范 佳 俊

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300251)

地质雷达在地铁隧道超前地质预报中的应用研究

范 佳 俊

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300251)

从波速确定、天线中心频率、时窗长度、采样间距等方面，介绍了地质雷达的探测原理，并阐述了其在地铁隧道超前地质预报中的具体应用，为地铁隧道超前预报工作提供了方法。

隧道，地质雷达，超前地质预报，掌子面

0 引言

随着我国城市交通拥堵问题愈发显著，城市轨道交通的修建是当下经济发展的需要。在地铁隧道施工过程中，由于勘察设计的局限性和隧洞围岩地质条件的复杂多变性，致使隧道掘进过程中局部经常出现塌方、突泥突水等地质灾害，导致工期延误，人员伤亡，造成经济损失。因此，在施工过程中对掌子面前方地质情况进行及时的超前预报是十分重要的[1]。

地质雷达(GPR)是一种较新的地球物理勘探方法，具有操作简易、便于携带、扫描速度快、分辨率高和图像直观等诸多优点[2]。近年来，煤炭科学研究院、铁二院、高等院校等科研机构在地质雷达技术方面做了大量的试验和研究，在理论研究、模拟实验、设备开发制造等方面取得了大量的成果[3]，工程应用方面也积累了大量数据和图像分析经验。本文主要介绍地质雷达的探测原理、预报方法和在徐州城市快速轨道交通2号线一期工程地下市政工程第11标段隧道超前预报中的应用。

1 地质雷达探测原理

地质雷达利用超高频窄脉冲电磁波探测介质分布的一种地球物理勘探仪器，其工作原理是发射天线向隧道掌子面前方发射高频宽频带电磁波，在电磁波向掌子面前方传播的过程中，遇到不同的电介介质分界面时，电磁波一部分便发生反射，由接收天线接收反射波，另一部分发生折射透过界面继续传播，在更深处发生反射与折射，直至电磁波的能量完全被吸收(如图1所示)。电磁波在介质界面产生反射是因为两侧介质的介电常数不同， 差异越大反射信号越强烈，反之反射信号越差。在对地质雷达数据进行处理和分析的基础上，可获得雷达探测图像，以此来推断掌子面前方异常目标体的分布状况，从而实现超前地质预报的目的[4]。

在实际探测中，雷达探测参数的选取十分重要。其有助于避开干扰信号，便于后期数据处理、解译和图像判定。主要的雷达参数包括介电常数、波速、时窗长度等。

1.1 波速确定

雷达电磁波在掌子面前方岩体中的传播速度的准确性直接影响着异常体空间的具体位置的判定。电磁波在介质中的传播速度可由式(1)计算所得：

(1)

式中：c——电磁波在真空中的传播速度；εr——介质的相对介电常数；μr——介质的相对磁导率(通常可以忽略其变化，即μr≈1)。

由式(1)可知，在隧道超前地质预报中，为准确判定异常体距离掌子面的空间位置，对围岩介电常数设定显得尤为重要。在实际工程中需要综合考虑掌子面岩体的情况，设定掌子面岩体的介电常数。

1.2 天线中心频率

天线中心频率的选择需要兼顾目标体深度、目标体最小尺寸以及天线尺寸是否适合场地要求。中心频率fc可表示为：

(2)

式中：x——空间分辨率，m；εr——相对介电常数。

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。

1.3 时窗长度

时窗w是数据采集开始到结束的历程值。时窗的选择也就确定了电磁波向前传播的最远距离，其公式如下：

(3)

式中：dmax——最大探测深度，m；v——电磁波在介质中的传播速度，m/ns。

由式(3)可知，最大探测深度和电磁波的速度是时窗选择的决定性因素。

1.4 采样间距

根据Nyquist定律，测点间隔nx应为围岩中子波的1/4波长，以保证目标体的反射波在空间上不重叠[5]。公式如下：

(4)

2 工程实例分析

2.1 工程概况

徐州市轨道交通2号线一期工程第11标段隧道，区间主体均采用矿山法施工，结构采用复合式衬砌结构。至2016年10月，左线小里程方向上台阶已施工至K17+331.5、下台阶施工至K17+336.5，在掌子面喷浆过程中，上台阶右下角出现突泥现象，突泥量约为1.0 m3，且伴随有线状出水情况。

掌子面情况如图2所示，掌子面以石灰岩为主。

1)上台阶：中～左半部分裂隙较发育，且夹泥明显；右侧掌子面顶部呈线状滴水，右下角有一突泥口，并伴随有渗水情况，突泥量在持续增加，截至2016年10月15日突泥量约为1.0 m3；

2)下台阶：围岩较完整，呈大块状发育，局部裂隙发育，部分裂隙夹泥、渗水。

2.2 地质雷达仪器及测线布置

此次探测采用美国SIR-3000便携式地质雷达，具有仪器轻便，自动化程度高，探测速度快，分辨率高的特点。结合现场施工环境、地质条件及探测精度要求，采用400 MHz和100 MHz屏蔽天线(如图3所示)。由于掌子面宽度较小，且掌子面围岩表面具有一定的起伏，因此采用时间触发模式。

掌子面测线布置如图4所示，总共布置了17条测线。测线1～测线3紧贴右侧一开挖斜面，朝向掌子面右前方约30°；测线4，测线5朝向掌子面左前方30°；测线6朝向掌子面右前方约30°；其他测线探测方向垂直于测线表面。

此次探测重点在于确定掌子面前方突/夹泥范围，上台阶使用400 MHz屏蔽天线,下台阶使用100 MHz天线，雷达扫描参数如表1所示。

表1 地质雷达探测参数

2.3 地质雷达图像分析

运用Randan 7.0地质雷达处理软件对采集数据进行后期处理分析，限于篇幅，主要典型图像解译如下所述:

