地质雷达在隧道超前地质预报中的应用_程帅然

２００９年６月地质装备２９圈１葵岗隧道断层雷达探测图像质石英砂岩。

Ｋ７９＋７７２～Ｋ７９＋７７６及Ｋ７９＋７８２～Ｋ７９＋７８４段雷达反射波呈断续的缓倾角强反射波组，波形紊乱，推断为陡倾角辉绿岩脉破碎带，其中Ｋ７９＋７７２～Ｋ７９＋７７６段走向与掌子面成约２０。

交角，厚度分布不很规则，脉内岩体风化程度不均匀，裂隙发育，呈压碎～松散结构，强含水；Ｋ７９＋７８２～Ｋ７９＋７８４段辉绿岩脉走向基本与掌子面基本平行，脉内物质组成及强度相对均一，岩体呈镶嵌～压碎结构。

开挖以后证明我们的推断是完全正确的。

３溶洞地质雷达测试成果分析岩溶是隧道施工中的主要不良地质体，隧道开挖时容易引起突水突泥、隧道坍塌下沉，盲目施工很有可能引发重大生产事故或安全事故，查明其空间分布、规模及含水充泥情况是隧道超前地质预报中的一项主要任务。

梅河高速公路葵岗隧道进出口段均为炭质灰岩，岩溶很发育，隧址内分布的溶洞位于炭质页岩下部，炭质页岩为隔水层，该地段溶洞多为空洞或充填少量的流塑状红粘土。

溶洞内介质为空气，其弹性纵波速度坼＝３４０ｍ／ｓ，电阻率ｐ为＋。

ｏＱ·ＩＴＩ，相对介电常数ｅ，＝ｌ，衰减系数ｐ—ＯｄＢ／ｍ。

溶洞外围基本完整的灰岩，纵波波速Ｋ＝４０００～图２东山岗隧道断层雷达探测图像６０００ｍ／ｓ，电阻率Ｒ＝８００～２０００ｆｌ·１－ｆｌ，相对介电常数ｅ，一４～８，衰减系数卢一０．４～ｌｄＢ／ｍ。

可见，葵岗隧道进出口段分布的溶洞内外介质，在弹性、电性等方面均存在着明显的差异，这为地质雷达的探测提供了良好的物性基础。

图３是葵岗隧道左线ＬＫ３＋６２９～Ｉ。

Ｋ３＋６４９段的地质雷达图。

从图３中我们可以看出，ＬＫ３＋６３４～ＬＫ３＋６４４段范围内存在３个双曲线型异常反射体，推断为溶洞，经开挖证实。

４富水带地质雷达测试成果分析葵岗隧道所在山体内煤层发育，在以前曾经历过数百年的采掘，山体内巷道丛生，巷道多为下行巷道，积水严重。

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的应用摘要：地质雷达具有操作简便、扫描速度快、图像直观、高分辨率和屏蔽效果好等优点，在隧道超前预报中有很广泛的应用。

基于此，本文先是简单介绍了地质雷达的工作原理，然后具体分析了地质雷达在隧道超前预报中的应用，要选取好相关参数、布置好测线、选择正确的信号触发方式，之后要对地质雷达的检测结果进行数据处理和图像判读，最后列举了地质雷达在隧道超前预报中的应用实例。

目的是为了帮助施工人员更好地应用地质雷达进行隧道施工。

关键词：地质雷达；超前预报；天线频率1.地质雷达的工作原理地质雷达是应用超高频窄脉冲电磁波来探测介质分布的一种地球物理勘探仪器。

它的工作原理就是利用发射天线向隧道掌子面前的方向定向地发射电磁波信号，这种电磁波信号的频率为106-109Hz，电磁波在掌子面前方传播的过程中，遇到电性差异的目标体时，电磁波会发生反射，反射的电磁波由接收天线进行接收，其中，电性差异是指介电常数不同、电导率不同或是磁导率不同，电性差异越大，反射的电磁波信号越强烈，差异越小，反射的电磁波信号越差。

目标体是指空洞、富含水、裂隙或岩溶等。

通过对反射电磁波的时频、振幅和相位的特征等进行分析，就可以判断出掌子面前方的地质构造。

目标体到掌子面间的距离计算公式如下：其中，d是指目标体到掌子面间的距离，单位是m；V是指电磁波在介质中传播的速度，单位是m/ns；T是指反射电磁波双程的走时，单位是ns；X是指发射天线和接收天线间的距离，单位是m。

