李 辉 程振华

(江西省交通科学研究院，江西南昌 330038)

近年来隧道工程的规模不断扩大，其重要性也越来越显著。在隧道掘进过程中，对隧道前方的地质情况进行预报，尤其是对岩溶地区的溶洞、富水带和断层破碎带等不良地质体及时准确的预报，不仅提高了隧道施工的效率，节约了成本，而且确保了施工的安全［1，2］。目前常用的超前地质预报方法有工程地质调查与推断法，超前钻探法，地震波反射法，地质雷达法等［3，4］，而地质雷达法因其扫描速度快、操作简便、分辨率高、图像直观、可跟踪施工全过程等诸多优点［5］，在隧道超前地质预报中得到广泛的应用。

1 工作原理［6，7］

地质雷达是基于地下介质的电性差异(如介电常数)，向地下发射高频电磁波，并接收地下介质反射的电磁波进行处理、分析、解释的一项工程物探技术。其工作原理见图1，利用高频电磁波(主频为数十至数百乃至数千兆赫)以宽频带短脉冲形式，由地面通过发射天线传入地下，经地下地层或目的物反射后返回地面，被接收天线接收。电磁脉冲波旅行时间为t。当地下介质的波速已知时，可根据t值计算目标体的位置和埋深，根据反射波组的波形与强度特征，便能分析出地层的特征信息(如介电常数、层厚、空洞等)。

图1 地质雷达工作原理图

在岩土介质中，其反射系数和波速主要取决于介电常数:

其中，r为反射系数;v为介质中电磁波的传播速度;c为光速常数;ε为相对介电常数，下角标1，2分别表示上、下介质。空气的相对介电常数为1，水的相对介电常数为81，灰岩为4～8，水泥及其他岩土的相对介电常数为几到十几。

目标体到掌子面的距离d为:

其中，t为电磁波的双程走时。

2 测试方法

使用地质雷达实施地质超前预报，应按以下步骤进行:准备工作、测线布设、参数选择、数据采集、数据后处理、提供地质预报信息。

2.1 准备工作

运用地质雷达进行地质超前预报，首先要收集隧道地质资料，完成掌子面地质素描工作。在地质雷达采集数据时，尽量清除测线附近的金属物体、电磁干扰等干扰源，如不能清除应将其记录在册，并标出位置。

2.2 测线布设

由于掌子面通常采用上、下导坑开挖，工作面比较狭小，在测试过程中常用两横一竖的布线方式，见图2。实际测试时应根据掌子面的具体情况灵活布置测线，以保证足够的数据以备后期处理。为提高测试准确性，测试过程中一般每条测线至少测试2遍。

图2 测线布置图

2.3 参数选择

雷达探测参数选择合适与否关系到探测效果，探测参数包括天线中心频率、时窗、采样率、天线方向的取向、数据采集方式等。在隧道超前地质预报探测中，应根据现场工程地质条件进行动态设置。

天线的中心频率越大，其分辨率越高，而探测深度越小;反之则分辨率越小，探测深度越大。选择天线时一般在满足分辨率且场地条件许可时，尽量采用中心频率低的天线。

时窗是指数据采集开始到数据结束之间的时间长度，它决定了雷达系统对反射回来的雷达波信号取样的最大时间范围，直观地说，就是决定雷达的探测深度。时窗主要取决于最大探测深度与地层电磁波速度。

地质雷达数据采集方式一般有三种，即测量轮控制采样、连续采样和点测采样。测量轮控制采样是通过测量轮滚动触发雷达信号发射接收;连续采样是按预先设定好的时间间隔自动采集数据;点测采样是通过电脑键盘发送指令，天线按固定间距移动，移动一次采集一道数据。

根据隧道工作环境及现场探测经验，隧道超前地质预报一般选用中心频率为100 MHz的地面耦合天线，时窗为300 ns～600 ns，预报范围为10 m～30 m，由于100 MHz天线浅部干扰较大，故另外选用一个中心频率为400 MHz的地面耦合天线做辅助测量，时窗为60 ns～100 ns，确定掌子面前方3 m～5 m范围的地质情况［5］。数据采集采用点测采样和连续采样两种方式相结合，每条测线使用两种天线、两种采样方式各测试一遍，测试时天线长轴方向垂直于测线方向。

2.4 数据处理及资料解译［6，7］

地质雷达探测资料的解释包括两部分内容，一为数据处理，二为资料解译。

由于地下介质相当于一个复杂的滤波器，介质对波的不同程度的吸收以及介质的不均匀性质，使得脉冲到达接收天线时，波幅减小，波形变得与原始发射波形有较大的差异。另外，各种随机噪声和干扰，也影响实测数据。因此资料解译前必须对雷达数据进行处理，处理方式主要有滤波、增益、道分析、时差校正、褶积、速度分析、消除背景干扰等。