图5为测线3地质雷达探测剖面图。从图5中可知：竖直0 m～1.35 m，深0.35 m～0.6 m范围内，围岩存在一道电磁波反射面，反射波波幅较大，同相轴连续，推断该区域为裂隙夹泥层，且富水性较强；竖直0.3 m～0.85 m，深1.0 m～2.0 m存在一连续正反射波，推断为夹泥裂隙界面发育；竖直0.15 m～0.70 m，1.30 m～1.60 m，深3.2 m～4.5 m范围内，围岩存在明显电磁波反射，反射波幅较强，局部同相轴连续，推断该区域为围岩裂隙发育区，且夹泥充水可能性较大。

测线4竖直0 m～1.05 m、深1.2 m～2.8 m范围内，围岩存在多道电磁波反射，且以正波为主，局部同相轴连续，推断为围岩裂隙发育区，且裂隙夹泥/充水；其他部分区域存在单道正反射电磁波，推断为局部夹泥裂隙发育(见图6)。

测线8竖直0 m～0.20 m、深1.2 m～3.6 m和竖直0.7 m～1.2 m、深2.6 m～4.6 m范围内，存在多道电磁波反射，反射波同相轴连续、反射波波幅较强，且呈正负反射交替情况，推断为围岩裂隙发育区，且裂隙夹泥或富水(见图7)。

测线10水平0 m～1.4 m、深3.0 m～3.8 m以及水平0 m～0.9 m、深5.4 m～6.2 m范围内存在两道明显电磁波反射，反射波波幅较强、同相轴连续，推断围岩裂隙较发育，有较大可能性存在夹泥，且富水性较强(见图8)。

测线12探测方向0.4 m～1.3 m、深3.2 m～5.8 m范围内，存在少量电磁波反射，且反射波呈簇状分布、波幅较小，推断为局部围岩较破碎区(见图9)。

测线15水平0 m～0.70 m、深1.8 m～2.0 m以及水平0 m～0.40 m、深4.6 m～5.2 m范围内，存在两道明显电磁波反射，反射波振幅较大、局部同相轴连续，推断围岩裂隙发育区；水平1.45 m～1.75 m、深2.6 m～5.6 m范围内，存在明显正负交替电磁波反射，反射波振幅较大，推断该区域围岩较破碎(见图10)。

测线17水平0 m～0.3 m、深6.0 m～16.0 m存在多道强正反射电磁波，推断为围岩裂隙发育；水平0.6 m～3.0 m、深5.2 m～12.0 m范围存在明显正电磁波反射，反射波同相轴连续，推断为围岩裂隙发育区；水平4.6 m～5.4 m、深1.0 m～4.0 m以及水平3.4 m～5.0 m、深6.0 m～8.0 m范围内，存在正负交替电磁波反射，反射波振幅较大、同相轴连续，推断该区域围岩裂隙较发育，存在裂隙夹泥，且富水性较强(见图11)。

2.4 探测结果综合结论

根据各测线探测异常区位置情况可知，K17+331.5掌子面前方存在4处主要异常地质区，表现为破碎、夹泥或充水，可能的赋存位置如图12所示，各异常区具体情况为：

1)异常区1。

上台阶掌子面右侧前方0.4 m～0.5 m为岩层夹泥带，夹泥厚度约为0.2 m～0.4 m；前方2.0 m～6.0 m范围存在裂隙发育区，且裂隙夹泥或充水；

2)异常区2。

掌子面中部偏右0.8 m位置、深1.0 m～3.0 m为围岩破碎区，裂隙夹泥或富水；

3)异常区3。

掌子面靠左边墙水平0 m～2.0 m、深2.0 m～6.0 m围岩破

碎、局部夹泥或富水；

4)异常区4。

下台阶掌子面中部前方1.0 m～3.0 m围岩破碎区，且围岩夹泥、富水。

3 结论及建议

1)对地质雷达应用于地铁隧道超预报的技术问题进行了具体分析，为今后地质雷达在地铁隧道中的应用提供了参考。

2)探测结果表明：掌子面前方存在多处破碎区发育，且上台阶右侧底角处已发生突泥情况，且后续开挖过程中仍存在多处夹泥或富水破碎区，在掌子面开挖后需尽早施加初期支护，以防围岩坍塌冒顶。

3)在地铁隧道施工过程中，根据工程的实际情况设置雷达探测参数，并结合雷达探测结果、隧道掌子面情况和区域地质情况对雷达图像进行综合分析，有效预报是可行的，在很大程度上消除了施工的盲目性，对保证地铁隧道安全施工具有重要的指导意义。

[1] 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(7)：111-113.

[2] 李大心.探地雷达方法与应用[M].北京：地质出版社，1994.

[3] 王齐仁.隧道地质灾害超前探测方法研究[D].长沙：中南大学，2007.

[4] 孙计同.探地雷达技术在青岛地铁隧道超前地质预报中的应用研究[D].青岛：中国海洋大学，2012.

[5] 张明臣.地质雷达在寒区隧道衬砌质量检测中的应用[J].现代隧道技术，2016(2)：187-192.

Study on GPR in subway tunnel geological forecast

Fan Jiajun

(ChinaRailway3rdSurvey&DesignInstituteGroupCo.,Ltd,Tianjin300251,China)

Starting from aspects of wave speed determination, antenna center frequency, time window length and sampling interval, the thesis introduces geological radar detecting principles, and describes its specific application in subway tunnel advanced geology forecast, which has provided some guidance for subway tunnel advanced geology forecast.

tunnel, geological radar, advanced geology forecast, tunnel face

1009-6825(2017)02-0191-03

2016-11-01

范佳俊(1990- )，男，助理工程师

U456.33

A