2.地质雷达在隧道超前预报中的应用2.1选取好相关参数天线中心频率，是决定地质雷达应用效果的主要参数。

应将该频率的选择作为参数选择的重点，确保隧道超前预报的过程能够有效完成。

目标体深度、目标体尺寸以及天线尺寸等，均需符合场地的要求，以保证雷达空间分辨率达标。

将空间分辨率设为x（m），将围岩介电常数设置为e，则雷达天线中心频率为f=150/xe1/2MHZ。

施工过程中，可采用上述公式选择雷达。

文章编号:1671-2579(2010)02-0185-03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;地质灾害收稿日期:2009-10-25基金项目:贵州大学自然科学青年科研基金项目(编号:2007047);贵州大学资源与环境工程学院青年教师科学技术基金项目(编号ZH Y0804)作者简介:常铮,女,硕士,讲师.E -mail :a2000908@ 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。

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 以上结果表明,地质雷达检测结果与抽芯结果基本吻合,地质雷达检测结果可以有效地控制隧道施工质量,及时消除质量隐患。

地质雷达技术在隧道地质超前预报中的应用摘要地质雷达技术已广泛应用于铁路、公路、水电等大型工程的地质勘探、隧道的地质超前预报和工程质量检测。

地质雷达可以准确预报隧道掌子面前方20—30m的围岩地质变化情况，为安全快速施工提供依据。

本文通过武汉—广州铁路客运专线五尖大山隧道进口地质超前预报的一次应用实例，详细介绍了地质雷达在隧道地质超前预报工作中的应用，具体阐述了地质雷达的基本原理、数据采集、数据处理、解释结果，并和围岩实际开挖情况做了对比分析。

关键词地质雷达技术五尖大山隧道地质超前预报1. 前言自上世纪八十年代中期，我国引进地质雷达这种先进的无损检测技术以来，地质雷达已广泛应用于铁路、公路、水电等大型工程的地质勘探、工程质量检测和隧道的地质超前预报等工作领域。

对于长大隧道的开挖，进行地质超前预报很有必要，特别是地质情况复杂的隧道，在开挖前进行地质超前预报，探明掌子面前方的地质变化情况，并根据随时变化的地质情况及时调整施工方案和各类支护参数，使施工单位对前方的地质情况做到心中有数，提前进行必要的安全、技术、人力、物资和设备储备，及时采取有效的技术措施和安全措施，才能在隧道施工中有效避免塌方、涌水、泥石流等严重性地质灾害。

我们在2006年使用地质雷达对武汉—广州铁路客运专线五尖大山隧道掌子面前方地质情况进行了多次地质超前预报。

任务要求：超前探测隧道掌子面前方地质变化情况。

2．地质雷达工作原理简介地质雷达（Ground Penetrating Radar ，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（如下图所示）。

通过对接收的反射波进行分析就可推断地下地质情况。

地质雷达反射探测原理图根据波动理论，电磁波的波动方程为：P = │P│e-j（αx-αr）﹒e-βr (1)（1）式中第二个指数-βr是一个与时间无关的项，它表示电磁波在空间各点的场值随着离场源的距离增大而减小，β为吸收系数。

地质雷达在公路隧道超前地质预报中的运用摘要：在科学技术的发展背景下，公路隧道工程中的超前地质预报问题得以解决。

并且还在对公路隧道超前地质预报中所涉及到的技术及操作流程进行了解析，通过利用地质雷达原理，分析出隧道工程超前地质预报的数据，作业人员会根据采集到的数据进行制定准备计划，以此加快公路隧道的作业。

本文主要针对地质雷达在公路隧道工程超前地质预报中体现的作用进行简单的分析，还简单介绍了地质雷达在公路隧道作业中的技术体现，希望可以为今后公路隧道工程工程作业提供便利。

关键词：地质雷达；公路隧道；超前地质预报；探究前言众所周知，我国高速公路上隧道路段较为常见，这都是在科学技术的发展推动下得以快速发展，充分说明了科技技术的发展大大加快了我国交通事业的发展进程。

