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摘要：隧道地质超前预报是工程地球物理研究中的疑难问题之一。地质雷达方法是一种用于探测地下介质分布的广谱电磁技术。在地下水、断层及其影响带等不利地质情况下，由于其不利介质与完好介质的相对介电常数均有较大差异，为进行地质预报提供了良好的物理基础。利用该方法，能够较准确地预报出掌子面前方20m范围内的地质情况。通过在某水电站的隧道检测的实践说明地质雷达是隧道施工中的较好的地质预报手段。
关键词：隧道 超前预报 地质雷达探测
探地雷达（GRP）又称地质雷达，是现代广泛用于测试地下介质分布的电磁技术之一，它主要是通过地下发射的高频宽带的电磁脉冲信号，然后根据回波信号的振幅、波形和频率等特征，利用地下介质的电磁特性的差异来分析和推断地下介质的结构特征的，具有快速便捷、操作简单、抗干扰和场地适应能力强，无损等特征。目前探地雷达技术已经应用于如采矿工程、水利水电工程、地质工程和岩土工程勘察、建筑工程、桥梁道路、隧道工程、管线勘测、环境检测、考古等方面的行业中[1]。
1 地质雷达工作概述
1.1 地质雷达基本工作原理示意图 地质雷达与对控雷达在原理上是很相似的，他们都是基于地下介质的电性差异存在的，也都会向地下发射高频的电磁波，也都能够接收地下介质反射回来的电磁波，以此对他们进行处理、分析和解释的工程物探技术，两者的主要探测原理就是图1所表示的。
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图1 地质雷达工作原理示意图
雷达脉冲波的行程方程为：t=■
式中：t为脉冲波走时（ns，lns=s）；z为反射体深度；x为发射机和接收机间的距离；v为雷达脉冲波速。
1.2 地质雷达基本工作方法 主要是通过隧道的掌子面发射天线的电磁波，把主频为数十兆至数百兆乃至数千兆赫的脉波送入隧道掘进方向，这样当在岩体传播过程中遇到不同的目标体的电性介面时，就会有部分的电磁能力被反射回到掌子面，在被接收天线接收时，就会主动生成记录，得到从发射经岩体界面反射回到接收天线的双程走时t。当岩体介质的波速已知时，可根据测到的精确t值求得目标体的位置和深度。这样，可对各测点进行快速、连续地探测，并根据反射波组的波形与强度特征，经过数据处理得到地质雷达剖面图像。而通过多条测线的探测，则可了解隧道掌子面目标体断面分布情况。
1.3 测线布置 在测试过程中，沿右壁向掌子面移动，一直沿着测线测量到左壁，左右两壁每次移动距离大概50厘米，掌子面每次移动距离大概20厘米。测线布置如（图2）。
1.4 资料的解释 地质雷达资料的地质解释基础是拾取反射层。由数据处理后的雷达图像，全面客观的分析各种雷达波组的特征（如波形、频率、强度等），尤其是反射波的波行及强度特征，通过同向轴的追踪，确定波组的地质意义，构造地质-地球物理解释模型，依据剖面解释获得整个测区的最终成果图。
雷达的解释步骤一般为：①反射层拾取。根据勘探孔和雷达图像对比分析，建立各种反射层的波组特征，而识别反射波组的标志为同向性、相似性和波形特征等。②时间剖面的解释。在充分掌握区域地质资料，了解测区所处的地质结构背景的基础上，研究重要波组的特征及其相互关系，掌握重要波组的地质结构特征，其中要重点研究特征波的同相轴的变化趋势。特征波是指强振幅、能长距离连续追踪、波形稳定的反射波。同时还应分析时间剖面上的常见特殊波（如绕射波和断面波等），解释同相轴不连续带的原因等。通常可以将时间剖面特征分为四类，作为解译参考：a雷达反射波同相轴发生明显错动：一般为破碎带及大的风化裂缝含水带，两侧地层性质明显变化。b雷达反射波同相轴局部缺失：一般为地下裂缝、裂隙横向发育及岩体风化发育程度不同引起。c雷达波波形发生畸变：由于地下裂缝、不均匀体对于雷达波的电磁驰豫效应和吸收，造成雷达波畸变，崎变程度与裂隙及不均匀体的规模有关。d雷达波反射波频率变化：一般为岩体或土壤中成分含量及盐碱性质发生了变化。通常，地质雷达时间剖面上会出现多个特征剖面，这就需要解译人员的丰富的实践解译经验，以及参考多种因素综合考虑。
