷达超前预报原理
地质 雷达 是利用超 高频 窄脉 冲 电磁 波探测 隐蔽
面前方 的地 质状况 ，并 进行 围岩稳 定性分 析 ，为隧
道动态施 工 和采取 有效措 施 预防突 发工程 地质事 故 提供科 学依据 ｌ 。 地 质超前 预报 主要分 为直 接法 和间接法 ［ 。直
挖 面 的岩 石温度 ，寻找不 同于正 常红 外辐射 场 的温
式 中，ｄ为 目标 体 深 度 （１ ； Ｖ为 电磁 波 在 ｎ）
度 异 常 点 ，根 据 异 常 点 的 分 布 规 律 探 查 含 水 构 造 ＿ ，探 测距离 短 ，对于 水量大 小 、水 体宽 度及具 ３ Ｊ
介 质 中的传播 速度 （ ／ｓ ； Ｔ为 记 录 的反 射 电 磁 ｒ ｎ） ｎ 波双程 走时 （ｓ；Ｘ 为发 射 天 线 与 接 收天 线 之 间 ａ）
地质雷达在隧道施工超前地质预报中的应用
地 质雷达是 利用 高频 电磁 脉 冲波 的反 射来 探 测 目
的体 ， 过发射 天线 向地 下或 目的体发射 高频宽 带短 它通
脉 冲电磁 波 ， 地下 地层 或 目的体反 射后 返 回地 面 ， 经过
为接 收天线所接 收 。电磁 波在 介 质 中传播 时 ， 路 径 、 其
坪子 头隧 道 位 于 贵州 省水 盘高 速 某 合 同段 ， 隧道
Ｚ ２ －８ ～Ｋ３ ２ ０ ＹＫ ＋８ ０ ＹＫ３ ２ ０为 小 净 Ｋ ４８０ ＋ ５ ， ２ ８ ＋ ６
１ ～ ３ ０ ０ ×１
４ ０ ０ ．１
ＯＯ ．１
３２ ．
距 线 ４ ～１ 为分 ｄ～～１Ｏ５ 其 离式 ，线∞ ＋８走 向 一，９间距一０．７ｍ×５１一 隧道ＺＫ２ 线８ ～ ６， Ｏ ２２ｍ， 余ＯＯ ０ ～一其 中左 洞轴 一 １ ．０ １ 约 １ 。净空 １． ｍ， Ｚ ＋９２全长 ２９ｍ； Ｋ４ ７ ， ０２ 右线 ＹＫ２ ８０ ＹＫ５ －０ ， ＋ ８ ４０４
应 用为例 ， 通过 对地质 雷达 图像 的研 究、 分析 ， 以及对 照隧道 掌子 面开挖后 的地质 情况 ， 明地 质 雷达 说 是 隧道施 工超 前地质预报 的一 种快捷有 效 、 实用性 强的方 法， 对隧道施 工具有较好 的指导作 用 。
关键 词 ： 地质 雷达 ； 隧道施 工 ； 超前 地质预报
】０ ４
西 部探矿工 程
２ １ 年第 ４ ０１ 期
地 质 雷 达 在 隧 道 施 工 超 前 地 质 预 报 中 的 应 用
李 盼 ， 黄仁东 ， 杨 光 ， 杰 李
（ 中南大 学资源 与安全工 程学院 ， 湖南 长沙 ４０ ８） １０ ３
地质雷达在隧道超前地质预报中的应用
Ｕｎ ｉ ｔ ｅ ｄ Ｓ ｔ ａ ｔ ｅ ｓ ＧＳ Ｓ Ｉ ｃ ｏ ｍｐ ａ ｎ ｙ ｉ ｎ Ｚ ｈ ｕ ｇ ａ ｉ ｓ ｈ ａ ｎ ｔ ｕ ｎ ｎ ｅ ｌ ａ ｄ ｖ ａ ｎ ｃ ｅ ｇ ｅ ｏ ｌ ｏ ｇ ｉ ｃ ａ ｌ ｆ ｏ ｒ ｅ ｃ ａ ｓ ｔ ｉ ｓ ｍａ ｄ ｅ ．Ａｃ ｃ ｏ ｒ ｄ ｉ ｎ ｇ ｔ ｏ ｈｅ ｔ
Ｃ ＨＥ Ｎ Ｇ Ｓ ｈ ｕ ａ ｉ — ｒ ａ ｎ ， Ｚ Ｈ Ａ Ｎ Ｇ Ｑ ｉ ｎ ， Ｃ Ｈ Ｅ Ｎ Ｓ ｏ ｎ ｇ （ Ｓ ｃ ｈ ｏ ｏ ｌ ｏ ｆ Ｅ ａ ｒ ｔ ｈ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ａ ｎ ｄ Ｅ ｎ ｇ ｉ ． ， Ｈｏ ｈ ａ ｉ Ｕ ｎ ｉ ｖ ． ， Ｎ ａ ｎ ｊ ｉ ｎ ｇ ２ １ ０ ０ ９ ８ ，Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
