地质雷达在绍诸高速公路隧道施工超前地质预报中的应用

地质雷达在绍诸高速公路隧道施工超前地质预报中的应用唐连权;张银金;周立波
【摘要】通过工程实例,阐述了地质雷达的基本原理及其数据采集分析工作,介绍了地质雷达在绍诸高速公路隧道施工超前地质预报中的具体应用.结果表明,地质雷达是一种操作简便、对施工干扰少的超前地质预报设备,结合隧道地质调查和隧道围岩观察能有效地预报隧道施工掌子面前方一定范围内的围岩地质情况,有效地保证隧道施工安全.
【期刊名称】《现代交通技术》
【年(卷),期】2010(007)002
【总页数】4页(P74-77)
【关键词】公路隧道;地质预报;地质雷达;围岩;掌子面
【作者】唐连权;张银金;周立波
【作者单位】江苏省交通科学研究院股份有限公司,江苏,南京,211112;江苏省交通科学研究院股份有限公司,江苏,南京,211112;江苏省交通科学研究院股份有限公司,江苏,南京,211112
【正文语种】中文
【中图分类】U452.12
1 地质雷达超前地质预报工作原理
公路隧道设计的基本依据是隧道工程地质勘察报告，而隧道施工的基本依据是隧道
施工设计图［1］。

由于客观地质条件的复杂性和多样性，受勘察手段、勘察技术水平的局限性和经费、工期、地形条件等各方面因素的制约，通常隧道工程地质勘察报告和隧道实际地质情况不能完全吻合，有时偏差很大。

因此，在公路隧道施工过程中，由于掌子面前方地质情况不明，在掘进开挖过程中往往出现塌方、突水、突泥等险情。

近年来，随着地球物理探测技术的提高，地质雷达探测技术被应用于公路隧道施工中的超前地质预报，取得了较好的效果。

地质雷达利用无线电波检测地下介质分布和对不可见目标或地下界面进行扫描，以确定其内部形态和位置的电磁技术，其理论基础为高频电磁波理论，利用高频电磁波以宽频带短脉冲形式由地面通过发射天线送入地下，经地下不连续体或目标体反射后返回地面为接收天线所接收，反射电磁波经过一系列的处理和分析之后可以得到探测介质的有关信息（比如：节理、裂隙、断裂等解译）［2］。

2 地质雷达在实际操控中的参数选取和图谱解释的相应原则
2.1 重要参数选取［3］
测量类型：geophysical surveys Config（uration）Name；天线类型：100 MHz；Samp/Scan采样点数/扫描：512；Scans/Sec（扫描/秒）：153；DielConstant介电常数：元宝山隧道取12（全-强风化凝灰岩），古博岭隧道（弱风化凝灰质砂岩、泥质粉砂岩）取7，横山隧道（潮湿强-弱风化晶屑凝灰岩）取10；自动增益级别：0.5。

2.2 图谱解释的相应原则
（1）全风化岩石：岩体极破碎不完整，多风化成泥质含量高的砂土状。

地质雷达波阻抗连续性差，介质电磁波高频反射信号很微弱，这是由于含泥质成分对高频信号强烈吸收造成的，以低频反射为主，这种类型数据的图谱分析，主要集中在中低频附近，而波数域范围较窄。

（2）强风化岩石：岩体破碎不完整，多风化成碎块状和少量块状。

地质雷达波阻抗连续性断断续续，这是由于破碎岩石之间的相互干涉造成的散射现象，但是波的频率成分没有出现奇变，较单一，这种类型岩层对电磁波散射严重。

这种类型的数据的图谱分析，主要集中在80 MHz附近，而波数域范围较广，说
明该部位的信号受到岩体吸收影响较小，极大拓宽了波数域的范围，由于低频成分也表现出一定的能量，初步能反映出该处岩体较破碎。

（3）弱风化岩石中的破碎带（断裂带）：地质雷达波阻抗连续性较差，这是由于破碎带（断裂带）的岩石破损严重，破坏了波阻抗的连续性，但波的频率成分没有出现奇变，较单一，这种类型破碎带（断裂带）对电磁波高频能量吸收少，由于破碎带（断裂带）范围较小，因此散射现象不明显。