近年来，隧道工程作为公路建设中实施操作较难的一项作业，再加上不同地质所涉及到的岩石属性都是不同的，这也就意味着会给公路隧道工程作业造成一定的施工难度。

进而，可以使用地质雷达技术对隧道建设进行数据采集分析，通过数据可以制定出最佳的施工方案，从而加快公路隧道的着整体建设进度，提高了工作的效率。

1地质雷达技术的超前地质预报特征在建设公路隧道期间，隧道施工过程中会遇到崩塌、岩溶断层破碎和地下水量过大等负面因素，而这些因素极有可能会造成事故，阻碍施工进度。

进而，需要在建设公路隧道前期，最好勘探准备工作。

但是往往因为条件及技术方面的因素，对隧道勘探准备工作造成影响，导致隧道内的实际情况与勘探的结果相差较大。

基于此，隧道超前地质预报工作对于公路隧道施工而言尤为重要，而针对地质雷达方面的技术有很多。

例如最为传统的地质雷达成像技术，会以图像的形式与实际情况进行相对比，而这一技术对于勘探隧道工作而言有着非常重要的作用；但是，该地质雷达技术在成像方面仍有待提高，相比与实际情况还存在一些差距，再就是如何根据图像显示来区分识别地质现象等问题，都需要进一步更新完善。

而当前的地质雷达勘探技术相比以往传统的勘探技术而言，地质雷达技术可以通过高频电磁波，利用电磁波的反射原理进隧道内的数据进行采集处理，再根据数据生成内部图像，从而精准的判断出隧道内的地质情况，从而加快公路隧道施工的进程。

地质雷达在隧道超前预报中的应用摘要：首先介绍地质超前预报的意义、内容、方法以及地质雷达的基本原理和雷达图的定性解释，以地质雷达在云雾山隧道超前地质预报应用为例，说明地质雷达的应用能够准备的指导施工。

关键词：地质超前预报地质雷达预测隧道Abstract: The meaning, the contents, the methods of the geological advanced prediction , the basic principle of the geological radar and the entirely qualitative interpretation of the radar wave are introduced firstly, then takes the application of GPR in the tunnel of Mountain Yunwu as an example and explains the detection technology of GPR can accurately guide tunnel construction.Keywords: Advance geological forecast; GPR; forecast; tunnel中图分类号：F407.1文献标识码：A 文章编号：1 地质超前预报的意义和内容我国地域宽广，国土多为土地，相应的各种断裂带发育、造山带、地下水丰富，这些都向隧道工程师提出了一系列难题，地质超前地质预报工作显得尤为重要。

作为隐蔽工程的隧道工程在开挖时，由于前方地质情况不确定，经常会因遇到破碎带、断层、高地应力、暗河、溶洞等不良地质体而导致泥石流、塌方、岩爆冒顶、涌泥、涌水等地质灾害发生。

这就需要在隧道施工中，对隧道掘进前方的危险地质情况进行地质超前预报来控制风险，及时提出调整支护参数或加固措施建议，以保证施工安全和工程质量，加快施工进度，缩短工期[1]。

