李枝文

（中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 404100）

近年来，随着国家不断加大对基础设施建设的投资力度，各类高速铁路、高速公路大量兴建，在勘察设计过程中，出现了大量的隐蔽工程，如隧道工程。前期的隧道线路地表勘察是隧道工程设计的重要依据，也是隧道现场施工的主要指导依据。但受到工程地质勘察时间、经济、技术难度等多方面因素影响，通常会出现勘察设计与现场实际不符的情况，尤其以不可预见的地质情况居多。隧道在开挖过程中，特别是在地质条件复杂的地区，断层破损带、溶洞，甚至是地下暗河等不良地质经常出现，必须提前预测前方地质情况，否则很容易突发突水、涂泥等地质灾害事故，给隧道安全施工带来很大挑战，直接影响隧道正常工期，严重时甚至会造成人员伤亡事故，带来较大经济损失和恶劣的社会影响[1]。因此，在隧道施工过程中持续跟踪进行超前地质预报非常重要，也是规范的硬性要求。

隧道超前地质预报采用的方法较多，比较常用的有地震TSP预报法、地质雷达（GPR）法、红外探水法、超前钻探法等几种[2]。每种探测方法都有各自的优势和不足，需结合现场地质条件及探测目的适时采用。地质雷达法具有探测效率高、对施工干扰小等方面的优势，但也存在完全精确预报和预报距离短的缺点。

1 地质雷达法工作原理

地质雷达(GPR)是通过研究仪器激发的高频窄脉冲电磁波，频率通常在106～109Hz，利用接收到的反射波形来判断地下介质分布状况的一种无损探测设备。利用该方法进行实地探测的重要理论依据就是，探测对象内部存在明显的介电性差异，如各种不良地质体（空洞、破碎带、充水溶洞等）与四周围岩就存在明显的物性差异，人工电磁波在传播过程中遇到这些分界面会产生强烈的反射现象，对接受到反射波形进行相关分析，可以定性推断探测前方不良地质体的空间位置、规模和埋深等有用信息[3-4]。地质雷达工作原理示意图如图1所示。

地质雷达工作时，其回波走时（电磁波行程所需时间）：

图1 地质雷达工作原理示意图

式中，x为收发间距；z为反射点的法线深度；v为电磁波在介质中的传播波速。

电磁波在特定介质中的传播速度v是不变的，根据电磁波在真空中的传播速度c与相对介电常数ε来计算。

若地下介质为已知时，可依据天线间距x和雷达记录的回波走时，根据式（1）得到反射体的埋深。

2 地质雷达探测实例

现场超前地质预报采用地质雷达方法。探测使用美国GSSI公司SIR-20型地质雷达，配备中心频率100MHz天线。根据探测前方岩性特征及现场工作条件，探测距离可以达到30m左右。探测时参数设置如表1所示。

表1 地质预报时采样参数设置

2.1 现场地质条件

隧道工程场地属低山地貌，因下穿阳山森林公园，隧道段地势起伏较大，局部还分布沟壑及洼地等。场地内分布的地层有人工填积层、第四系残坡积层、三叠系上统须家河组和三叠系中统关岭组。场地地下水的类型主要为上层滞水和基岩裂隙水及岩溶水。

本次探测时，阳山隧道进口北线掌子面里程为NK1+314.4。掌子面岩性主体为青灰色砂岩，层状构造，岩层倾向西偏北，产状为310°∠18°；围岩节理裂隙较发育，局部存在破碎层，掌子面顶部有掉块现象，有少许滴水现象。

2.2 地质雷达测线布设

根据现场探测条件，在掌子面下部布置1条距底部高约1m的横测线1，总长度约为16m，测线方向从面向掌子面左帮向右帮布置。同时，沿横测线1的2m、8m、14m位置布置3条距底板高约2m的纵测线1、2、3。所有测线探测方向均垂直掌子面向隧道正前方探测。测线详细布置情况如图2所示。

图2 掌子面测线布置示意图

2.3 探测成果与分析

通过对现场探测的雷达数据资料进行处理得出雷达数据成果图如图3～图5所示。其中，图3、图4为横测线1的雷达探测图像，图5为纵测线1、2、3的雷达探测图像。

由图3～图5可知，在探测范围内，地质雷达反射波振幅能量局部衰减很快，推断该段围岩整体节理裂隙较发育，可能存在含水裂隙。在测线左起5～7m前方的4～13m，以及测线左起12～16m前方的4～10m，局部雷达反射波振幅能量不均匀，同相轴连续性较差，能量波动较大，存在异常区域。推测该位置围岩节理裂隙发育、破碎，可能存在破碎裂隙或破碎夹层。

根据地质雷达探测成果并结合现场地质资料，可以推断得到以下结论。

（1）掌子面前方30m范围内，围岩整体节理裂隙发育，可能存在含水裂隙。

（2）测线左起5～7m前方的4～13m（NK1+318.4～NK1+327.4）范围内，测线左起12～16m前方的4～10m（NK1+318.4～NK1+324.4），可能存在破碎裂隙或破碎夹层。

（3）现场探测情况，目前开挖段围岩完整性一般，掌子面局部存在破碎裂隙和破碎夹层，在顶部的破碎程度较严重，完整性差，在探测时掌子面有掉块现象。因此，在掘进过程中要加以注意，开挖后要清除顶部破碎区碎石，防止掉块和垮落造成塌方事故，并及时进行支护和锚喷封闭。同时，还要注意观察掌子面水量变化，出现渗水异常时要立即上报，采取措施。

图3 横测线1地质雷达实测波谱图（单位：m）

图4 横测线1地质雷达剖面wiggIe图（单位：m）

图5 纵测线1、2、3地质雷达实测波谱图（单位：m）

针对上述探地雷达探测地段的地质情况及施工设计要求、相关技术规范的要求，建议开挖后及时按照设计要求采用钢拱架进行支护，并锚喷封闭，以防止掉块与塌方，确保施工安全。

3 结束语

在隧道超前地质预报中使用地质雷达，可以快速、便捷地推断掌子面前方不良地质状况，提前预警，为隧道安全施工提供可靠依据。

同时，对地质雷达达图像的判读不仅要关注雷达剖面图上出现的信号异常情况，还要注意观察掌子面施工现场直观的地质情况，再结合相关地质知识进行综合判断，才能最终得到更准确的结果。

因为单一的物探方法给出的解释结果存在一定的多解性，所以建议在物探异常区采用更直接的超前钻探手段对物探结果进行验证，进一步修正前方预测的地质情况。