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山东铁正工程试验检测中心有限公司 山东 250014
摘要：从地质雷达预报的基本原理出发，采用地质雷达进行隧道超前预报，提前采取有效的防范措施，确保隧道施工的安全是可行的，且具有较高的预报精度。
关键词：地质雷达；超前地质预报；隧道；探测
引言：在隧道施工中，尤其是地质条件复杂的隧道工程，它关系到工程的安全、质量、成本和进度。隧道地质超前预报由来已久，超前预报的方法也有很多，地质雷达具有扫描速度快、重量轻、分辩率高、屏蔽效果好、图像直观、对施工影响小和可跟踪施工全过程等优点，并积累了大量的工程实测数据和图像分析经验，近年来在施工检测及地质预报中得到了广泛应用。
1、地质雷达的工作原理
探地雷达依据电磁波脉冲在地下传播的原理进行工作。发射天线将高频（100～800MHz或更高）的电磁波以宽带短脉冲形式送入地下，被地下介质（或埋藏物）反射，然后由接收天线接收。根据电磁波理论，当雷达脉冲在地下传播过程中，遇到不同电性介质交界面时，由于上下介质的电磁特性不同而产生折射和反射。在对接收天线接收到的雷达波进行处理和分析的基础上，根据接收到的雷达波形、强度、双程时间等参数便可推断地下目标体的空间位置、结构、电性及几何形态，从而达到对地下隐蔽目标物的探测（如图1所示）。
图1中T为发射天线，R为接收天线，电磁波在地下介质中 遇到目标体和基岩时发生反射，信号返回地面由天线R接收并记录，通过主机的回放处理，就可以得到雷达记录的回波曲线（如图2所示）。
图2中横坐标的单位为m，横轴代表地表面的探测距离，在 地表面均匀打点可以得到相应点位的地下介质分布情况；纵坐标代表的是电磁波从发射到遇见地下目标体或基岩时反射回地面并被仪器接收所需要的时间。有了雷达记录的双程反射时间即可据公式（1）算出该界面的埋藏深度H：
其中，t为目标层雷达波的反射时间；c为雷达波在真空中的 传播速度（0.3m/ns）；εr为目标层以上介质相对介电常数均值。这时就可以对雷达资料进行进一步的数据处理，其方法与地震反射法勘探数据处理基本相同，主要有以下几方面：1）滤波及时频变换处理；2）自动时变增益或控制增益处理；3）多次重复测量平均处理；4）速度分析及雷达合成处理等。
2、地质雷达应用技术方法
2.1雷达预报原理
地质雷达的试验原理为由控制单元向地层发射一组以某一频率为中心的高频电磁波，在传播的过程中，电磁波遇到不同电磁性介质分界面时，一部分电磁波能量会转换成反射波返回地面，另一部分能量则透过界面继续向前传播，再次遇到界面时，又有一部分电磁波产生反射返回地面。
2.2地质雷达地质预报技术
2.2.1雷达地质预报长度的确定
预报长度的长短同电磁波在岩体中传播的特性密切相关，根据波的传播原理，电磁波在坚硬均匀完整性好的的岩体中传播时，其透射能力较强，当其遇到介电常数相差较大的岩层界面时，电磁波的反射系数较大，天线接收器接受的信号就越强，预报长度可适当放长。根据杜公岭隧道的围岩的基本特征，预报的长度一般为20～30米左右。
2.2.2介电常数的选择
雷达地质预报结果的可靠程度，围岩介质的介电常数的选取是关键，一般情况下，岩体的介电常数在5～8之间，具体的数值应根据具体岩性进行确定，另外围岩含水率对围岩介质的介电常数有重要的影响，因此，还应依据围岩的含水率的大小进行相应的调整。
2.2.3测程的选择
利用雷达进行隧道地质预报时，应采用线测和点测相结合，线测或点测时，应采用不同测程相结合，以便对各种测试结果进行对比分析，相互验证，突出围岩不良地质状况。围岩完整性较好时，测程可采用700ns，围岩破碎时，测程采用300ns。
3.典型地段超前预报实例分析
3.1软弱夹层的探测
所谓软弱夹层是指岩体中那些性质软弱、有一定厚度的软弱结构面或者软弱带。按成因分为原生软弱夹层、构造及挤压破碎带、泥化夹层及其他夹泥层，具有高压缩性和强度低的特征。