地质雷达在软弱围岩隧道超前预报中的应用地质雷达在软弱围岩隧道超前预报中的应用隧道工程是现代城市建设和交通基础设施建设中不可或缺的一部分。

然而，在施工过程中，软弱围岩会给工程师带来巨大的挑战。

软弱围岩的特点是地质力学性质不稳定，容易形成塌陷、冒泥、崩塌等地质灾害，给隧道施工和后期维护带来很大困难。

因此，软弱围岩隧道的超前预报显得尤为重要。

在这方面，地质雷达技术的应用为工程师提供了一个重要的手段。

地质雷达是一种利用电磁波传播和反射原理探测地下物质和结构的无损探测设备。

它通过向地下发送短脉冲电磁波，记录反射回来的信号，通过分析这些信号的特征，可以得到地下结构的信息。

地质雷达具有探测深度大、探测精度高、解释能力强等优点，因此在软弱围岩隧道的超前预报中具有重要的应用价值。

首先，地质雷达可以用于软弱围岩的地下结构探测。

软弱围岩在不同地段可能存在不同的地下结构，如夹层、节理带等。

地质雷达可以通过探测地下结构的反射信号，判断围岩的稳定性和变形情况，为超前预报提供数据支持。

同时，地质雷达还可以探测到围岩中的水位、渗流等情况，为围岩工程的排水和处理提供信息。

其次，地质雷达可以用于软弱围岩的变形监测。

软弱围岩在受到外力作用或者自身负荷变化时，容易发生变形。

地质雷达可以连续监测地下结构反射信号的变化，通过分析信号的变化特征，可以判断围岩中的变形情况。

在隧道施工过程中，及时发现和监测软弱围岩的变形情况，可以及时采取措施进行支护和加固，保证施工安全和质量。

此外，地质雷达还可以用于软弱围岩的质量评价。

软弱围岩的质量直接影响隧道的施工进度和后期维护。

地质雷达可以通过探测反射信号的强度、频率等参数，评估围岩的物理性质和工程质量，提供施工工艺和方案的依据。

同时，地质雷达还可以反演围岩的质量参数，如弹性模量、黏聚力等，为工程设计提供重要依据。

最后，地质雷达还可以用于软弱围岩隧道的预测和预警。

通过连续监测隧道围岩的变化情况，地质雷达可以识别围岩的不稳定及变形进程，提前预警地质灾害的发生。

地质雷达在隧道超前预报及质量检测中的应用殷川【摘要】地质雷达作为一种先进的探测、检测手段,能够很好地用于隧道超前地质预报及质量检测中.介绍了地质雷达的工作原理、参数设置及测线布置等问题,结合云湖1号隧道工程实例,阐述了地质雷达在隧道超前地质预报以及衬砌背后脱空、厚度等质量检测中的方法和作用,对具体的施工和质量问题提出建议.总结出了地质雷达在使用时的几点注意事项,可为类似工程做参考.%As a kind of advanced detection means, ground penetrating radar is effectively used in geological fore-cast and quality detection of tunnel. The working principle of the radar, the setting of parameter and the layout of the lines are introduced in general. Combined with the project example of Yunhu No.1 tunnel, the method and effect of ground penetrating radar in geological forecast and quality detection are expounded. Some suggestions for tunnel construction and quality control problems are put forward, which provides the reference for other similar projects.【期刊名称】《兰州工业学院学报》【年(卷),期】2015(022)006【总页数】5页(P72-76)【关键词】地质雷达;超前地质预报;质量检测【作者】殷川【作者单位】兰州交通大学土木工程学院,甘肃兰州 730070【正文语种】中文【中图分类】TU413.6随着我国经济的高速发展，新建的公路、铁路隧道在逐年增加.由于施工现场的地质情况相对较复杂，受工程地质勘察时间、经济、技术难度等条件的限制，往往造成勘察设计成果与实际情况不符[1].因此，可以在隧道施工过程中，对掌子面前方地质情况进行超前探测预报，与设计相结合来指导隧道施工，以保证施工的安全进行[2].同时，建成运营中的隧道暴露出来的病害也越来越多，所以，在隧道施工过程中加强施工指导及质量检测显得尤为重要.地质雷达是近年来一种新兴的地下探测与混凝土构筑物无损检测的新技术，具有快速、高效、无损、连续、分辨率高等优点[3-4]，因此在隧道超前地质预报及质量检测中可以发挥重要作用.本文结合地质雷达在四川省绵竹至茂县公路绵竹段工程云湖1号隧道超前地质预报及质量检测中的应用，以具体里程的超前预报和部分地段的初支、二衬质量检测为例，通过数据处理分析，对隧道超前地质预报和衬砌病害的具体图像做了介绍，并总结出超前预报及衬砌检测时的一些注意事项,以此指导施工和质量检验，保证施工安全及质量.1.1 地质雷达使用原理及方法地质雷达是基于探测区域内物质介电常数的不同，利用发射天线发射高频电磁脉冲波的反射来探测地质目标体的一种物探手段[5].