术 参数的确定原则进行介绍 。其次 ， 采 用美 国 Ｇ Ｓ Ｓ Ｉ 公司 Ｓ Ｉ Ｒ一 ２ ０型地 质雷达在 竹盖 山隧道 进行 地质 超前 预报 。 通过对探测数据 和地质 雷达扫描 图像 的研究 、 分析、 以及 同隧道掌 子面实 际开挖地质情 况 的对 照 ， 说明地 质雷达 是隧道施工超前地质 预报 的一种安全 、 有效的方法 ， 其 实用性强 ， 对隧道施工具有较好 的指 导作 用。
【 关 键词 】 隧道工程 ； 超前地质 预报 ； 地质雷达 ； 应用 【 中图分类号 】 Ｕ ４ ５ ６ ． ３ 【 文献标识码 】 Ｂ
【 文章编号 】 １ ０ ０ １ — ６ ８ ６ ４ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ９ — ０ １ ０ ６— ０ ３
ＡＰ Ｐ ＬＩ ＣＡＴＩ ｏＮ ｏＦ ＧＲｏＵＮＤ Ｐ ＥＮＥＴＲＡｒ ｌ ［ ’ Ｉ ＮＧ ＲＡＤＡＲ Ｔｏ ＧＥｏＬｏＧＩ ＣＡＬ Ｆ ｏＲＥＣＡＳ Ｔ ＦｏＲ ＴＵＮＮＥＬ ＣｏＮＳ Ｔ ＲＵＣ ｎ ｏＮ
地质雷达技术在隧道超前预报中的应用
第 ２ 卷第 ３期 １ ２０ ０ ７年 ６ 月
土 工 基 础
Ｓ ｉ Ｅｎ ． ｎ ｏ ｎ ａ ｉ ｎ ｏ ｌ ｇ ａ ｄ Ｆ ｕ ｄ ｔｏ
Ｖｂ ． ＮＯ． １ ２１ ３
Ｊ ｎ． ０ ７ ｕ ２ ０
地 质 雷 达 技 术 在 隧 道 超 前 预 报 中 的 应 用
软 弱破 碎 ， 在 Ｋ３ ５ 处 掌 子 面右 上 部 出现 两 涌 且 ＋８ ８ 水 孔 ， 中析 出橙 色絮状 物 ， 水 涌水量 为 ７Ｌ Ｓ ／ 。
左 一 掌子面 一 右
对 时域 波形 的采 集 、 理 和 分 析 ， 以 确 定 地 下 界 处 可
面、 地质 体 的空 间位 置及 结构 。
周 俊锋 基 李 前 国 ，刘 ，
（． 海 市 公 路 局 斗 门分 局 ， 海 ５ ９０ ；２ 广 东 核 力 工 程 勘察 院 ， 州 ５ ００ ） １珠 珠 １１０ ． 广 １８ ０
摘
要 ： 隧 道 施 工 中 ， 道 周 围及 工 作 面 前 方 的 工 程 地 质 和 水 文 地 质情 况 与 隧 道 施工 的质 量 和安 全 关 系 密 切 ， 在 隧 若
充 分 应 用 先 进 的 地 球 物理 技 术 预 报 隧 道 前 方 工 程 地 质 情 况 ， 可 以有 效 地 避 免 事 故 的 发 生 。介 绍 了 地 质 雷 达 技 术 就 在 隧 道 地 质 超前 预 报 中 的应 用成 果 。 关键词 ： 质雷达 ， 地 隧道 地 质 超 前 预 报 ， 术 应 用 技 中图 分 类 号 ： ５ Ｕ４ ５ 文 献 标 识 码 ：Ｂ 文 章 编 号 ：１０ —１２ ２ ０ ）３０ ２ —３ ０ ４３ ５ （０ ７０ —０ ８０
地质雷达在隧道超前地质预报的应用
式 中 ： 一 勘 查 目标 体 的 埋 深 ； ｘ 发 ｚ 一 射 、 收 天 线 的 距离 （ 中因 ｚ ｘ， 接 式 ＞ 故ｘ可 忽 略 ）ｖ 电 磁 波 在 介 质 中 的传 播 速度 。 ；一 ２ 电 磁 波在 介质 中 的 传播 速 度 ）
２ 基 本 原 理 ．
地 质 雷 达 与 探 空 雷 达 相 似 ， 用 高 频 利 电磁 波 （ 频 为 数 十 至 数 百乃 至 数 千 兆 赫 ） 主
３ 典 型 地 段 超 前 预 报 实 例 分 析 ．
