地质雷达图像解释(含超前地质预报及检测)

d o i :10.3963/j .i s s n .1674-6066.2022.04.025地质雷达法在隧道超前地质预报中的应用董伟伟,麦燕午(葛洲坝集团试验检测有限公司,宜昌443002)摘 要: 超前地质预报技术为隧道的安全施工提供强有力的保障㊂该研究以新建当阳至远安支线铁路槐树店隧道为研究对象,考虑到宜昌山区喀斯特地貌丰富,隧道建设大概率会遇到溶洞等地质问题,采用地质雷达法对槐树店隧道进行超前地质预报㊂结果表明,地质雷达法在预报溶洞灾害等方面具有优势,成功预判在槐树店隧道掌子面前方D K 54+745~D K 54+753区段存在溶洞㊂关键词: 地质雷达法; 隧道; 超前地质预报A p p l i c a t i o no fG e o l o g i c a lR a d a rM e t h o d i nA d v a n c eG e o l o g i c a l P r e d i c t i o no fT u n n e l C o n s t r u c t i o nD O N G W e i -w e i ,MA IY a n -w u(C h i n aG e z h o u b aG r o u p T e s t i n g C o ,L t d ,Y i c h a n g 443002,C h i n a )A b s t r a c t : T h e a d v a n c e d g e o l o g i c a l p r e d i c t i o n t e c h n o l o g yp r o v i d e s a s t r o n gg u a r a n t e e f o r t h e s a f e c o n s t r u c t i o n o f t h e t u n n e l .T h i s s t u d y t o o k t h en e w l y b e i n g b u i l tH u a i s h u d i a nT u n n e l o f t h eD a n g y a n g -Y u a n ᶄa nB r a n c hR a i l w a y a s t h e r e -s e a r c ho b j e c t ,c o n s i d e r i n g t h a t t h ek a r s t l a n d f o r m s i nY i c h a n g M o u n t a i n s a r e r i c h ,a n d t h e t u n n e l c o n s t r u c t i o n i s l i k e l y t o e n c o u n t e r g e o l o g i c a l p r o b l e m s s u c ha sk a r s t c a v e s ,t h e g e o l o g i c a l r a d a rm e t h o dw a su s e dt oc a r r y o u t t h ea d v a n c e d g e o l o g i c a l p r e d i c t i o no f t h e H u a i s h u d i a nT u n n e l .R e s u l t ss h o w e dt h a t t h e g e o l o g i c a l r a d a rm e t h o dh a sa d v a n t a g e s i n p r e d i c t i n g k a r s t c a v e d i s a s t e r ,a n d s u c c e s s f u l l yp r e d i c t e d t h e e x i s t o f k a r s t c a v e i n t h e s e c t i o no fD K 54+745~D K 54+753i n f r o n t o f t h e f a c e o f t h eH u a i s h u d i a nT u n n e l .K e y wo r d s : g e o l o g i c a l r a d a rm e t h o d ; k a r s t t u n n e l ; a d v a n c e d g e o l o g i c a l p r e d i c t i o n 收稿日期:2022-05-11.