地质雷达在岩溶地区隧道超前预报中的应用 常铮 （贵州大学资源与环境工程学院，贵州贵阳 ５５０００３） 摘要：贵州地处溶蚀发育山区，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。笔者结合贵州省某三车道小间距隧道中的雷达 应用实例，介绍了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；隧道；超前预报；地质灾害 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 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。 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 １地质雷达工作原理 地质雷达是利用高频电磁波束在界面上的反射来 探测目的物的，当电磁波在传播过程中遇到不同的波． 阻抗界面时，将发生反射和透射。探测过程中影响电 磁波传播规律的关键指标是介质的电导率和介电常 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 数。简单地说，电导率决定了电磁波在该介质中的穿 透深度，电导率越大，穿透深度越浅，当掌子面前方含 水量增大时会使电导率变大，造成电磁波的迅速衰减， 影响雷达勘探深度；而介电常数不仅决定了电磁波的 育，拱顶处岩体完整性相对较好，掌子面渗水，岩体湿 润程度较高。 此次探测深度约为２５ ｍ，从图２中可以明显看出 ２～１０ ｍ范围内，反射波同相轴错断，波形较杂乱，反 传播速度，同时还决定了两种不同介质的对比度。例 如：纯水的相对介电常数为８１，大多数干燥的地下介 质的相对介电常数小于１Ｏ，空气的相对介电常数为１， 当介质的介电常数变化较大时，会出现较强的反射信 号，而隧道前方有水流渗透或出现溶洞时，介电常数通 常变化较大，导致雷达图像出现明显的反射波信号，而 根据测试地段的相对介电常数则可以估算出反射层的 大致深度。由于水对上述两个参数的影响非常大，因 射界面不连续，局部雷达波振幅较强，推断该处节理、 裂隙发育，岩体较破碎，有泥质充填现象，且局部岩体 的湿润程度较高（即相对介电常数变化较大），导致反 射波振幅增大。解释结果与现场掌子面出露情况相 符，并且在进一步的隧道开挖中也得到了较好的验证。 此用雷达对地下水的探测较准确。 地质雷达工作时，利用一个天线发射高频宽频带 电磁波，另一个天线接收来自地下界面的反射波。一 般来说发射天线和接收天线之间距离都很小，甚至可 以合二为一。当地层倾角不大时，反射波的全部路径 几乎是垂直地面的，因此也常把接收到反射波的旅行 时间称为“双程走时”，在测线不同位置上“双程走时” 的变化就反映了地层的构造形态。而通过多条测线的 探测，则可了解场地目标体深部的平面分布情况。通 过对电磁波反射信号的时频特征、振幅特征、相位特征 等进行分析，便能了解地层的特征信息。 雷达的探测原理及工作方法见图１。 点位／ｍ １ ２ ３ ４ ５ ６ ７ 墨 匠 留 图１ 雷达的探测原理及工作方法 ２ 应用实例 文中数据均来自贵州省在建最大的某三车道小间 距隧道，笔者将施工预报中遇到的一些典型雷达图像 摘录进行研究与分析。此次探测仪器为美国劳雷公司 生产的ＳＩＲ一２０型地质雷达，天线主频为１００ ＭＨｚ。 ２．１裂隙发育的雷达图像 图２显示掌子面开挖后出露岩层为中厚一厚层状 白云岩，层间泥质充填，底部岩体较破碎，节理、裂隙发 ｛ 嚣 鞲 图２雷达实测图像（一） ２．２溶洞发育的雷达图像 图３显示测线掌子面开挖后出露岩层为薄至中厚 层状大冶组灰岩，层间平直，大量粘土充填，岩体破碎， 节理裂隙发育且较多被方解石充填，岩体湿润。 逞 趟 避 嚣 图３雷达实测图像（－－） 从图３中可见４～１５ ｍ范围内（图中圈注部分）雷 达反射波较强，波形杂乱无章，存在明显的异常，经现 场多次测试，重复性极好。