现 场 采 用 瑞 典 Ｍ 地 质 雷 达 ＡＬＡ （ ＡＭＡＣ Ｇ Ｒ） 行探 测 ， Ｒ ／Ｐ 进 主机 为 Ｃ ＵⅢ， 采 用 的 主要 技 术参 数 为 ：０Ｍ Ｈ 屏 蔽 天线 ； １０ ｚ 天 线 间距 ０ ５ 记 录 时 间 、 加 次数 和 采 样率 ．ｍ。 叠 根 据 实 际 情 况 做 适 当 调 整 。 据 实 际情 况 ， 根 采 用 点 测 和 连 续 扫 描 两 种方 式进 行探 测 。 １ 软 弱 夹 层 的 探 测 ） 所 谓 软 弱 夹 层 是 指岩 体 中那 些 性 质 软 弱 、 一 定 厚 度 的软 弱 结 构 面 或 者 软 弱 带 。 有 按 成 因分 为 原 生 软 弱 夹 层 、 造 及 挤 压 破 构 碎带 、 化 夹 层 及 其 他 夹 泥 层 ， 泥 具有 高 压 缩 性和 强度低 的特征 。 在 某 隧道 Ｚ ４ ＋ ２ 掌 子 面探 测 时 ， Ｋｌ ５ ８ ０ 得 到如 图４ 示 的典 型 波 形 图 ， 图像 上 可 以 所 从 看 出 ， １ｍ范 围 内 同 相轴 不 连 续 ， 号 频 前 ０ 信 率 较 低 ， 值 较强 ， 掌 子 面 前 方 ｌ ｍ处 存 幅 在 ｌ 在 一 反 射 信 号 较 强 的多 次 震 荡 信 号 ， 电磁 波 衰 减 加 快 ， 合 具体 地 质 情 况 ， 测 前 方 结 推 ｌ 范 围 内岩 体 节 理 裂 隙 发 育 ， 掌 子 面 前 ０ 在 方 ｌ ｍ处 可 能存 在 一 软 弱 夹层 或 富 含 基 岩 ｌ 裂 隙水 ， 经 开 挖 证 实 ， Ｚ ４ ＋８０ 存 后 在 Ｋ１ ５ 处 ｌ 在 一 竖 向 强 风 化 结 构 面 ， 夹 泥 和 铁 锰 质 有 矿 物 充 填 ， 伴 有 侵 润 状 浸 水 ， 图５ 且 见 。 ２ 节理 密 集 带 的 探 测 ） 节 理 是 存 在 于岩 体 中的 裂缝 ， 岩 体 受 是 力 断 裂 后两 侧 岩 块 没 有 显 著位 移 的 小 型 断 裂 构 造 。 体 中 的裂 隙 ， 工 程 除 了 有 利于 岩 在原 理 图
公路隧道超前地质预报中地质雷达的运用
通过 TSP 了解到该隧道掌子面里程 YK325+907 前方 0~30 m 位置的岩体地质情况进行测线的探查，掌子面位置 自左向右、自右向左共布置二条测线，探测线长 7.4 m，在 进行时采用连续测法。
总结 ：根据本次 TSP 超前预报探测数据的分析情况了 解到，掌子面前方里程段 YK325+907-YK326+007 可能存 在溶洞溶蚀裂隙带。
转换装置 ；同步装置 ；分析软件。在配备好收发的天线或 者资料处理软件、计算机后，做好设备的工作流程和性能 指标工作。
技术指标工作的选择，时间窗宽度为 1 ns~2 000 ns ； 发射机脉冲重复率为 115 kHz ；最大扫描的频率为每秒保 持 56 次 ；每一扫迹样点数量为 512 ；增益的范围为指数时 间变量增益功能和用户选择的线性 ；可调增益控制的范围 为 0~80 dB，动态范围在 128 dB。
3 案例分析
3.1 工程的主要概况
该预报的隧道工程名称是 ：国家高速公路菏泽至宝鸡
地质雷达技术在隧道地质超前中的应用
地质雷达技术在隧道地质超前中的应用摘要：隧道修建过程中，由于地下岩石、水文等地质条件不明确，常常发生一些意外事故。
发生坍方、突然涌水等突发事故，不仅造成严重的人员伤亡，而且还使工期延误，及其设备损伤。
使隧道的修建困难重重。
还降低了隧道修建的经济效益。
因此，超前预测在隧道修建工程中非常重要。
它对隧道修建的工期，安全，质量，投资等有非常重要的作用。
地质雷达技术探测为隧道的修建提供有用的资料，减少隧道修建过程中的不安全因素，也是隧道能安全且快速修建的关键性因素。