它的基本原理是：由发射天线发射一个电磁波，该电磁波在介质中传播，并被各类介质反射，然后由接收天线接收，雷达检测原理见图1.地质雷达工作时，其回波走时(电磁波行程所需时间)t为v.其中，x为发射、接收天线的间距；z为反射点的法线深度；v为电磁波在地下介质中的波速.由式(1)雷达根据测得的雷达波走时，自动求出反射物的深度z和范围. 当电磁波遇到介质分界面(如初衬和围岩的界面，初衬和二衬的界面等)或地下异常体(如空洞，脱空，不密实等)时，由于介电常数的差异，反射强弱及波形上会出现明显差异，许多道反射波组合起来，形成一个雷达剖面.1.2 地质雷达参数设置探地雷达不同频率天线的测深能力不同，频率越低，探测深度越大，但是分辨率会降低；频率越高，探测深度越浅，分辨率会提高[6].在隧道内检测，需采用屏蔽天线.本文超前预报探测工作使用瑞典MALA地球科学公司(Sweden MALA Geoscience Inc)生产的RAMAC CUII型探地雷达，探测时，使用发射频率为100 MHz的屏蔽天线.在衬砌质量检测中使用瑞典MALA公司产的RAMAC/GPR型地质雷达，采用新型的X3M主机，用800 MHz屏蔽天线检测初期支护，用500 MHz屏蔽天线检测二次衬砌.具体测试参数见表1.2.1 工程概况云湖1号隧道全长3 554 m，是四川省绵竹至茂县公路绵竹段工程(8.13灾后重建工程)的一座特长隧道，为双向行车隧道，隧道起讫里程为K9+750到K13+305.云湖1号隧道所穿越的绵远河左岸山体，地形上为一沿绵远河走向展布的山体，其山脊走向北西至南东向，地形陡峭.隧道进口处下段地形相对较缓，地形坡度25～35°，上段为岩质陡坡，坡度60～65°，局部近直立；出口处上下段均为悬崖绝壁，坡度65～75°.由于受强烈的构造挤压作用，山脊高耸.隧道穿越山脊顶部最高高程为1 980 m，隧道进口绵远河河床高程752 m，岭谷相对高差达1 228 m，属中山构造剥蚀地貌.根据区域地质资料及野外地质调查，隧址区出露地层复杂，主要有第四系全新统崩积、第四系全新统崩坡积、第四系全新统冲洪积、第四系全新统泥石流规程以及二叠吴家坪、二叠系龙谭组、二叠系阳新组、二叠系梁山组、石炭系总长沟组及泥盆系沙窝子组、泥盆系观雾山组.2.2 雷达数据采集及测线布置在进行超前预报数据采集前，首先观察掌子面，结合设计资料，作出掌子面素描和地质条件，然后连接主机与100 MHz雷达屏蔽天线，设置采样参数，在现场施工人员配合下进行数据采集.地质雷达探测时，在掌子面距隧道拱顶约4.5 m处布置一条水平测线.在衬砌质量检测时，先将主机、电脑及对应天线联接，手持天线贴住衬砌(或路面)砼表面，然后开机并设置好各采样参数开始采样，采样时手持天线顺着测线匀速(5 km/h)移动，在检测拱腰和拱顶时，在检测作业车上搭设钢管架平台以满足作业高度的要求.初期支护检测时沿隧道纵向共布置5条测线，以便使检测结果能全面地反映隧道的质量情况，其中左边墙、左拱腰、拱顶、右拱腰、右边墙各布置1条测线共5条测线.二次衬砌沿拱顶、隧道中线两侧起拱线位置、仰拱中线左侧(或右侧)1 m、仰拱中线右侧(或左侧)4 m共布置5条测线(无仰拱段落设置3条).衬砌测线横断面布置示意如图2.3.1 超前预报数据处理及解释本次超前预报数据采用云湖1号隧道掌子面k11+108处所采集的数据，掌子面围岩以中风化白云质灰岩及灰岩为主，属较硬质岩，受构造影响较严重，节理裂隙较发育，岩体较破碎，岩体层间结合一般，多呈中厚层状及块(碎)石状结构，整个掌子面较干燥，无裂隙水渗出.将地质雷达对掌子面测线所探测得到的原始雷达波进行分析处理，具体分析处理方法是：对其进行移动开始时间静校正，增益，去直流漂移和巴特沃斯带通一维滤波，抽取平均道及滑动平均等二维滤波处理，压制和剔除干扰波，突出有效波.处理后的雷达波如图3所示.根据地质雷达探测剖面综合分析如下：1) 在掌子面前方0～360 ns的区段范围内(构造深度0～18 m，参考波速0.1m/ns)：该范围内矩形标记处电磁波信号以较均匀中低频为主，同相轴较连续，波形频率变化较有规律，初步推断存在裂隙水；椭圆标记处电磁波信号为较均匀中低频，同相轴连续，波形频率高低变化快，初步推断为软弱泥质夹层.具体位置见图3所示.2) 在掌子面前方360～560 ns的区段范围内(构造深度18～28 m，参考波速0.1 m/ns)：该整体区域范围内电磁波信号以中低频为主，波形频率高低变化快，同相轴较连续，初步推断该整体范围围岩节理裂隙发育，层间结合差，岩体破碎.具体位置见图3所示.3.2 衬砌检测数据处理及解释1) 初支检测数据分析.初支检测选用云湖1号隧道K10+450～K10+485处采集数据.根据支护状况观察可知，K10+450～K10+485段初支表面无渗水现象，无裂缝，钢架无明显变形，喷层有轻微剥落.为了更好的解释该段初支异常发生的原因，采取对初支背后进行加密布线探测以掌握初支背后的地质情况.仪器采用探地雷达X3M(短距离探测精度相比用于远程探测的TSP精度较高)，天线选用800 MHz，采用时间采集.