基金项目:中国能源建设股份有限公司重大科技项目(C E E C 2021-Z D Y F -16).作者简介:董伟伟(1991-),工程师.E -m a i l :1579285000@q q .c o m 公路和铁路为人民日常出行提供了很大的便利,尤其对于山区而言,公路和铁路是将其与外界连接的重要通道㊂在山区修建公路和铁路比在平原地区难度更大,因其面对的地形㊁地质条件等更加复杂[1]㊂例如,为了使线路尽可能平顺,保障行车速度,往往需要架桥或者修建隧道,因而山区公路和铁路的桥隧比一般都很高[2]㊂面对复杂的环境,快速识别相关风险因素是保证桥梁及隧道建设及服役安全的重要前提㊂如隧道建设常出现的溶洞㊁涌水突泥等灾害与围岩等级㊁岩体发育特征等息息相关[3]㊂如何快速㊁准确地识别或者预报灾害源是保证隧道建设及运营安全的关键㊂为保障隧道建设的安全,隧道施工时工程人员迫切想掌握掌子面前方的地质情况,隧道超前地质预报技术应运而生㊂常见的超前地质预报方法主要有:以T S P 等设备为代表的地震波法[4]㊁以地质雷达为代表的电磁波法[5]㊁以激发极化为代表的电法等[6]㊂这些方法适用场景各不相同,为获取地层岩性㊁结构面产状㊁富水岩层㊁断层㊁溶洞等地质信息提供了便利,也为隧道的安全施工提供了重要保障㊂研究依托位于湖北宜昌山区的槐树店隧道实体工程开展超前地质预报工作㊂地下与地表水对可溶性岩石不断溶蚀㊁沉淀形成的喀斯特地貌广泛分布于湖北宜昌山区㊂因此,针对宜昌山区新建隧道开展超前地质预报时,非常重要的一项任务就是及时探明掌子面前方是否有溶洞的存在㊂大量研究表明地质雷达法对隧道岩溶地层的溶洞与岩溶水㊁破碎带等有较好的识别能力㊂因此,采用地质雷达法对位于湖北宜昌山区的槐69建材世界 2022年 第43卷 第4期树店隧道开展超前地质预报工作㊂1 工程介绍新建当阳至远安支线铁路槐树店隧道段位于湖北省宜昌市远安县洋坪镇,起止里程为D K 54+540~D K 57+440,隧道全长2900m ,最大埋深312m ,其中Ⅲ级围岩1090m ,I V 级围岩1540m ,V 级围岩270m ;隧道进口采用端墙式洞门,出口采用环框式洞门;进口内轨设计标高271.748m ,出口内轨设计标高299.360m ㊂全隧道共设置洞室96处,其中小避车洞室77处,大避车洞室11处,弱电设备洞室2处㊂2预报原理 地质雷达法(G P R )超前地质预报主要是基于掌子面前方不同介质的电性(介电性和导电性)差异实现的,其包括两个主要的阶段:向岩体发射高频电磁波,再接收和解析介质反射的电磁波,如图1所示㊂具体的实现过程为:由发射天线将高频电磁脉冲波送入掌子面前方岩体,当高频电磁脉冲波在传播过程中遇到不同目标体(断层㊁空洞等)的电性介面时,部分反射回来的电磁波被接收器所接收㊁记录,并获取电磁波从发射到反射回来被接收所用的时间,当电磁波在介质中的传播速度已知时,即可确定目标体的位置㊂因此,地质雷达技术是由已知条件推断未知情况的一种方法㊂电磁波在介质中的传播速度主要由介质的相对介电常数决定,电磁波在传播过程中,当遇到不同的波阻抗界面时,将产生反射波和折射波,反射波能量大小取决于反射系数R ,计算式如式(1)所示,ε1㊁ε2分别为反射界面前后介质的介电常数㊂反射系数的大小取决于介质的介电常数差异,差异越大,反射系数越大,则越容易被地质雷达探测到㊂岩体的介电常数一般为4~8,水的介电常数为81,空气的介电常数为1㊂R =ε1-ε2ε1+ε2(1)3 数据采集及处理过程预报里程范围为D K 54+732~D K 54+762,长度30m ,采用的主要设备为MA L A P r o E x 型地质雷达㊂数据采集工作包括4个步骤:掌子面测线布置㊁仪器调试㊁雷达参数设置㊁激发并接收数据,具体实施过程为:选取距离隧道底部5m 左右的水平线作为掌子面测线;将天线与雷达主机连接,启动设备,检查设备状况;在开始采集前,为了提高精度,要进行雷达参数的设置,根据实际情况选择采样频率等参数;数据采集采用人工点测的方式,沿事先布置好的测线移动雷达设备,逐点激发并收集㊂地质雷达采集数据的处理步骤则主要包括去失真处理㊁水平信号去除㊁静校正㊁增益㊁带通滤波㊁二维滤波等㊂4 结果分析通常采用波形图表示雷达图像,如图2左侧㊂但当采用探地雷达进行连续测量时,由于采集的电磁脉冲数非常多,继续采用波形图则难以清晰表述雷达图像特征,此时可将波形图转换为灰度图,如图2右侧㊂波形图转换为灰度图的具体原理为:将没有反射信号的区域描绘为灰色,表示这些区域的反射信号振幅弱,没有有效反射㊂将反射界面的波谷相位描绘为黑色,波峰相位描绘为白色,即用黑色和白色表述出了信号的相位;黑色和白色的强度表述出了信号的振幅,即越黑或越白就表示振幅越强,该处的反射信号越强㊂桩号D K 54+732~D K 54+762的区段范围对应的地质雷达剖面波形图和灰度图分别如图3和图4所示㊂具体来看,在掌子面前方0~200n s 的区段内(电磁波波速0.1m /n s ,视深度0~10m ),对应桩号D K 54+732~D K 54+742的范围,电磁反射波振幅较小,频率以中高频为主,结合79建材世界 2022年 第43卷 第4期地勘资料推测该区段围岩与掌子面相近㊂在掌子面前方200~420n s 的区段内(电磁波波速0.1m /n s ,视深度10~21m ),对应桩号D K 54+742~D K 54+753的范围,掌子面前方有多组明显的电磁反射波,同相轴局部连续,振幅较强,频率中等偏低㊂结合地勘资料,初步判断此区段围岩较掌子面变差,节理裂隙发育,岩体破碎㊂且在D K 54+745~D K 54+753区段,有溶洞发育,溶洞边界非常清晰;溶洞首先在掌子面右侧揭露,且该溶洞可能有水填充,开挖至该桩号附近时应注意防范突水突泥等地质灾害㊂在掌子面前方420~600n s 的区段内(电磁波波速0.1m /n s ,视深度21~30m ),对应桩号D K 54+753~D K 54+762的范围,电磁反射波振幅较小,频率以中高频为主,推测该段围岩较前段围岩完整性稍好㊂结合槐树店隧道具体开挖情况来看,基于地质雷达的超前地质预报结果与实际情况一致㊂进口掌子面开挖至D K 54+745时,掌子面右侧揭露一溶洞,溶洞中有股状水流,溶洞揭露部分宽度约3.5m ㊂5 结 论考虑到宜昌山区多为岩溶地质构造,采用对岩溶地层溶洞与岩溶水具有较好识别能力的地质雷达方法,对新建当阳至远安支线铁路槐树店隧道D K 54+732~D K 54+762里程段进行了超前地质预报㊂结果表明,地质雷达法在预报溶洞灾害等方面具有优势,成功预判槐树店隧道掌子面前方D K 54+745~D K 54+753区段存在溶洞㊂参考文献[1] 黄 陈,陈 谊.山区公路路线设计的特点与策略探讨[A ].2020万知科学发展论坛论文集(智慧工程二)[C ].西安:中国智慧工程研究会智能学习与创新研究工作委员会,2020:715-723.[2] 叶林海,陈修和,李 诚.安徽省高速公路隧道照明节能的实践与思考[J ].中国交通信息化,2011(4):105-107.[3] 许崇帮,王华牢.杜公岭隧道工程地质特征及工程危害性分析[J ].公路交通科技,2019,36(8):93-99.[4] 洪卫良.基于T S P 地震波法的长大隧道不良地质探测[J ].土工基础,2012,26(1):60-62.[5] 吴 俊,毛海和,应 松,等.地质雷达在公路隧道短期地质超前预报中的应用[J ].岩土力学,2003(S 1):154-157.[6] 聂利超,李术才,刘 斌,等.隧道激发极化法超前探测快速反演研究[J ].岩土工程学报,2012,34(2):222-229.89建材世界 2022年 第43卷 第4期。