这种类型的数据的图谱分析，主要集中在80 MHz附近，而波数域范围较窄（相对破碎带），说明该部位的信号
受到岩体吸收影响较小，散射不明显，由于低频成分也表现出一定的能量，初步能反映出该处岩体较破碎［4］。

3 地质雷达在隧道超前地质预报中的具体应用
在隧道施工超前地质预报过程中，现场探测采用美国劳雷公司生产的SIR20型地
质雷达，运用100 MHz天线采用点测（Point）方法进行探测。

本文选取几个代
表性的断面进行预报和图像分析。

3.1 元宝山隧道左洞
（1）隧道掌子面地质情况和地质雷达探测布线
掌子面里程为ZK21+282。

掌子面上部为全风化凝灰岩，厚5 m，灰黄色，风化
呈含少量砂粒的粘性土状，局部残留少量原岩碎块；下部为强风化凝灰岩，厚3～5 m，灰黄、浅灰、暗紫色，风化强烈，节理裂隙极发育，裂面见铁锰质浸染，岩体破碎，呈碎块状和少量块状；地下水主要为松散孔隙水和基岩裂隙水，水量贫乏，隧道开挖有滴水、淋水现象（见图1）。

隧道围岩级别为V级，设计衬砌类型为SA5-JQ。

地质雷达布线见图2。

图1 掌子面素描图
图2 现场预报测线
（2）地质雷达探测图谱分析
测线1、测线2的地质雷达测试图像见图3、图4。

图3 测线1雷达测试图像
图4 测线2雷达测试图像
（3）图谱解释和超前地质预报
由测线1图谱分析可知，探测的有效预报距离约为25 m。

掌子面前方约4 m范
围内（1区）地质雷达记录回波能量相对较强；结合掌子面地质观察，表明该段围岩为全风化凝灰岩，风化成砂土状，局部夹有极少量强风化碎岩块，潮湿。

掌子面前方17～25 m范围内（3区）地质雷达记录回波能量相对较弱；结合掌子面地质观察，表明该段围岩以强风化凝灰岩为主，局部夹有全风化凝灰岩（2区），含弱基岩风化裂隙水，隧道开挖时有少量滴水、淋水现象。

由测线2图谱分析可知，探测的有效预报距离约为25 m。

掌子面前方约4 m范
围内（1区）地质雷达记录回波能量相对较强；结合掌子面地质观察，表明该段围岩为全风化凝灰岩，风化成砂土状，局部夹有极少量强风化碎岩块，潮湿。

掌子面前方4～25 m范围内（2区）地质雷达记录回波能量呈强弱交替；结合掌子面地
质观察，表明该段围岩为全风化和强风化凝灰岩互层，以强风化为主，含弱基岩风化裂隙水，隧道开挖时有少量渗水、滴水。

隧道开挖时实际地质情况与上述分析和预报结果基本吻合。

3.2 古博岭隧道左洞
（1）隧道掌子面地质情况和地质雷达探测布线
掌子面里程为ZK37+207。

掌子面为凝灰质砂岩、泥质粉砂岩，强风化，青灰色，节理裂隙发育，裂面见铁锰质浸染，岩体破碎，呈碎块状和少量块状；掌子面左侧
见一断层破碎带，宽约1 m。

地下水主要为基岩裂隙水，水量贫乏，隧道开挖有滴水、渗水现象（见图5）。

隧道围岩级别为V级，设计衬砌类型为SA5。

地质雷达布线见图6。

图5 掌子面素描图
图6 现场预报测线
（2）地质雷达探测图谱分析
测线1、测线3的雷达测试图像见图7、图8。

图7 测线1雷达测试图像
由测线1图谱分析可知：探测的有效预报距离约为20 m。

掌子面前方约4 m范围内（1区）地质雷达记录回波能量相对较强；结合掌子面地质观察，表明该段围岩为强风化凝灰质砂岩、泥质粉砂岩。

测线1左侧约2 m处地质雷达记录回波能量较强，形成以一定的倾角且往掌子面前方延伸的反射波组，可连续追踪，频率变化不大，为多组异常波并排出现，判断为一小断层，小断层破碎带宽约1 m，断层带岩体极破碎、潮湿，有少量滴水。