在某隧道ZK145+820掌子面探测时，前10m范围内同相轴不连续，信号频率较低，幅值较强，在掌子面前方11m处存在一反射信号较强的多次震荡信号，电磁波衰减加快，结合具体地质情况，推测前方10范围内岩体节理裂隙发育，在掌子面前方11m处可能存在一软弱夹层或富含基岩裂隙水，后经开挖证实，在ZK145+810处存在一竖向强风化结构面，有夹泥和铁锰质矿物充填，且伴有侵润状浸水。
3.2节理密集带的探测
节理是存在于岩体中的裂缝，是岩体受力断裂后两侧岩块没有显著位移的小型断裂构造。岩体中的裂隙，在工程除了有利于开挖外，对岩体的强度和稳定性均不产生有利的影响。节理密集带主要存在于断层影响带、岩脉带及软弱夹层中，由于节理内有不同的矿物成分、不均匀的充填物，与周边围岩形成电性的差异，因此具有采用地质雷达探测岩体中裂隙存在的地球物理基础。
在某隧道YK145+850掌子面探测时，同相轴错断，信号频率中等，局部信号频率较低，幅值中等，6～16m范围内出现平行和杂乱的发射波，推断前方6～16m，即YK145+844～YK145+834段，为节理密集带或富含基岩裂隙水，岩体呈碎石状压碎结构，围岩较破碎，后经开挖证实，该范围内岩体破碎，节理裂隙十分发育，节理张开。
3.3富水带的探测
富水带是含水量大的岩体区域，在隧道开挖后可能产生涌水现象。水的相对介电常数最大为81，当岩体含水量较大时，介质的介电常数有较大的增大，而电磁波在介质中的传播速度则会降低，这样反射波表现较强的正峰异常，同时出现强反射，能量衰减增快，伴有绕射、散射现象，导致波形紊乱，频率成分由高频向低频转变。
结语：
对于隧道动工安全与进度特别主要的就是隧道超前地质预报。使用于公路隧道动工中的地质雷达，预报掌子面前方不良地质情况可较快判断，有利于工程施工，提高了短期地质超前预报的水平工作。因此，地质雷达探测技术在各个领域应用会越来越广泛，弥补了钻探工作的不足，大大地缩短了工期、节约了成本、提供更准确、更详细的地质信息，为工程设计和施工提供科学依据。
参考文献：
[1]叶观宝，宋建.地质雷达在公路隧道短期地质超前地质中的应用[J].勘察科学技术，2010（20）：49.
[2]白哲，夏元友.地质雷达在隧道超前地质预报中的应用[J]，武汉理工大学硕士学位论文，2006，4：46-50.
摘要：从地质雷达预报的基本原理出发，采用地质雷达进行隧道超前预报，提前采取有效的防范措施，确保隧道施工的安全是可行的，且具有较高的预报精度。
关键词：地质雷达；超前地质预报；隧道；探测
引言：在隧道施工中，尤其是地质条件复杂的隧道工程，它关系到工程的安全、质量、成本和进度。隧道地质超前预报由来已久，超前预报的方法也有很多，地质雷达具有扫描速度快、重量轻、分辩率高、屏蔽效果好、图像直观、对施工影响小和可跟踪施工全过程等优点，并积累了大量的工程实测数据和图像分析经验，近年来在施工检测及地质预报中得到了广泛应用。
1、地质雷达的工作原理
探地雷达依据电磁波脉冲在地下传播的原理进行工作。发射天线将高频（100～800MHz或更高）的电磁波以宽带短脉冲形式送入地下，被地下介质（或埋藏物）反射，然后由接收天线接收。根据电磁波理论，当雷达脉冲在地下传播过程中，遇到不同电性介质交界面时，由于上下介质的电磁特性不同而产生折射和反射。在对接收天线接收到的雷达波进行处理和分析的基础上，根据接收到的雷达波形、强度、双程时间等参数便可推断地下目标体的空间位置、结构、电性及几何形态，从而达到对地下隐蔽目标物的探测（如图1所示）。
图1中T为发射天线，R为接收天线，电磁波在地下介质中 遇到目标体和基岩时发生反射，信号返回地面由天线R接收并记录，通过主机的回放处理，就可以得到雷达记录的回波曲线（如图2所示）。
图2中横坐标的单位为m，横轴代表地表面的探测距离，在 地表面均匀打点可以得到相应点位的地下介质分布情况；纵坐标代表的是电磁波从发射到遇见地下目标体或基岩时反射回地面并被仪器接收所需要的时间。有了雷达记录的双程反射时间即可据公式（1）算出该界面的埋藏深度H：
其中，t为目标层雷达波的反射时间；c为雷达波在真空中的 传播速度（0.3m/ns）；εr为目标层以上介质相对介电常数均值。这时就可以对雷达资料进行进一步的数据处理，其方法与地震反射法勘探数据处理基本相同，主要有以下几方面：1）滤波及时频变换处理；2）自动时变增益或控制增益处理；3）多次重复测量平均处理；4）速度分析及雷达合成处理等。