地质雷达在隧道超前预报中遇到破碎带时的特征图像分析摘要：地质雷达法是一种用于探测地下介质分布的广谱电磁技术。

地质雷达法操作简单、占用施工时间短、能灵活适用掌子面空间、成本较低，在工程上的应用很多。

对于破碎岩体、溶洞的探测，地质雷达效果较好。

这里介绍地质雷达图形中破碎带破碎岩体的识别与分析。

关键词：地质雷达，超前预报，破碎带1 引言地质雷达（GroundPenetratingRadar ，简称GPR）方法是一种用于探测地下介质分布的广谱（1MHz—1GHz）电磁技术。

地质雷达的原理是电磁波反射法，用一个天线发射高频电磁波，另一个天线接收来自地下介质界面的反射波，通过对接收的反射波进行分析就可推断地下地质情况。

围岩稳定性是隧道及地下工程设计和施工关注的主要问题之一，围岩变形失稳塌方是隧道施工中危害极高的地质灾害，引起围岩变形失稳塌方的主要不良地质有：节理密集发育岩体、全强风化岩脉、矿巷放顶填充物、岩溶充填物（黏土、黏土质砂、黏土夹块石等）、断层及其碎裂带、极易风化软化的某些火成岩脉、顺层错动破碎带。

隧道是建筑在地下的隐蔽工程，地下地质条件复杂，潜在、无法预知的地质因素较多，隧道在穿越诸如地层破碎带、断层、岩溶以及富水岩层等不利地质条件时，若采取措施不当，会对隧道结构和安全施工带来极大威胁，甚至威胁到现场施工人员的生命。

因此，在隧道施工的掘进过程中，进行隧道地质超前预报，提供隧道掘进前方的地质情况，进而做出对围岩类别的判断和坑道稳定性的分析是十分必要的。

2 地质雷达原理简介地质雷达（GPR）是一种新兴的探测技术，它通过发射雷达信号，利用地下目标与周围土壤对雷达信号反射、散射的差异来发现地下埋设的目标，通过向地下发射高频电磁波来探测地下目标的工具，它具有测量速度快、分辨率高、无损探测等优点，在公路、铁路、桥梁、隧道中得到了广泛的应用。

地质雷达通过发射和接收高频率、短脉冲电磁波，并根据接收到的电磁波的振幅、波形和频率等特征来分析和推断地下介质结构、地层岩性特征的浅层地球物理探测技术。

为保证隧道的顺利施工，避免地下水发育地段突水、突泥的发生, 防止地表水、地下水流失，确保隧道施工安全，需要采取有效措施对隧道掌子面地质情况进行较为准确的预测预报，根据隧道的具体情况，判定超前地质预报内容并纳入工序管理之中。

经过超前地质预报，在开挖后对地质条件再次认知，通过对比反馈信息和分析，逐步提高对围岩的预报判释的准确性。

超前地质预报的工作程序参见图2图2超前地质预报工作内容程序图地质素描地质素描预测法分为岩层岩性及层位预测法、条带状不良地质体影响隧道长度预测法以及不规则地质体影响隧道长度预测法三种。

对掌子面已揭露出的岩层进行地质素描（观察岩石的矿物成分及其含量，结构构造特征和特殊标志），给予准确定名，测量岩层产状和厚度。

测量该岩层距离已揭露的标志性岩层或界面的距离，并计算其垂直层面的厚度。

将该岩层与地表实测地层剖面图和地层柱状图相比，确定其在地表地层（岩层）层序中的位置和层位。

依据实测地层剖面图和地层柱状图的岩层层序，结合TSP探测成果，反复比较分析，最终推断出掌子面前方一定范围内即将出现的不良地质在隧道中的位置和规模。

施工过程中，每次爆破后由地质工程师进行地质素描，内容包括掌子面正面及侧面稳定状态、岩层产状、岩性风化程度、节理裂隙发育程度（产状、间距、长度、充填物、数量）、喷射混凝土开裂、掉块现象、涌水情况、水质情况、水的影响、不良气体浓度等。

同时定期对地表水文环境进行观测和监测记录，及时了解隧道施工对地表水的影响，确定施工控制措施，最终做出掌子面地质素描图和洞身地质展示图。

及时对洞内涌水进行水质分析和试验，提交分析和试验结果，对影响隧道衬砌结构的水质提出处理意见，上报技术部门，以利采取有效的防护措施。

超前探测主要针对地下水发育地段的断层破碎带及其影响带、岩层接触带、构造及发育带超前物探长距离超前物探：首选方法为TSP203地质探测仪（探测距离约200n）,对比方法为水平钻孔超前探测。