2 应用实例
2.1 探测结果和分析 某二级水电站西端1#、2#引水隧洞工程施工1#引水隧洞超前地质预报
引水隧洞洞号：引（1）洞 预报方法：地质雷达
仪器型号：SIR-20 天线频率：100MHz
掌子面桩号：引（1）1+345 预报范围：引（1）1+345～1+369
测量区域为T2z浅灰色中厚层大理岩，岩类为Ⅲ～Ⅳ类围岩，深埋偏压。由于隧道全长18千米，开挖高19米，宽17米，当隧道的开挖面较大的时候，坑隧道地质周围就会显得复杂，而且存在一定的深埋偏压，这就需要我们在编制施工组织设计的时候根据不同的岩段进行不同的施工方案，但是需要确定准确的地质情况的时候进行，如果是不同的勘探资料，就需要利用不同的地质雷达技术进行。当我们做好隧道掌子面的超前地质预报工作的时候，就需要在准确掌握掌子面数据后，才根据地质情况提供安全施工的决策依据。因此，我们在施工过程中，就需要准确掌握超前预报数据，然后根据雷达的预测，顺利通过隧道的深埋偏压地质破碎带和强风化岩层地带，以此来确保工程施工人员的安全。
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图3 掌子面素描图
图3为对现场所画处理后得的掌子面地质素描图。
图4为通过软件处理后得到的地质探测成果图像。
图5为对探测成果图象解释后得到的解释成果图。
2.2 实际开挖对比分析 ①掌子面前方引（1）1+345～352 段地质雷达无明显异常，引（1）1+352～369段存在异常，推断为裂隙发育，溶蚀，岩体较破碎，局部形成破碎带，含水，出水情况总体成分散状，局部较集中，估计总水量3～5L/S。②左壁引（1）1+325～1+345 段探测深度范围内裂隙发育，局部密集，岩体较破碎。③右壁引（1）1+325～1+333 段探测深度4～12m 范围内裂隙发育，局部密集；引（1）1+337～1+345 段探测深度范围内裂隙发育，岩体较破碎，含水。 开挖时BK1+357段有裂隙发育，有白色大理石填充，无渗水。在后半段的岩体质量逐渐因为增重而破裂。就需要根据预报的实际开挖的数据进行操作。引（1）1+352～369预报为裂隙发育，溶蚀，岩体较破碎，局部形成破碎带，含水，出水情况总体成分散状。开挖时，洞顶为一个长宽约为10×12米破碎带，在比较破碎的地方出现渗水，成线状分散。预报和实际开挖较吻合。
3 结论
①通过对某二级水电站辅助洞为研究对象，多次到辅助洞进行实地考察，这样才能在前期收集大量的勘察资料及现场测试资料等。并且根据辅助洞的超前地质为预报的主要研究对象，我们可以通过大量的现场测试的资料进行分析隧洞的施工情况的的统计数据成果，这样在地质雷达预报溶洞、断裂和裂隙时候，就会效果更佳，就可以作为超前短距离地质预报的首选。②由于地质雷达在探测过程中会受到如来自金属体及空气中的各种电磁波因素的干扰，这样就导致后期的数据受到影响，在数据处理解释上就会产生一定的影响。所以，为了避免探测过程中出现的这些因素的影响，就需要工作人员结合多方面的资料，对数据处理作出更为准确和有效的解释。
参考文献：
[1]翟波，杨峰，孙水明，等.地质雷达信号去除水平噪声算法[J].辽宁工程技术大学学报，2006（S2）：88.
[2]徐宏武，邵雁，邓春为.探地雷达技术及其探测的应用[J].岩土工程技术，2005（04）.
[3]方建立，应松，贾进.地质雷达在公路隧道超前地质预报中的应用[J].中国岩溶，2005（02）.
[4]刘恒.路用探地雷达在道路工程中的应用研究[D].大连理工大学，2002.
[5]陆鑫.探地雷达在隧道初支背后空洞检测中的应用[J].黑龙江交通科技，2013（05）.
[6]张连武.超前地质预报技术在谈山隧道施工中的应用[J].建筑，2013（08）.
[7]何磊，孙家宁，孙祥鑫.地质雷达在井巷掘进超前地质预报中的应用[J].现代矿业，2013（01）.