地质雷达资料解译是一个经验积累的过程，一方面基于地质雷达图像特征，另一方面由工程实践成果获得。地质雷达图像解释的核心内容是识别干扰波及目标体的地质雷达图像特征，各种不良地质情况在雷达图像上有不同的表现方式。

破碎带在雷达波形上通常表现为界面反射强烈，反射面附近振幅显著增强且变化大，常产生绕射、散射，波形杂乱，同相轴错断，电磁波衰减快且规律性差。

岩溶洞穴在雷达图像上一般表现为由许多的双曲线强反射波组成，在洞穴侧壁一般为高幅、低频、等间距的多次反射波组，而洞穴底界面反射则不太明显，只有当洞穴底部部分充填水或粘土物质时底部反射波会有所增强。可见一组较短周期的细密弱反射，有充填物时电磁波能量迅速衰减，高频部分被吸收，反射的多为低频波。

富水带在雷达图像上一般表现为在含水层表面发生强振幅反射，电磁波穿透含水层时将产生一定规律的多次强反射，在富水带内产生绕射、散射现象，电磁波频率由高频向低频剧烈变化，电磁波能量快速衰减。反射波同相轴连续性较好，波形相对较均一［8］。

3 工程实例

某隧道为上下行分离式长隧道，隧址区域出露地层主要为三叠系灰岩、泥质灰岩及砂岩、砂质泥岩、二叠系及石炭系灰岩，并有覆盖于基岩上的第四系粉质粘土、碎石、砂卵石等。隧址区沟谷纵横，有石芽残丘、岩溶洼地等形态，洼地常伴有落水洞、溶洞等分布，地处亚热带暖湿气候区，其气候条件有利于岩溶发育。

图3为使用美国GSSI公司SIR-20型雷达连接主频为100 MHz地面耦合天线在掌子面采集的雷达数据，采用连续采样，时窗为350 ns，采样点数为512，测试时天线长轴垂直于测线方向。图4为主频400 MHz地面耦合型屏蔽天线采集的雷达数据，采用连续采样，时窗为80 ns，采样点数为512。从图3中可以看出，掌子面前方2.0 m ～4.5 m，6.5 m ～7.5 m 和9.5 m ～11.0 m 范围有明显异常。从图4中可以看出，掌子面前方0.7 m～4.0 m范围有明显异常。根据雷达波形图并结合掌子面及此前开挖的地质情况，判断掌子面前方0.7 m～4.5 m为溶洞，充填粘土，含水;掌子面前方6.5 m～7.5 m和9.5 m～11.0 m为溶蚀腔，充填少量粘土。根据施工现场开挖实际情况显示，预测情况与实际情况较为吻合。

图3 100 MHz耦合天线测试数据

图4 400 MHz耦合天线测试数据

图5为100 MHz天线在另一个掌子面采集的雷达数据，采用连续采样，时窗为350 ns，采样点数为512，测试时天线长轴垂直于测线方向。从图5中可以看出，掌子面前方4.5 m～6.0 m和10.5 m～11.5 m范围有明显异常，结合掌子面地质情况判断为溶蚀腔，充填少量粘土。根据施工现场开挖实际情况显示，预测情况与实际情况较为吻合。

图5 100 MHz天线测试数据

4 结语

地质雷达能够较准确地探测出掌子面前方一定范围内的不良地质情况，对隧道施工具有重要的现实意义。在预报过程中仪器参数的合理选定与实际经验关系密切，测试图像的识别应该根据雷达测试的异常情况、掌子面地质情况、区域地质情况进行综合判断，推断出掌子面前方的地质情况，同时注意排除图像中的干扰因素，提高预报的准确性。

［1］高才坤，郭世明.采用地质雷达进行隧道掌子面前方地质情况预报［J］.水力发电，2000(3):11-13.

［2］代高飞，夏才初，毛海河.地质雷达在隧道超前预报中的应用［J］.西部探矿工程，2004，16(9):116-118.

［3］张志龙，王兰生，王跃飞.公路隧道施工超前地质预报技术方法研究现状综述［J］.公路交通科技，2005(Z2):126-128.

［4］何继善，柳建新.隧道超前探测方法技术与应用研究［J］.工程地球物理学报，2004，1(4):293-298.

［5］王正成，谭巨刚，孔祥春，等.地质雷达在隧道超前预报中的应用［J］.铁道建筑，2005(2):9-11.

［6］李大心.探地雷达方法与应用［M］.北京:地质出版社，1994.

［7］曾昭发，刘四新，王春江，等.探地雷达方法原理及应用［M］.北京:科学出版社，2006.

［8］李 镐，仲晓杰，韩 煜.地质雷达在隧道富水区超前预报中的应用［J］.土工基础，2010，24(4):88-90.