关键词：地质雷达技术；隧道地质；应用Abstract:the tunnelconstruction process,because the undergroundrock,hydrologygeology conditionis not clear,someaccidentsoftenhappen.Occurrence ofaccidents such ascollapse,sudden inrush of water,not only causedserious casualties,but alsocausedelays,and equipmentdamage.Theconstruction oftunnelwithdifficulty.Also reducestheeconomic benefitsof tunnel construction.Therefore,advanced predictionintunnel constructionis very important.Thetunnel constructionschedule,safety,quality,investmentis very important.Geologicalradardetection technology intunnelconstructiontoprovide useful information,unsafe factors decreasedtunnelin the construction process,the key factorsaresafe andrapidconstruction of thetunnel.Keywords:geologicalradar technologyof tunnel geological;application;前言隧道超前预测现在越来越受到修建隧道工程实施的关注，其重要原因是隧道修建过程中安全问题越来越受到关注。
地质雷达在隧道施工地质超前预报中的应用
地质雷达在隧道施工地质超前预报中的应用摘要：地质雷达作为常用的物探手段之一，具有方便快捷、探测灵敏、施工可操作性强的特点，因此被大量应用于隧道施工地质预报的工作中。
以某高速公路隧道为例，将地质雷达应用于施工地质预报中，并得出探测结论，旨在积累预报经验，为类似工程提供借鉴与参考。
关键词：地质雷达，隧道施工，地质预报一引言地质雷达的工作原理为以高频电磁波传播理论为基础，用于探测地下介质分布的广谱电磁技术。
地质雷达仪器由一台外部便携式PC、控制单元、发射天线和接收主机组成，用光缆把控制单元与发射机和接收机相连，用通讯电缆把控制单元与计算机相连。
电磁波在地下介质中传播的波形、路径和电磁场强度取决于所通过介质的电性差异及几何形态。
根据接收到的电磁波波形、强度、双程走时等参数便可推断地下目标体的空间位置、结构、电性及几何形态从而达到对地下隐蔽目标物的探测。
本文选用瑞典MALA GEOSCIENCE AB公司研发的RAMAC 地质雷达，探测距离一般为20m[1]-[3]。
二工程概况2.1 项目概况东方山隧道位于鄂州市汀祖镇与黄石市下陆区东方山街道办。
隧道进口位于鄂州市汀祖镇上张村东方朔记念馆北西侧山坡；隧道出口位于黄石市下陆区东方山街道办陆柏林村。
隧道设计为分离式隧道，大致由北东往南西向展布，左幅全长2899m（ZK165+303～ZK168+202），坡度0.971%；右幅全长2931m （YK165+308～YK168+239）,坡度0.971%。
隧道洞室底板标高约106.5m～67.8m，最大埋深约343m，为长隧道。
设计隧道轴向约210°，洞门型式进、出口端均为削竹式，洞室有效净宽10.5m，有效净高5.0m。
2.2 地质情况隧道处于构造剥蚀丘陵地貌区，隧道轴线呈210°穿越东方山，山体走向为近东西向，地面高程在110m～450m之间，最大相对切割深度约150m。