[8]尹俊涛.地质雷达在公路隧道超前地质预报中的应用[J].交通标准化，2012（17）.
作者简介：哈文（1985-），男，宁夏石嘴山人，技术员，助理工程师，研究方向：地球物理勘查。
关键词：隧道 超前预报 地质雷达探测
探地雷达（GRP）又称地质雷达，是现代广泛用于测试地下介质分布的电磁技术之一，它主要是通过地下发射的高频宽带的电磁脉冲信号，然后根据回波信号的振幅、波形和频率等特征，利用地下介质的电磁特性的差异来分析和推断地下介质的结构特征的，具有快速便捷、操作简单、抗干扰和场地适应能力强，无损等特征。目前探地雷达技术已经应用于如采矿工程、水利水电工程、地质工程和岩土工程勘察、建筑工程、桥梁道路、隧道工程、管线勘测、环境检测、考古等方面的行业中[1]。
1 地质雷达工作概述
1.1 地质雷达基本工作原理示意图 地质雷达与对控雷达在原理上是很相似的，他们都是基于地下介质的电性差异存在的，也都会向地下发射高频的电磁波，也都能够接收地下介质反射回来的电磁波，以此对他们进行处理、分析和解释的工程物探技术，两者的主要探测原理就是图1所表示的。
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图1 地质雷达工作原理示意图
雷达脉冲波的行程方程为：t=■
式中：t为脉冲波走时（ns，lns=s）；z为反射体深度；x为发射机和接收机间的距离；v为雷达脉冲波速。
1.2 地质雷达基本工作方法 主要是通过隧道的掌子面发射天线的电磁波，把主频为数十兆至数百兆乃至数千兆赫的脉波送入隧道掘进方向，这样当在岩体传播过程中遇到不同的目标体的电性介面时，就会有部分的电磁能力被反射回到掌子面，在被接收天线接收时，就会主动生成记录，得到从发射经岩体界面反射回到接收天线的双程走时t。当岩体介质的波速已知时，可根据测到的精确t值求得目标体的位置和深度。这样，可对各测点进行快速、连续地探测，并根据反射波组的波形与强度特征，经过数据处理得到地质雷达剖面图像。而通过多条测线的探测，则可了解隧道掌子面目标体断面分布情况。
1.3 测线布置 在测试过程中，沿右壁向掌子面移动，一直沿着测线测量到左壁，左右两壁每次移动距离大概50厘米，掌子面每次移动距离大概20厘米。测线布置如（图2）。
1.4 资料的解释 地质雷达资料的地质解释基础是拾取反射层。由数据处理后的雷达图像，全面客观的分析各种雷达波组的特征（如波形、频率、强度等），尤其是反射波的波行及强度特征，通过同向轴的追踪，确定波组的地质意义，构造地质-地球物理解释模型，依据剖面解释获得整个测区的最终成果图。
雷达的解释步骤一般为：①反射层拾取。根据勘探孔和雷达图像对比分析，建立各种反射层的波组特征，而识别反射波组的标志为同向性、相似性和波形特征等。②时间剖面的解释。在充分掌握区域地质资料，了解测区所处的地质结构背景的基础上，研究重要波组的特征及其相互关系，掌握重要波组的地质结构特征，其中要重点研究特征波的同相轴的变化趋势。特征波是指强振幅、能长距离连续追踪、波形稳定的反射波。同时还应分析时间剖面上的常见特殊波（如绕射波和断面波等），解释同相轴不连续带的原因等。通常可以将时间剖面特征分为四类，作为解译参考：a雷达反射波同相轴发生明显错动：一般为破碎带及大的风化裂缝含水带，两侧地层性质明显变化。b雷达反射波同相轴局部缺失：一般为地下裂缝、裂隙横向发育及岩体风化发育程度不同引起。c雷达波波形发生畸变：由于地下裂缝、不均匀体对于雷达波的电磁驰豫效应和吸收，造成雷达波畸变，崎变程度与裂隙及不均匀体的规模有关。d雷达波反射波频率变化：一般为岩体或土壤中成分含量及盐碱性质发生了变化。通常，地质雷达时间剖面上会出现多个特征剖面，这就需要解译人员的丰富的实践解译经验，以及参考多种因素综合考虑。
2 应用实例
2.1 探测结果和分析 某二级水电站西端1#、2#引水隧洞工程施工1#引水隧洞超前地质预报
引水隧洞洞号：引（1）洞 预报方法：地质雷达
