学文网摘要: 介绍了地质雷达超前地质预报的原理和方法，结合工程实例，通过预报结果与实际开挖情况的对比，分析了地质雷达对破碎围岩带和溶洞预报结果的准确性，有效控制和避免地质灾害的发生。
关键词: 地质雷达，超前地质预报，软弱夹层，溶洞
The application research of ground penetrating radar in Qiyueshan tunnel geological forecast
Liang Jinbao
(China Railway No. 14 Bureau Group Limited Company，Shandong Taian 271000)
Abstract: This paper introduced the principles and methods of ground penetrating radar advanced geological prediction, with engineering examples , the forecast results contrast with the actual excavation of in the tunnel excavation advanced geological prediction accuracy of the weak surrounding rock and cave forecast results effective control and to avoid the occurrence of geological disasters . through the comparison with the forecast results and actual excavation situation，analyzed the accuracy of GPR advanced geological forecast in both fracture interlayer and cave forecast results，could effectively control and prevent the occurrence of geological hazards．
Key words: ground penetrating radar, advanced geological forecast, fracture interlayer, cave
中***分类号： TN95 文献标识码： A 文章编号：
0 引言
在隧道施工阶段开展超前地质预报工作对确保施工安全和进度具有十分重要的作用。超前地质预报为施工建设提供施工前方的地质条件成为确定工程开挖对策、防护措施的关键，是工程施工安全的前提，是控制和合理运用工程投资的重要方面[1]。
地质雷达超前地质预报预测为短距离探测。雷达探测精度较高，操作简单快速，实用性较强，在隧道超前地质预报中得到广泛的应用[2]。尤其是用于与隧道轴线呈大角度相交的面状软弱带，如断层、破碎带、软弱夹层、地下洞穴以及溶洞和地层的分界面等效果较好。
1 地质雷达探测原理及方法
探地雷达（Ground Penetrating Radar，简称GPR）是利用频率介于106～109Hz的无线电波来确定地下介质的一种地球物理探测仪器。随着微电子技术和信号处理技术的不断发展，探地雷达技术被广泛应用于工程地质勘察、建筑结构调查、公路工程质量检测、地下管线探测等众多领域[3,4]。
发射天线将高频短脉冲电磁波定向送入地下，电磁波在传播过程中遇到存在电性差异的地层或目标体就会发生反射和透射，接收天线收到反射波信号并将其数字化，然后由计算机以反射波波形的形式记录下来。对所采集的资料进行相应的处理后，可根据反射波的传播时间、幅度和波形，判断地下目标体的空间位置、结构及其分布。探地雷达是在对反射波形特性分析的基础上来判断地下目标体的，所以其探测效果主要取决于地下目标体与周围介质的电性差异、电磁波的衰减程度、目标体的埋深以及外部干扰的强弱等[5,6]。其中，目标体与介质间的电性差异越大，二者的接口就越清晰，表现在雷达剖面***上就是同相轴不连续。可以说，目标体与周围介质之间的电性差异是探地雷达探测的基本条件。
2 齐岳山隧道工程概况
齐岳山隧道位于湖北省利川市南坪乡朱家院子和谋道镇筲箕湾之间，为穿越齐岳山而设，设计为分离式隧道，隧道走向313°。隧道左幅起讫桩号ZK18+888～ZK22+268，长3380m，最大埋深670m；右幅起讫桩号YK18+910～YK22+292，长3282m，最大埋深543m。