隧道进、出口侧地形坡度较陡，自然坡角约为30～40°，坡面呈上陡下缓的阶梯状，植被较发育。
地质雷达在隧道超前预报中的应用
地质雷达在隧道超前预报中的应用摘要：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。
地质雷达技术在隧洞施工超前预报中应用
地质雷达技术在隧洞施工超前预报中应用利用高频电磁波以宽频带短脉冲的形式，由掌子面通过发射天线向前发射，当遇到异常地质体或介质分界面时发生反射并返回，被接收天线接收，并由主机记录下来，形成雷达剖面图。
由于电磁波在介质中传播时，其路径、电磁波场强度以及波形将随所通过介质的电磁特性及其几何形态而发生变化。
因此，根据接收到的电磁波特征，既波的旅行时间、幅度、频率和波形等，通过雷达图像的处理和分析，可确定掌子面前方界面或目标体的空间位置或结构特征。
当前方岩体完整的情况下，可以预报30m的距离；当岩石不完整或存在构造的条件下，预报距离变小，甚至小于10m.雷达探测的效果主要取决于不同介质的电性差异，即介电常数，若介质之间的介电常数差异大，则探测效果就好。
由于该法对空洞、水体等的反映较灵敏，因而在岩溶地区用得较普遍。
缺点是洞内测试时，由于受干扰因素较多，往往造成假的异常，形成误判。
此外它预报的距离有限，一般以不超过30m，且要占用掌子面的工作时间。
应用地质雷达进行超前预报，在钻爆法施工的隧洞中使用相对较多，如太平驿水电站引水隧洞、海南高速公路东线大茅隧洞等工程中应用，均取得了较好的应用效果。
由于探测时需要占用掌子面的工作时间，故在掌子面上测试时需要停机进行，因而TBM法施工的隧洞中应用时需作特殊研究解决。
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地质雷达在洞头上隧道超前预报中的应用
摘要：地质雷达以其实用性、高效率、可信度较高等的优点广泛应用于工程建设领域，本文以毕威高速洞头上隧道为工程背景，介绍地质雷达的工作原理以及在岩溶地区超前地质预报中的应用，同时指出了在超前预报中深度反演出现误差的原因。
关键词：公路隧道地质雷达超前预报岩溶反演深度
U459.2
1前言
洞头上隧道为毕节至威宁高速公路的一座分离式的双向四车道高速公路隧道。
全长335m，最大埋深104m。
场区处于云贵高原乌蒙山脉北段。
属构造剥蚀、溶蚀型低中山沟谷地貌类型。
覆盖第四系（Qe1+d1）黄褐色粘土，下伏基岩为二叠系下统茅口组（P1m）深灰色中厚～厚层状灰岩[1]。
围岩为强风化～中风化灰岩，节理裂隙发育，岩体破碎岩溶作用比较强烈，常会形成一系列溶井、落水洞等垂直形态的不稳定岩溶，及其在雨季集中降雨且降雨量大时极易引起岩溶突水突泥等现象，严重威胁施工安全。
可以说破碎和岩溶问题是灰岩地区隧道施工的主要威胁。
因此，做好洞头上隧道施工的超前地质预报工作，对预防隧道安全事故、减小施工风险有着十分重要的意义。
2地质雷达工作原理
雷达主要由控制器、发射与接收天线组成。
其工作原理为：电磁波以宽频带脉冲形式通过发射天线定向发射，电磁波在地下介质中传播，当遇到存在电性差异介质的界面时，电磁波便发生反射并在发射界面被接受天线所接收，如图1所示。
电磁波的传播取决于物体的电性,物体的电性有电导率μ和介电常数ξ，前者主要影响电磁波的穿透深度,后者决定电磁波在该物体中的传播速度。
隧道围岩均为非磁性介质,岩石破碎带、溶洞、断层裂隙、水等介质的介电常数有明显的差异，它们之间能形成良好的电磁波反射界面，探地雷达发射的电磁波脉冲向下传播遇到这些反射界面就会产生发射，反射后被接收形成的雷达剖面图像，经过分析可得到隧道掌子面前方目标体的分布情况。
图2.1 地质雷达工作原理示意图