仪器型号：SIR-20 天线频率：100MHz
掌子面桩号：引（1）1+345 预报范围：引（1）1+345～1+369
测量区域为T2z浅灰色中厚层大理岩，岩类为Ⅲ～Ⅳ类围岩，深埋偏压。由于隧道全长18千米，开挖高19米，宽17米，当隧道的开挖面较大的时候，坑隧道地质周围就会显得复杂，而且存在一定的深埋偏压，这就需要我们在编制施工组织设计的时候根据不同的岩段进行不同的施工方案，但是需要确定准确的地质情况的时候进行，如果是不同的勘探资料，就需要利用不同的地质雷达技术进行。当我们做好隧道掌子面的超前地质预报工作的时候，就需要在准确掌握掌子面数据后，才根据地质情况提供安全施工的决策依据。因此，我们在施工过程中，就需要准确掌握超前预报数据，然后根据雷达的预测，顺利通过隧道的深埋偏压地质破碎带和强风化岩层地带，以此来确保工程施工人员的安全。
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图3 掌子面素描图
图3为对现场所画处理后得的掌子面地质素描图。
图4为通过软件处理后得到的地质探测成果图像。
图5为对探测成果图象解释后得到的解释成果图。
2.2 实际开挖对比分析 ①掌子面前方引（1）1+345～352 段地质雷达无明显异常，引（1）1+352～369段存在异常，推断为裂隙发育，溶蚀，岩体较破碎，局部形成破碎带，含水，出水情况总体成分散状，局部较集中，估计总水量3～5L/S。②左壁引（1）1+325～1+345 段探测深度范围内裂隙发育，局部密集，岩体较破碎。③右壁引（1）1+325～1+333 段探测深度4～12m 范围内裂隙发育，局部密集；引（1）1+337～1+345 段探测深度范围内裂隙发育，岩体较破碎，含水。 开挖时BK1+357段有裂隙发育，有白色大理石填充，无渗水。在后半段的岩体质量逐渐因为增重而破裂。就需要根据预报的实际开挖的数据进行操作。引（1）1+352～369预报为裂隙发育，溶蚀，岩体较破碎，局部形成破碎带，含水，出水情况总体成分散状。开挖时，洞顶为一个长宽约为10×12米破碎带，在比较破碎的地方出现渗水，成线状分散。预报和实际开挖较吻合。
3 结论
①通过对某二级水电站辅助洞为研究对象，多次到辅助洞进行实地考察，这样才能在前期收集大量的勘察资料及现场测试资料等。并且根据辅助洞的超前地质为预报的主要研究对象，我们可以通过大量的现场测试的资料进行分析隧洞的施工情况的的统计数据成果，这样在地质雷达预报溶洞、断裂和裂隙时候，就会效果更佳，就可以作为超前短距离地质预报的首选。②由于地质雷达在探测过程中会受到如来自金属体及空气中的各种电磁波因素的干扰，这样就导致后期的数据受到影响，在数据处理解释上就会产生一定的影响。所以，为了避免探测过程中出现的这些因素的影响，就需要工作人员结合多方面的资料，对数据处理作出更为准确和有效的解释。
参考文献：
[1]翟波，杨峰，孙水明，等.地质雷达信号去除水平噪声算法[J].辽宁工程技术大学学报，2006（S2）：88.
[2]徐宏武，邵雁，邓春为.探地雷达技术及其探测的应用[J].岩土工程技术，2005（04）.
[3]方建立，应松，贾进.地质雷达在公路隧道超前地质预报中的应用[J].中国岩溶，2005（02）.
[4]刘恒.路用探地雷达在道路工程中的应用研究[D].大连理工大学，2002.
[5]陆鑫.探地雷达在隧道初支背后空洞检测中的应用[J].黑龙江交通科技，2013（05）.
[6]张连武.超前地质预报技术在谈山隧道施工中的应用[J].建筑，2013（08）.
[7]何磊，孙家宁，孙祥鑫.地质雷达在井巷掘进超前地质预报中的应用[J].现代矿业，2013（01）.
[8]尹俊涛.地质雷达在公路隧道超前地质预报中的应用[J].交通标准化，2012（17）.
作者简介：哈文（1985-），男，宁夏石嘴山人，技术员，助理工程师，研究方向：地球物理勘查。