根据探测目的，本次探测采用如下布置原则：在K10+450～K10+485约35 m范围内对开挖轮廓进行雷达探测加密布线：纵向布置11条测线.对数据采用REFLEXW 2D软件进行处理，最终得到各测线的成果图，以此对衬砌质量进行分析评价工作.采用的主要处理功能有：去直流飘移、移动开始时间、增益(能量衰减)、水平滤波、带通滤波、平均、图形转换等.各测线纵向检测结果示意如图4示(粗实线代表质量存在问题段).根据检测结果分析，初步推断本次探测的范围内存在较多大小不一，形状不规则，分布无规律的节理裂隙发育部位及节理裂隙密集带.初支背后节理裂隙密集带或充填型溶洞从桩号K10+470开始发育，并一直延续到K10+480位置，发育深度大概从1.1 m开始，一直延续到4.0 m位置，且沿隧道开挖轮廓线形成环形贯通.为了防止引发大的坍塌事故，确保前方掘进施工安全，建议暂停开挖掘进，并及时施作针对性的专项支护.2) 二衬检测数据分析.二衬检测中采用图2中LP-1,LP-3,LP-5测线，运用500 MHz天线采集数据.现场采集雷达波数据后，对数据进行处理，主要步骤为：道插值、偏移纠正、去直达波信号、增益、去水平信号、带通滤波、滑动平均.再利用Reflexw软件将衬砌厚度自动描绘出来，出具厚度检测结果，并根据雷达波反射信号对二衬背后缺陷进行评定.本次二衬检测采用云湖1号隧道k10+550～k10+755处数据分析，来说明地质雷达在二衬检测中的应用，典型雷达图如图5～7，k10+550～k10+755段右边墙二衬厚度检测成果图如图8.通过对雷达图像分析，地质雷达可以很好地检测出二次衬砌中存在的空洞、衬砌背后的脱空以及初支背后不密实等缺陷，也可以对二衬中的钢筋进行检测，为检测隧道衬砌的质量合格提供很好帮助.图5和图7中都存在着局部区域天线脱离和未贴好的情况，可能是天线停顿或遇到障碍物造成，为后期数据处理及结果的判断带来不便，在实际数据采集中应避免发生.二衬背后空洞或脱空病害将削弱衬砌及支护对围岩进一步变形的抑制作用，空洞处围岩的变形剥落将导致围岩应力的重组；围岩裂隙水积聚于空洞及脱空处将增加二衬及支护结构的负荷；衬砌厚度不够直接影响衬砌的受力能力(本次检测段衬砌厚度符合设计要求).这些是引起围岩坍塌、二衬及支护结构变形的主要因素.建议对检测结果中不密实、空洞及脱空处进行注浆处理，注浆后进行复测，确保衬砌及支护结构的安全性和可靠性.4.1 超前预报中注意事项在超前预报中采用点测方式，每次雷达移动距离尽量保持10 cm左右，并且保证雷达天线紧贴掌子面，以求采得更好数据.在数据处理完得到雷达图像后，要结合掌子面素描及勘察地质资料，对图像进行综合分析，保证预报的准确性及可靠性，进而为施工提供有效而准确的预防措施.在对数据处理中，应对图像先去除水平信号再增益，若先增益再去水平信号，会将掌子面前1～3 m范围内的有效信号误认为是水平信号去掉了，影响结果.4.2 衬砌检测中注意事项隧道衬砌检测中，初支表面往往凹凸不平，雷达天线往往不好紧贴，因此采用时间触发方式进行数据采集.但时间触发容易造成天线停顿，时间照常走，故在现场进行数据采集时，持天线的人与采集的人要相互配合好，当天线停顿时及时通过采集软件停止采集，等处理好后再继续进行采集，以免造成里程桩号错误及后处理数据时的繁琐.相反，二次衬砌相对来说表面比较光滑，在数据采集时采用距离触发方式，用测距轮进行采集，有利于对距离的掌控.但在采集过程中必须保证测距轮正常转动，不然会使雷达图像压缩，测定距离不准；再者，当测距轮使用时间长以后，会造成测距轮磨损，这样在测距轮使用过程中实测的距离不准，因此，为保证数据采集的准确，在测距轮使用时间久后对测距轮进行校正，再次进行数据采集时选用测距轮校正后的天线.1) 地质雷达作为探测隐蔽工程的仪器，在隧道的超前预报探测和衬砌质量的检测中发挥了重要作用.对于隧道掌子面前方短距离的超前预报，可以很好的探测前方的围岩变化及存在的潜在不良地质，为隧道安全施工提供了可靠的参考；对隧道初支、二衬中不密实、空洞及衬砌厚度(不足)等缺陷能够很好的检测，为施工的质量提供保证.2) 在隧道超前预报数据的采集中，天线移动的步距以每次10 cm为准，保证采集到有效准确的数据.在对数据处理中，应对图像先去除水平信号再增益.后期处理结合地质资料及掌子面情况，以做到探测更准确.3) 衬砌质量检测中，天线频率、触发方式的选择，从实际出发，初支采用时间触发，二衬采用测距轮距离采集，都为采集到更准确数据，方便后期的处理分析，能更好的保证检测的质量.【相关文献】[1] 程帅然,张勤,陈松.地质雷达在隧道超前地质预报中的应用[J].低温建筑技术,2013(9):106-108.[2] 岳彬,钟凌云,王贵和.地质雷达技术在客专隧道超前地质预报中的应用[J].工程勘察,2014(9):89-93.[3] 曾昭发,刘四新.探地雷达原理与应用[M].北京:电子工业出版社,2010.[4] 张家鸣.提高地质雷达隧道衬砌质量检测效果的几点措施[J].隧道建设,2014,34(7):691-695.[5] 张智蔚,孙杨勇,陈强.公路探地雷达技术在隧道检测中的应用探讨[J].公路交通科技:应用技术版,2008(4):141-143.[6] 吴刚.地质雷达在隧道初期支护质量检测中的应用[J].贵州工业大学学报:自然科学版,2008,37(4):222-225.。