2、地质雷达应用技术方法
2.1雷达预报原理
地质雷达的试验原理为由控制单元向地层发射一组以某一频率为中心的高频电磁波，在传播的过程中，电磁波遇到不同电磁性介质分界面时，一部分电磁波能量会转换成反射波返回地面，另一部分能量则透过界面继续向前传播，再次遇到界面时，又有一部分电磁波产生反射返回地面。
2.2地质雷达地质预报技术
2.2.1雷达地质预报长度的确定
预报长度的长短同电磁波在岩体中传播的特性密切相关，根据波的传播原理，电磁波在坚硬均匀完整性好的的岩体中传播时，其透射能力较强，当其遇到介电常数相差较大的岩层界面时，电磁波的反射系数较大，天线接收器接受的信号就越强，预报长度可适当放长。根据杜公岭隧道的围岩的基本特征，预报的长度一般为20～30米左右。
2.2.2介电常数的选择
雷达地质预报结果的可靠程度，围岩介质的介电常数的选取是关键，一般情况下，岩体的介电常数在5～8之间，具体的数值应根据具体岩性进行确定，另外围岩含水率对围岩介质的介电常数有重要的影响，因此，还应依据围岩的含水率的大小进行相应的调整。
2.2.3测程的选择
利用雷达进行隧道地质预报时，应采用线测和点测相结合，线测或点测时，应采用不同测程相结合，以便对各种测试结果进行对比分析，相互验证，突出围岩不良地质状况。围岩完整性较好时，测程可采用700ns，围岩破碎时，测程采用300ns。
3.典型地段超前预报实例分析
3.1软弱夹层的探测
所谓软弱夹层是指岩体中那些性质软弱、有一定厚度的软弱结构面或者软弱带。按成因分为原生软弱夹层、构造及挤压破碎带、泥化夹层及其他夹泥层，具有高压缩性和强度低的特征。
在某隧道ZK145+820掌子面探测时，前10m范围内同相轴不连续，信号频率较低，幅值较强，在掌子面前方11m处存在一反射信号较强的多次震荡信号，电磁波衰减加快，结合具体地质情况，推测前方10范围内岩体节理裂隙发育，在掌子面前方11m处可能存在一软弱夹层或富含基岩裂隙水，后经开挖证实，在ZK145+810处存在一竖向强风化结构面，有夹泥和铁锰质矿物充填，且伴有侵润状浸水。
3.2节理密集带的探测
节理是存在于岩体中的裂缝，是岩体受力断裂后两侧岩块没有显著位移的小型断裂构造。岩体中的裂隙，在工程除了有利于开挖外，对岩体的强度和稳定性均不产生有利的影响。节理密集带主要存在于断层影响带、岩脉带及软弱夹层中，由于节理内有不同的矿物成分、不均匀的充填物，与周边围岩形成电性的差异，因此具有采用地质雷达探测岩体中裂隙存在的地球物理基础。
在某隧道YK145+850掌子面探测时，同相轴错断，信号频率中等，局部信号频率较低，幅值中等，6～16m范围内出现平行和杂乱的发射波，推断前方6～16m，即YK145+844～YK145+834段，为节理密集带或富含基岩裂隙水，岩体呈碎石状压碎结构，围岩较破碎，后经开挖证实，该范围内岩体破碎，节理裂隙十分发育，节理张开。
3.3富水带的探测
富水带是含水量大的岩体区域，在隧道开挖后可能产生涌水现象。水的相对介电常数最大为81，当岩体含水量较大时，介质的介电常数有较大的增大，而电磁波在介质中的传播速度则会降低，这样反射波表现较强的正峰异常，同时出现强反射，能量衰减增快，伴有绕射、散射现象，导致波形紊乱，频率成分由高频向低频转变。
结语：
对于隧道动工安全与进度特别主要的就是隧道超前地质预报。使用于公路隧道动工中的地质雷达，预报掌子面前方不良地质情况可较快判断，有利于工程施工，提高了短期地质超前预报的水平工作。因此，地质雷达探测技术在各个领域应用会越来越广泛，弥补了钻探工作的不足，大大地缩短了工期、节约了成本、提供更准确、更详细的地质信息，为工程设计和施工提供科学依据。
参考文献：
[1]叶观宝，宋建.地质雷达在公路隧道短期地质超前地质中的应用[J].勘察科学技术，2010（20）：49.
[2]白哲，夏元友.地质雷达在隧道超前地质预报中的应用[J]，武汉理工大学硕士学位论文，2006，4：46-50.