掌子面前方4～25 m范围内（2区）地质雷达记录回波能量呈相对较弱，表明该段围岩为弱风化凝灰质砂岩、泥质粉砂岩。

图8 测线3雷达测试图像
由测线3图谱分析可知：探测的有效预报距离约为25 m。

掌子面前方约4 m范围内（1区）地质雷达记录回波能量相对较强；结合掌子面地质观察，表明该段围岩为强风化凝灰质砂岩、泥质粉砂岩。

掌子面前方4～25 m范围内（2区）地质雷达记录回波能量相对较弱，表明该段围岩为弱风化凝灰质砂岩、泥质粉砂岩。

通过预报后隧道开挖跟踪地质调查发现，实际地质情况与上述分析和预报结果基本吻合，断层往隧道轴线方向延伸6 m后消失。

3.3 横山隧道右洞
（1）隧道掌子面地质情况和地质雷达探测布线
掌子面里程为K56+459。

掌子面为强风化角砾、晶屑凝灰岩，节理裂隙发育，岩体破碎；中部见一小断层，小断层破碎带宽约0.5 m，断层带岩体极破碎、潮湿；地下水主要为基岩风化裂隙水，水量贫乏；隧道开挖时在破碎岩体处会有滴水、淋水现象（见图9）。

隧道围岩级别为V级，设计衬砌类型为SA5。

地质雷达布线
见图10。

图9 掌子面素描图
图10 现场预报测线
（2）地质雷达探测图谱分析
测线1、测线4雷达测试图像见图11、图12。

图11 测线1雷达测试图像
图12 测线4雷达测试图像
由测线1、4图谱分析可知：探测的有效预报距离约为25 m。

掌子面前方约3 m
范围内地质雷达记录回波能量相对较强；结合掌子面地质观察，表明该段围岩为强风化角砾、晶屑凝灰岩，有少量滴水。

掌子面前方7～8 m范围内地质雷达记录回波能量较强，可连续追踪，频率变化不大，形成一定宽度的反射波组，判断为一小断层，小断层破碎带宽约0.5 m，断层带岩体极破碎、潮湿，有少量滴水。

掌子面前方14～16 m范围内地质雷达记录回波能量相对较强，表明该段围岩为强风化
角砾、晶屑凝灰岩，含弱基岩风化裂隙水，隧道开挖时有少量滴水、琳水现象。

其余段地质雷达记录回波能量呈相对较弱；表明该段围岩为弱风化角砾、晶屑凝灰岩。

隧道开挖时实际地质情况与上述分析和预报结果基本吻合。

断层往隧道轴线方向延伸15 m进入隧道拱顶。

4 结语
工程实例表明，地质雷达在绍诸高速公路隧道施工超前地质预报中，能有效地探测到各种不良地质现象，及时修正设计，指导施工，保证隧道施工安全，是一种操作
简便、对施工干扰少的、可行的预报手段和方法。

地质雷达探测结果的影响因素较多，如掌子面的平整度、天线的布设方向和位置、电缆线干扰、大型机械设备启动干扰、天线在测量过程中的抖动干扰等，所以在公路隧道施工超前地质预报工作中，应根据工程的实际情况选择地质雷达测量参数，并结合地质勘察资料、掌子面地质观察、地质雷达探测结果等进行综合分析［5］。

参考文献
［1］李勇，孙喜峰，李延.隧道施工地质超前预报方法［J］.地质与资源，2004，13（2）：119-122.
［2］茹瑞曲，戚筱俊.地质雷达探测技术的应用研究［J］.工程地质学报，1996，4（2）：51-56.
［3］王洪勇.综合超前地质预报在圆梁山隧道中的应用［J］.现代隧道技术，2004，41（3）：57-61.
［4］刘录刚.超前地质预报在雁门关隧道施工中的综合应用［J］.西部探矿工程，2004，16（4）：111-113.
［5］杨智国.地质超前预报在桃花铺一号隧道TBM施工中的应用［J］.铁道工程
学报，2004，（1）：65-68.
［6］熊昌盛.围岩松动圈地球物理方法检测［J］.西部探矿工程，2004，7（7）：87-89.。