浅谈地质雷达在长平高速公路地质超前预报中的应用

摘要：随着我国国民经济的高速发展和西部大开发战略的深入实施，高等级公路在西南山区的建设规模日益扩大，公路隧道数量也越来越多。在隧道施工中经常遇到一些地质灾害，为了避免这些地质灾害，超前地质预报就成了隧道施工中不可或缺的内容。利用地质雷达进行超前地质预报是一种比较经济、准确的方法。本文依托长(安)至平(顺)高速公路建设工程，重点论述了隧道施工中应用地质雷达进行超前地质预报和施工质量监测的原理、测线布置方式、参数设置、数据采集和资料解译，结合杜公岭隧道的工程实例，讨论了适用于杜公岭隧道的围岩分级方法，给出了断层破碎带、软弱夹层、富水带、采空区等不良地质体的在雷达中的图像显现特征及判定依据。关键词：公路隧道；地质雷达；超前地质预报1引言地质雷达法采用连续扫描电磁波反射曲线的叠加，利用电磁波在隧道掌子面前方岩体中的传播、反射原理，根据测到的发射脉冲波走时计算发射界面距隧道施工掌子面的距离。地质雷达被认为是目前分辨率最高的地球物理方法，地质雷达能探测到掌子面前方地层的变化，对于断裂带特别是含水带、破碎带有较高的识别能力。在深埋隧道和富水地层以及溶洞的发育地区，地质雷达是一个很好的预报不良地质体的手段。隧道超前预报的目的是探测出掌子面前方20～30m范围内发育的不良地质体，如断层破碎带、软弱夹层、富水带及采空区等。根据掌子面具体情况，结合掌子面前方的不良地质体分布，准确预测围岩级别，为施工支护方案提供技术支持。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。雷达天线接收器接收到反射波，并输送到控制单元，将信号进行显示，对电磁反射波所带信息进行分析，就可获得被地质层的层厚、岩层完整性以及岩层含水情况。2.2地质雷达地质预报技术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.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。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。4.介质结构特征的影响不同介质有不同的结构特征，反射波的高、低频率特征明显不同，这可作为区分不同物质界面的依据。如完整性岩层与破碎岩层相比，介质相对比较均质，其内部反射波较少；破碎岩层内部结构相对复杂，其反射波明显。3工程应用隧道就其特征而言，是一个线性隐蔽工程，是处在各种地质环境中的地下结构。仅仅依靠设计阶段的调查结果想完全掌握地质条件、涌水等状况是很困难的。因此，工程地质超前预报在施工中具有重要作用，常常要根据预报结果来修正设计或变更设计，确保工程施工安全和建后运营安全。3.1雷达测线布置及参数设置1.测线的布设根据雷达天线发射电磁波的特点，为详细了解掌子面前方岩层的分布状况及岩体结构面的发育程度，一般水平方向布置3条测线，垂直方向沿中心布置2条测线。由于施工过程掌子面不规范，测试剖面在现场测试时进行一定的调节。为提高测试准确性，测试过程中一般每条剖面至少重复测试2遍。天线在每个剖面上至少进行1次点测和一次连续测试，点测的叠加次数次。2.预报参数设置（1）天线频率的选择雷达天线根据探测目标，可按下式计算天线中心频率式中:为空间分辨率；为介质的相对介电常数。探测深度随着天线中心频率的减少而增大，我们在探测过程中希望探测的越深越好，故取中心频率为100MHz。（2）时窗的选择时窗选择主要取决于最大探测深度与地层电磁波速度。地质雷达系统通常把时窗的选用值加30％，主要考虑为了目标在深度上的变化及地层速度变化而留出余量。杜公岭隧道基本是泥岩，故该隧道的电磁波传播传播速度可取0.112m/ns，其相对介电常数取7。由式可得为最大探测深度，取为30m；为介质中电磁波波速。为了将所有数据能全部在时窗内成像，取为700ns。（3）采样率的选择采样率是记录反射波采样点之间的时间间隔，按Nyquist定律，采样速度至少要达到无线中心频率的3倍。为使记录波形更完整，取采样率为中心频率的6倍，采用连续测量工作方式。其余参数为系统默认值。3.2不良地质体的探测通过对杜公岭隧道隧道进行跟踪地质雷达探测，不良地质体有断层破碎带、软弱夹层、富水带和采空区等。1.断层破碎带的探测岩层或岩体受力破裂后，破裂面两侧岩块发生了很明显位移，这种断裂构造，成为断层。断层是地壳中广泛发育的地质构造。由于岩层发生强烈的断裂变动，致使岩体的裂隙增多、岩石破碎、风化严重、地下水发育，所以断层破碎带岩石的强度和稳定性很差。在雷达剖面图上的波场特征为：地层发射波发育，同相轴错断。因此，根据地质雷达的波形特征及相关地质资料，可以判明破碎带的厚度以及它与完整岩石的界面。2.软弱夹层的探测软弱夹层为岩体内存在的层状或带状的软弱薄层。一般来说，软弱夹层的厚度比相邻岩层的小，力学强度和变形模量也较低。当雷达电磁波传播到软弱夹层时，会产生较强的界面反射波，同相轴的连续性反映了夹层是否平直、连续；在穿越软弱夹层的过程中会产生绕射、散射、波形杂乱、波幅变化大。3.富水带的探测富水带是含水量大的岩体区域，在隧道开挖后很可能产生涌水现象。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，这样发射波表现较强的正峰异常，同时出现强反射，有时也会产生绕射、散射现象，导致波形紊乱，频率成分由高频向低频剧变。4.采空区的探测采空区是指地下矿产被采出后留下的空洞区,按矿产被开采的时间,可分为老采区、现采区和未来采区。采空区内的介质（水或空气等）与围岩介质在介电常数上有较大差异，雷达波在穿越采空区时，雷达波反射，穿越过程中会产生散射，波幅变化大。4本文小结隧道超前地质预报对于隧道施工安全和进度极为重要。地质雷达用于公路隧道施工中，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。为了提高对地质雷达波形图的解释和识别的准确性，需要对不良地质条件下各种介质雷达波形的典型特征进行反复的研究和积累大量的图像资料，以实现能与现行隧道围岩级别划分标准相对应。参考文献[1]曾昭发,刘四新,王者江,薛建.地质雷达方法原理及应用[M].北京:科学出版社.2006.6[2]李国峰,丁文其,李志厚,等.特殊地质公路隧道动态设计施工技术[M].北京:人民交通出版社,2005.3中国论文联盟[3]李大心.地质雷达方法与应用[M].北京:地质出版社.1994[4]何发亮,李苍松,陈成宗.隧道地质超前预报[M].成都:西南交通大学出版社.2006[5]杨川福.探地雷达在攀田高速公路隧道施工中的应用研究[D].西安:长安大学,2008,7