隧址区表层局部覆盖有第四系残坡积粉质粘土，下伏基岩为二叠系灰岩、硅质灰岩，夹煤层及页岩及三叠系灰岩，局部夹薄层页岩。隧道穿越齐岳山背斜。齐岳山背斜具两翼不对称，岩性以灰岩为主，间夹有页岩及煤层，背斜核部出露地层为长兴组中厚层状灰岩，且两翼在背斜核部以断层接触，系岩溶极发育地段。
隧址区洞身发育着两条断层，中槽逆断层和德胜场断层，两条断裂在隧道洞身表现均较窄，与路线基本垂直，断层带内主要表现为岩溶发育，有大型溶洞存在可能。隧址区岩溶水系统隧道范围存在三个岩溶地下水系统，其中，德胜场-响水洞地下暗河系统是本区规模最大的岩溶地下暗河系统，它位于齐岳山背斜西侧鱼龙-观音寺-德胜场-响水洞岩溶槽谷中，为一南北长约30km、东西宽约4km的长条形岩溶地下暗河系统。此外，在隧道交叉部位响水洞地下暗河的标高与隧道标高相当，存在较大突水突泥灾害的风险，有必要进行隧道超前地质预报工作，以保障隧道施工安全。
3 地质雷达探测结论及建议
3.1地质雷达探测测线安排
对齐岳山隧道进口YK19+053掌子面开展了一次短距离地质雷达探测工作，采用天线频率为100MHz，采集样本点为512。测线布置示意***如***2所示。
***2 齐岳山隧道进口YK19+053～YK19+065雷达测线示意***
地质雷达***像剖面是地质雷达数据解释的基础，只要掌子面前方介质中存在电性差异，就可以在雷达剖面***中找到相应的反射波与之对应。雷达剖面***的识别主要是确定具有相同特征的反射波组的同相轴。通常来说，构造断裂带在雷达剖面***上的波形反映一般是与断裂带走势相同的一条曲线，软弱夹层和岩溶洞穴的波形反映一般是由许多细小的拋物线组成的一块较大区域，与周围的波形存在明显的差异。实践证明，地质雷达对掌子面前方含水、溶洞、断裂带等异常反映较好，但预报范围将会相对缩短。因为水的介电常数ε=81，电磁波能量会被水大量吸收，探测距离相对缩短。电磁波在地层中传播时的能量消耗也很大，也会对探测距离有一定的影响。雷达***像的判读除了在雷达剖面***上发现明显的信号异常之外，还要注意观察掌子面施工现场的地质情况，结合地质方面的知识加以综合判断，根据这一原则对探测结果的资料分析整理。
3.2地质雷达探测结果分析
本次地质雷达探测有效距离为12m，里程桩号范围为进口YK19+053～YK 19+065，处理后雷达***像如下***所示。
***3 地质雷达探测结果***
雷达探测结果与掌子面揭露情况显示，总体而言，掌子面前方围岩较破碎，围岩稳定性较差；其中，掌子面前方YK19+056～YK 19+062范围内左侧信号反应强烈，根据雷达信息特征，推测该处岩体破碎，可能存在小型空洞；掌子面前方YK19+060～YK 19+065范围内右侧地质雷达信号反应较强，推测该处岩体较破碎，节理裂隙发育，稳定性较差；建议做好防范措施，提防拱部掉块或小型塌方的发生，施工时应注意初期支护的及时性和支护强度，并加强监控量测工作。
3.3隧道开挖结果验证
在隧道实际开挖至YK19+056～YK 19+059时，隧道右侧发现一长约3米的溶洞（如***4所示）与地质雷达探测结果相吻合，验证了地质雷达在短距离探测的准确性。在隧道开挖过程中，短距离探测的结果可以较好的指导施工，预防工程地质灾害的发生。
***4 现场开挖溶洞照片
4 结语
1) 地质雷达法超前地质预报距离较短，一般为10 m～20 m[3]，随着距离的增大，预测预报误差越大。当距离超过40m时，需加强对地质雷达探测方法理论研究，通过工程实践，总结成功和失败教训，不断的提高预报精度。
2) 地质雷达探测法可对隧道掌子面前方软弱夹层、破碎带、溶洞以及含水层的性质、位置和规模进行比较准确的探测，预报可能存在误差，需结合其他预报方法进行进一步修正。
3) 通过超前地质预报，能及时掌握掌子面前方的地质情况，为隧道施工和及时调整支护参数提供依据，有效地控制和避免地质灾害的发生。
参考文献:
[1]白冰, 周健. 探地雷达测试技术发展概况及其应用现状[J].岩石力学与工程学报, 2001, 20(4): 527-531．
[2]李诚明.超前地质预报在圆梁山隧道施工中的应用[J].山西建筑,2009,35(15):297-298．
[3]于景兰.国内探地雷达的应用与发展[J].地质与勘探,2003,39(S):80-84.
[4]王连成,王应富,蒋树屏,等. 地质雷达技术在公路隧道工程中的应用[J].公路隧道, 2005(2):32-36．
[5]戴前伟,吕绍林,肖彬.地质雷达的应用条件探讨[J].物探与化探,2000,24(2):157-160.
[6]董延朋,孔祥春.影响地质雷达工作的因素分析[J].物探装备,2007,17(2):130-133．
转载请注明出处学文网 » 地质雷达在齐岳山隧道超前地质预报中的应用研究