TSP203超前地质预报系统是利用地震波在不均匀地质中产生的反射波特性来预报隧道掘进面前方及周围临近区域的地质状况。

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岩溶隧道地质雷达超前预报及典型图像分析高树全;牟元存【摘要】地质雷达因其探测快速等优点,在隧道超前地质预报中得到广泛应用.地质雷达能够对岩溶隧道施工过程中常见的溶蚀裂隙带、溶洞和富水岩溶管道等进行有效预报.本文简要阐述了地质雷达在超前地质预报过程中的注意事项,并结合几个典型实例,分析地质雷达图像中波形、振幅和频率等特征,探索了雷达图像与隧道岩溶地质现象的相关关系.研究结果表明,溶蚀裂隙带、溶洞和富水岩溶管道的雷达图像,在波形均一性、振幅和频率变化及信号能量衰减等方面表现出不同的特征,这为进一步地质解释提供了较可靠的参考依据.【期刊名称】《铁道建筑技术》【年(卷),期】2015(000)010【总页数】4页(P12-15)【关键词】岩溶隧道;地质雷达;图像分析;超前地质预报【作者】高树全;牟元存【作者单位】中铁二院工程集团有限责任公司四川成都610031;中铁二院工程集团有限责任公司四川成都610031【正文语种】中文【中图分类】U456.3作为短距离超前预报物探方法之一,地质雷达在隧道超前地质预报中发挥了重要作用［1］。

它不仅能验证(或缩小)中长距离预报中可能存在的异常,也能为下一步的超前钻探验证提供较可靠的孔数、孔位参考。

地质雷达独特的探测原理(电性差异)和灵活的操作方式,使其在岩溶隧道超前预报中发挥着不可替代的作用。

超前地质预报中,地质雷达测线布置、时窗设置和数据后处理等至关重要,它是雷达图像有效解译的基础。

当已探测出掌子面前方存在岩溶不良地质体时,若不能对其性质有较可靠的认识,盲目揭示后易出现坍塌、涌泥及涌水等地质灾害,使得隧道开挖极具风险。

本文根据业内人士的一些认识［2-10］,结合大量的实测数据和工作实践经验,通过几个典型地质雷达剖面,分析雷达图像中波形、振幅和频率等特征,探讨地质雷达图像特征和岩溶地质现象的相关关系,为降低施工风险、赢得隧道掘进时间创造了良好条件。

2.1 物探前提及适用条件2.1.1 物探前提由于岩溶隧道中出现的不良地质体(如:溶蚀裂隙带、溶洞和富水岩溶管道等)和周围介质存在明显的介电常数差异,进而在雷达剖面上形成明显的雷达异常反射信号。

管线探测一、金属管线探测实例使用400MHz 天线在杭州凯旋路的马路边缘处探测金属自来水管，探测方向垂直于马路。

图1－1为实测得到的雷达图，图中红色方框表示自来水管的位置，管线顶部的埋深为1.1米。

经过实际开挖验证，该结果和实际情况吻合。

图1－1 金属自来水管探测雷达图二、PVC管线探测实例使用200MHz天线在深圳福滨小区测量PVC自来水管道。

图2－1为实测得到的雷达图，图中红色框表示PVC自来水管的位置，管线顶部的埋深约为0.75米。

图2－1 PVC自来水管探测雷达图使用MF天线阵雷达系统在北京百万庄大街探测一处PVC材料煤气管线，图2－2为实测得到的雷达图，其中，左部的红色圆圈标记出的是一污水管，中部的红色圆圈标记出的是一自来水管，右部的红色圆圈为PVC材料的煤气管，抛物线波形的两叶较短，但由于PVC管内是气体，因此反射较强烈，抛物线波形的黑白相间比较明显。

图2－2 PVC煤气管探测雷达图三、水泥管线探测实例使用80MHz天线在首钢检测水泥管。

图3－1为实测得到的雷达图，图中红色方框表示水泥管的位置，水泥管管顶深度为3.4米，外径600mm，位置如雷达图所示。

图3－1 水泥管探测雷达图四、电缆探测实例使用200MHz天线在深圳福滨小区探测电缆。

图4－1为实测得到的雷达图，图中电缆及金属管的反映均很明显。

图4－1 电缆探测雷达图五、铸铁管线探测实例使用200MHz 天线在北京污水处理厂门外的人行道上进行探测，目的是找出一根铸铁自来水管。

图5－1为实测得到的雷达图，图中红色方框表示铸铁管的位置，铸铁管的反映非常明显，深度在1.5米。

图5－1 铸铁管探测雷达图六、深部管线探测实例使用40MHz半屏蔽天线在北京花园桥东侧马路边探测热力涵洞。

图6－1为实测得到的雷达图，红色方框表示热力涵洞的位置，从图中可以清晰的看到热力涵洞在120纳秒处的反映。

图6－1 热力涵洞探测雷达图七、地下复杂管线探测实例探测情况：以下是使用MF天线阵雷达系统在北京市委党校院内进行管线探测的例子，该区域内管线纵横交错，且管线之间相距很近，探测难度很大。