地质雷达在隧道施工地质超前预报中的应用摘要：地质雷达作为常用的物探手段之一，具有方便快捷、探测灵敏、施工可操作性强的特点，因此被大量应用于隧道施工地质预报的工作中。

以某高速公路隧道为例，将地质雷达应用于施工地质预报中，并得出探测结论，旨在积累预报经验，为类似工程提供借鉴与参考。

关键词：地质雷达，隧道施工，地质预报一引言地质雷达的工作原理为以高频电磁波传播理论为基础，用于探测地下介质分布的广谱电磁技术。

地质雷达仪器由一台外部便携式PC、控制单元、发射天线和接收主机组成，用光缆把控制单元与发射机和接收机相连，用通讯电缆把控制单元与计算机相连。

电磁波在地下介质中传播的波形、路径和电磁场强度取决于所通过介质的电性差异及几何形态。

根据接收到的电磁波波形、强度、双程走时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。

本文选用瑞典MALA GEOSCIENCE AB公司研发的RAMAC 地质雷达，探测距离一般为20m[1]-[3]。

二工程概况2.1 项目概况东方山隧道位于鄂州市汀祖镇与黄石市下陆区东方山街道办。

隧道进口位于鄂州市汀祖镇上张村东方朔记念馆北西侧山坡；隧道出口位于黄石市下陆区东方山街道办陆柏林村。

隧道设计为分离式隧道，大致由北东往南西向展布，左幅全长2899m（ZK165+303～ZK168+202），坡度0.971%；右幅全长2931m （YK165+308～YK168+239）,坡度0.971%。