根据记录到的反射波的到达时间和电磁波在介质中的传播速度，来确定反射界面或目标体的深度，其公式[2]见式2.1：
(式2.1)
其中：——发射天线和接收天线间距；——介质中的电磁波传播速度；
——反射波旅行时间。
3现场测试及结果分析
3.1现场测试
根据工程需要及地质雷达的探测能力，本次采用的设备为美国劳雷公司产的SIR-20地质雷达，配以100M天线，采用点测的方法。
由于掌子面操作场地狭窄及不具登高条件等因素，测线布置为沿掌子面横向，在能够操作的范围内布置两条测线，如图3.1所示。
在测试过程中,先沿横向自左到右按间隔约10cm停下采集一次数据的方法移动地质雷达天线，直至测线1采集完成，再自右向左以相同的方法移动采集测线2。
通两次雷达波形图的对比，直接判断仪器工作是否正常及减轻人的操作对信号采集的影响。
本次预报范围为右洞掌子面YK95+073前方37m(YK95+073～YK95+035)。
3.2资料分析
洞头上隧道右线YK95+073掌子面出露为二叠系下统茅口组（P1m）深灰色中风化厚层灰岩，产状为206°∠38°。
掌子面垂直节理一组发育，产状为256°∠85°，间距为10-30cm，节理面局部见充填黄色塑性粘土，地下水发育一般。
受溶蚀影响，掌子面岩体较破碎，稳定性较差。
易产生掉块、塌落等不良地质现象。
采用探地雷达进行探测，掌子面前方雷达探测资料如图3.2所示。
图3.1 YK95+073掌子面图3.2地质雷达测试综合成果图
从雷达波形图可以看出，在掌子面前方8～15m范围内，波形杂乱，同相轴错断17～21m范围有一条与隧道轴线斜交的电磁波突变带，界面发射强烈，其余段波形无明显变化。
由此可推断YK95+066～YK95+060段范围内，掌子面中部偏右侧节理裂隙发育，岩体整体性差且含水，呈碎裂结构；YK95+058～YK95+051段范围内，发育一斜条切隧道的溶蚀裂隙，岩体破碎，左侧溶蚀裂隙水发育，如图3.2所示。
根据地质预报结果，建议YK95+058～YK95+051段开挖时须预先做好超前支护，遵循短进尺、弱爆破的施工原则，施工过程中应尽量减少掌子面开挖对现出露岩溶充填物的扰动，以免掉块、塌陷甚至造成冒顶等安全事故。
4开挖验证及分析
2011年5月6日洞头上隧道开挖至YK95+059，掌子面右侧岩体破碎见斜切溶蚀裂隙带露头；2011年5月8日开挖至YK95+054，掌子面穿越溶蚀裂隙带，拱顶稳定性差、掉块严重，不时有流塑状泥质充填物涌出。
在超前地质预报预先发出后，施工单位预先采用针对性的超前支护，安全有序的通过该不良地质影响区域。
图4.1 YK95+059掌子面图4.2 YK95+054掌子面
但是，预报中在对目标体深度的判读上出现了1米左右的误差,这是因为掌子面前方地下水等对围岩的影响，导致电磁波在不同介质的传播速度差异较大，而地质雷达系统在后期数据处理时却按照统一的传播速度来处理，这是造成深度反演误差的最大原因。
5 结语
在施工过程中依靠地质雷达进行超前地质预报，保证了施工安全，在整个施工过程中从未发生因不良地质而引起的安全事故，确保了工程施工人员安全，及施工进度。
但为进一步提高地质雷达在隧道超前预报中的准确性和有效性，需要对不良地质条件下各种介质雷达波形的典型特征进行反复的研究，以提高地质雷达波形的判读能力。
参考文献：
[1]毕威高速公路第5合同段两阶段施工图设计贵阳：贵州省交通规划勘察设计研究院，2010.11.
[2]姜汶泉，刘亚玲，汪林平.地质雷达在公路隧道超前预报中的应用[J].地下空间与工程学报,2008,4(4):649-652.
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