地质雷达在隧道超前预报中的应用曾爱霞杨峻摘要：隧道开挖掘进过程中常遇到不良地质体，需要提前进行预报。

以王子石隧道为例，研究断层破碎带、富水带、裂隙密集带等不良地质体在地质雷达图像中的显现特征，论证了地质雷达探测结果的可靠性。

关键词：地质雷达；不良地质体；超前预报1 前言在隧道施工中，由于前方地质情况不明，常遇到不良的地质因素，如断层、破碎带、溶洞、暗河等。

一般地面测绘所遇到的这类地质现象仅为地下开挖时所遇到的1%～9%，因而隧道施工的危险性很大[1]。

若能准确地在隧道掘进中提前了解掌子面前方岩性结构的变化情况，可及时合理地安排掘进进度，修正施工方案，安排防护措施，避免险情发生。

地质雷达技术被应用于隧道工程的地质超前预报中，它具有速度快、成本低及分辨率高等特点，因此具有广泛的应用前景。

2 隧道超前地质预报的雷达探测理论地质雷达是一种无损探测仪器。

地质雷达方法是一种用于确定地下介质分布的广谱(1MHz-1GHz)电磁技术。

它依据电磁波脉冲在地下传播的原理进行工作，电磁波脉冲由发射天线T发出，被地下介质介面（或埋藏物）反射，由接收天线R接收，见图2-1，然后将这王子石隧道隶属于沪蓉国道主干线湖北宜昌-恩施公路第一合同段，它位于宜昌市长阳县龙舟坪镇王子石村，呈近东西向展布，隧道地处构造溶蚀、侵蚀低山地貌区，山体总体呈北西向条形展布，沿隧道轴线总体呈东西高、中间低的特征，地面高程在230m~342m之间，最大相对切割深度212m。

隧道进口地形上表现为较陡斜坡，地形坡度在20°~40°左右；出口处地形陡峻，为近于直立的陡崖，垂直切割高度最大在70m以上；山坡植被较发育，进出口洞的冲沟边缘均分布有零星居民点。

隧道区地质构造较复杂，有断裂构造带通过且有岩溶发育；隧道区岩层产状总体上在195°~203°∠70°~84°之间，仅在隧道右线进洞口段岩层产状不同，其产状为5°∠42°。

隧道超前地质预报（地质雷达）目录1 概况............................. - 1 -2物探方法基本原理 ................. - 1 -2.1 基本原理............................................ - 1 -2.2 探地雷达在勘查中的基本参数........ - 2 -2.2.1 电磁脉冲波旅行时............... - 2 -2.2.2 电磁波在介质中的传播速度- 3 -2.2.3 电磁波的反射系数............... - 3 - 2.3 数据处理方法................... - 3 -2.3.1 距离归一化................................... - 3 -2.3.2确定波速........................................ - 3 -2.3.3 水平和垂直滤波........................... - 4 -3 设计文件描述的预报段地质条件..... -4 -4 掌子面地质编录及地质分析......... - 4 -5 探底雷达测试与结果分析........... -6 -5.1 测线的布置................. - 6 -5.2 数据处理结果............... - 7 -5.3解译分析................... - 8 -6.结论和建议....................... - 9 -附件一：掌子面地质编录表.......... - 10 -1 概况###隧道为@@@@高速公路G7标段的在建隧道。

隧道位于@@市@@县@@村@@沟右岸。

隧址区属后龙门山推覆构造带，围岩岩性主要为钙质千枚岩、凝灰千枚岩、石英千枚岩。

因受构造影响，岩体局部（一般为不同岩性接触带）片（劈）理极发育，岩石呈薄片状、碎片状结构，岩质极软，破碎。