如何提高岩溶隧道地质雷达预报准确性

浅谈如何提高岩溶隧道地质雷达预报的准确性摘要：湖北恩施地处溶蚀发育山区,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。结合宜万铁路云雾山隧道中的雷达应用实例,介绍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；岩溶隧道；超前预报；地质灾害；准确性中图分类号：f407.1 文献标识码：a 文章编号：

一、工程概况

云雾山隧道全长6640m，是宜万铁路的重点工程，是宜万线八座ⅰ级风险隧道之一，隧道地处低中山区越岭地段，地形起伏大，地形陡峻，区内受地形、地质及构造等各种条件的影响，岩溶发育强烈，溶洞、暗河、漏斗及岩溶洼地等随处可见。有5条地下暗河穿越其间，设计日最大涌水量为16141m3，设计有突水、突泥、岩爆、天然气、溶洞等突发性地质灾害。

为了更好的探测隧道开挖面前方围岩情况，确保施工人员及设备安全，我们运用了目前国内最先进的物探方法之地质雷达超探测法。

二、地质雷达探测的特点：

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。

三、地质雷达工作原理：

地质雷达（groundpenetratingradar ，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。通过对接收的反射波进行分析就可推断地下地质情况。

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。式中第一个指数幂中αr表示电磁波传播时的相位项，α为相位系数，与电磁波传播速度v的关系为：

v = ω/α（2）

当电磁波的频率极高时，上式可简略为：

v = c/ε（3）

式中c为电磁波在真空中的传播速度；ε为介质的相对介电常数。

地质雷达所使用的是高频电磁波，因此地质雷达在地下介质中的传播速度主要由介质中的相对介电常数确定。

电磁波向地下介质传播过程中，遇到不同的波阻抗界面时将产生反射波和透射波。反射和透射遵循反射与透射定律。反射波能量大小取决于反射系数r，反射系数的数学表达式为：

r =[（ε1）1/2 -（ε2）1/2/（ε1）1/2 +（ε2）1/2] （4）式中ε1和ε2分别表示反射界面两侧的相对介电常数。

由（4）式可知：预报过程中的反射系数的大小主要取决于反射界面两侧介质的相对介电常数的差异。差异越大反射系数越大，探测出的异常越明显。地质预报主要的探测内容为：地下水、断层及其影响带等对施工不利的地质情况。这些不利的介质与完好基岩的相对介电常数均有较大差异，为采用地质雷达对隧道掌子面前方进行地质预报提供了良好的地球物理基础。

x

t r

v z

目的体

图1 地质雷达反射探测原理图

四、地质雷达预报影响因素：

我们通过云雾山隧道日常雷达检测数据的分析，对影响地质雷达预报准确性所存在的问题展开了详细调查（如下表）。

地质雷达预报影响因素调查表表一

序号影响因素频数频率（%）累计率（%）备注

1 探测时外界干扰 25 41.7 41.7

2 数据分析不准确 17 28.

3 70.0

3 仪器参数不准确 10 16.7 86.7

4 仪器操作不规范 6 10.0 96.7

5 其他 2 3.3 100

合计n=60

检查人：王博统计人：赵超时间：2008年5月10日

从表一可以看出影响地质雷达预报准确性的主要问题是外界干扰因素和数据分析不准确，其累计频率达41.7%和28.3%，成为解决问题的主要对象。

经过我项目雷达检测小组成员的认真调查分析，找出了影响地质雷达探测准确性的原因，见下表：

影响地质雷达探测准确性的原因调查表表二

序号原因论证判断结果备注

1 掌子面周边有金属物质金属物质产生磁场影响是

2 掌子面不平整掌子面有松动岩石、鼓包否

3 地质雷达侧线布置形式线测和点测的采集密度影响采集数据的代表性否

4 雷达主机和天线连接天线连接不耦合影响信号的传输，导致波形否

5 主机电池电量低于%30 电池电量过低，导致信号不连续对

数据采集有很大的影响否

6 仪器操作不规范操作人员不认真否

7 掌子面残留有泥或水掌子面若有泥或水，那么该处雷达信号的强度将减弱是

8 雷达参数设置不准确参数设置不准确，导致采集数据不能如实反映前方情况是

9 数据分析不准确数据分析不准确，直接影响了预报的准确性是

从表二中可以看出，影响地质雷达探测准确性的主要原因是：掌子面周边有金属物质、掌子面残留有泥或水、雷达参数设置不准确、数据分析不准确。

五、针对影响地质雷达预报准确性的主要原因制定对策如下表：

对策表表三

序号要因对策目标措施

1 掌子面周边有金属物质非开挖工作期探测不受金属物质磁场影响退平台后探测

2 掌子面残留有泥或水加大雷达的叠加次数和信号强度

不受泥或水工作影响同上

3 雷达参数设置不准确探测前根据不同围岩设置相应参数

避免参数不准确将探测仪放置在探测点半小时，确保仪器内部