该地段现场地质情况较差， 掌子面有大量泥质粘土充填，且处于易出现溶蚀的灰 岩地段，而前方异常区的范围较大，结合现场地质情况 和雷达反射波图像，推断掌子面前方出现溶洞的可能 性极高。图３所示异常区内波形杂乱，相对介电常数 不稳定，推断该溶洞可能为充填型溶洞，且充填物质不 均匀。施工单位及时采取了短进尺、强支护等避险措 施，在后期的开挖中也验证了推断结果，避免了事故的 发生。 掌子面进行多次试验，以选择合适的参数，确定天线的 放置方向，在出现异常的区域可以多次重复测量，排除 干扰，以便得到更精准的雷达图像。 （２）在隧道开挖过程中，掌子面常常参差不齐，连 续测量时雷达无法贴紧掌子面，对后期图像会造成较 ２．３关于岩石完整性的判别 图４显示测线掌子面开挖后出露岩层为中厚层状 白云岩，层间结合较好，方解石脉充填，局部少量泥质 充填，掌子面较干燥，节理、裂隙发育。 ０．０ ５．Ｏ １０．０ 聪 羹１５．０ ２０．０ ２５．Ｏ 图４雷达买测图像（三） 从图４中可见２～９ ｍ范围内，雷达图像简单清 晰，几乎没有明显的反射波信号，而１０ ｍ以后又出现 较明显的反射信号，显然该处并不是由于强吸收导致 的信号衰减，推断该范围内电导率较小，相对介电常数 变化不大，因此该处应为较完整的干燥岩体。９ ｍ之 后，反射波同相轴出现错断现象，且波形较为杂乱，推 断该范围内裂隙较发育，岩体较破碎，由于图像中没有 出现明显的强反射区，因此推断该掌子面前方２５ ｍ 范围内，岩体较干燥，无明显的含水现象。这一解释结 果也与后期开挖情况相符。 ３ 结语 地质雷达是一种无损检测，具有经济、快速、操作 简单等优势，对前方含水、溶蚀、裂隙等地质灾害的反 映较明显，在岩溶地区的隧道超前预报中得到了广泛 的应用。但是需要提出的是雷达电磁波的干扰因素较 多，图像的解释也往往具有多解性，因此，在应用过程 中要注意以下几点： （１）现场数据采集工作非常重要。有了好的数 据，后期的处理分析才有意义，因此在探测时，可以在 大的干扰，造成解释困难，在这种情况下最好选择点测 方式，如果选用连续测量方式，应该尽量对掌子面进行 清平。 （３）雷达图像具有多解性，在后期解释时应与测 区实际的地质情况相结合，注意排除图像中的干扰因 素，才能做出合理的推断解释，达到准确预报的目的。 例如图３中所示的溶洞图像，虽然该雷达图像中没有 出现明显的溶蚀边缘的反射波同向轴，但从现场地质 情况、波形变化以及前方异常范围较大等因素分析也 不难得出前方很可能有溶洞存在的结论。 （４）由于电磁波的波形易受到多种因素的干扰， 较难准确判定前方异常的类型，很多解释人员片面地 根据采集到的波形下绝对的结论，出现了不少问题，造 成业主与施工单位误认为此技术不可靠的尴尬境地， 因此工作人员要注意提高自身的专业素质，结合地质 情况与现场工况，对前人经验进行总结的同时做到活 学活用。另一方面也可以采用多种探测手段，将得到 的结果进行对比验证，提高分析的准确性，才能够较为 准确地预测隧道前方的地质、水文情况，并做好防治地 质灾害的准备，使施工安全、快速进行。 参考文献： ［１］刘康和．地质雷达在水利工程质量检测中的应用［Ｊ］．长 江职工大学学报，２００１（１）． ［２］陈仲候，王兴泰，杜世汉．工程与环境物探教程［Ｍ］．北 京：地质出版社，１９９３． ［３］薄会申．地质雷达技术实用手册［Ｍ］．北京：地质出版社， ２００６． ［４］李大兴．探地雷达方法与应用［Ｍ］．北京：地质出版社， １９９９． ［５］郭增强，刘尧军，赵玉成．ＳＩＲ一２０地质雷达在公路质量 检测中的应用［Ｊ］．石家庄铁道学院学报，２００３（４）． ［６］吴永清，何林生．地质雷达在公路隧道中的应用［Ｊ］．广东 公路交通，１９９８（５４）． ［７］代高飞，夏才初，毛海河．地质雷达在隧道超前预报中的 应用［Ｊ３．西部探矿工程，２００４（９）．