隧道洞室底板标高约106.5m～67.8m，最大埋深约343m，为长隧道。

设计隧道轴向约210°，洞门型式进、出口端均为削竹式，洞室有效净宽10.5m，有效净高5.0m。

2.2 地质情况隧道处于构造剥蚀丘陵地貌区，隧道轴线呈210°穿越东方山，山体走向为近东西向，地面高程在110m～450m之间，最大相对切割深度约150m。

隧道进、出口侧地形坡度较陡，自然坡角约为30～40°，坡面呈上陡下缓的阶梯状，植被较发育。

地质雷达超前地质预报技术在隧道探测工程中的应用摘要：隧道施工常遇到不良地质概况，如不提前预测可能对工程安全和进度产生较大影响。

在勘察过程中有效采用地质雷达进行超前地质预报具有高效、准确、无损探测物的优点，补充完善地质钻孔的缺陷，在隧道工程地质超前预报领域具有较好的适用性。

本文介绍了地质雷达探测技术在隧道地质超前预报领域的应用，着重介绍了地质雷达的操作经验和数据后处理技巧，对后续使用地质雷达进行地质预报具有一定的指导借鉴意义。

关键词：隧道工程；地质雷达；超前地质预报；数据采集；后处理引言我国隧道建设工程多分布于地质条件复杂的西南山区，隧道开挖常遇到岩溶发育、较大空洞、地下暗河发育、构造带、岩石破碎带等工程灾害，给隧道施工造成很多困难。

而地质钻探具有一定的局限性，它不能全面连续的揭露隧道围岩的地质构造，因此需要采用一定的手段对这些地质构造和地质灾害进行探测和预报，提前采取措施消除灾害。

地质雷达超前探测预报是一种无损检测的高新技术，具有轻便、高效、可靠、成果直观等特点，已经在多条隧道的地质探测实践中进行了验证。

1 地质雷达探测原理地质雷达探测是根据不同物质具有不同的介电常数、导电率和磁导率的特性，通过仪器设备发射和接收的高频电磁波，经过分析处理从而判断出施工场地前方地层的介电常数差异，进而判断前方地质情况。

电磁波在介质中的传播特性是由介质的波阻抗η决定的，η与其相对介电常数ε具有一定的关系。

反射系数R为：图1 不同介质中传播的电磁波反射2 探测仪器地质雷达发射装置发出的高频电磁波频带范围在几兆Hz到几千兆Hz之间。

低频电磁波的探测深度较大，范围较广，而高频电磁波其探测深度一般较浅，范围较小，其在常见的地质中探测的深度和范围从几米到十几米不等，有效深度较深的可达三十多米。

目前市场上应用比较广泛的地质雷如美国GSSI公司的SIR系列、加拿大Sensor&Software公司的EKKO系列、瑞典Mala公司的地质雷达等，达频带一般为100兆天线。

地质雷达在隧道超前预报与质量检测中的应用发布时间：2021-08-17T03:28:31.646Z 来源：《科技新时代》2021年5期作者：刘小铮[导读] 能为调整施工方案、做好施工质量评估提供全面可靠的分析数据，指导有关工作科学开展。

廊坊市中铁物探勘察有限公司河北省廊坊市 065000摘要：地质雷达技术具备良好的物体探测、信息数据可靠获取能力，利用地质雷达的技术优势，可以有效实现在隧道超前预报与质量检测中，对有关施工技术和安全管理方面，获取准确、动态化检测数据，通过充分做好隧道超前预报与质量检测中地质雷达技术的应用分析，指导有关隧道施工技术和加固方案的优化调节，尤其能对既定的问题和处理效果全面测试分析，保障在地质雷达技术应用中，能实现对科学隧道施工技术的调节、控制，保障施工水平提升，体现更加可靠的安全、质量管理能力。

关键词：地质雷达;隧道超前预报;质量检测;应用1引言地质雷达在隧道超前预报以及质量检测中，都能发挥积极作用，主要是能实现科学化管理，全面获取隧道施工中的不良信息隐患，做好科学化控制，能为调整施工方案、做好施工质量评估提供全面可靠的分析数据，指导有关工作科学开展。

2隧道超前预报与质量检测的实践意义隧道超前预报工作的开展，能对各种隧道施工中的不良隐患有效分析，及时做好必要技术管理，突出管理能力，保障在隧道施工中，能提前做好技术管控，实现科学管理，解决有关的工程建设问题。

在隧道的施工中，能发挥良好的控制优势，实现科学化管理，重视解决优化问题隐患，在隧道管理中，能做好科学分析，指导有关加固措施方案的实施，解决有关的质量问题。

质量检测技术能实现对特定问题的分析，主要是能解决有关问题，做好必要技术管理，对有关的隧道病害进行深入化管控，重点解决相关控制机制，做好科学管理，获得全面、可靠的质量检测技术资料，指导有关工作的科学开展，提升施工技术安全、质量控制能力。

通过在充分获得可靠、全面化检测和预防信息数据的前提下，有关的隧道施工工作建设更加安全，利于控制施工质量，发挥安全管理优势。