地质雷达(GPR)在超前地质预报中的应用

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。

GPR地质雷达法与TSP法在隧道超前地质预报中的运用摘要：介绍TSP法和地质雷达法的原理及数据处理中的注意事项，通过工程实例，验证了长距离预报手段(TSP法)与短距离预报手段(地质雷达法)相结合，可更精确地预报隧道工作面前方的地质情况。

关键词：GPR地质雷达法；TSP法；隧道超前地质预报；运用引言超前地质预报最早出现在上世纪的后期阶段，本身属于地质工程学当中的重要内容，我国对于这一内容的研究已经有了相当长的历史，并且在得到了一定的研究成果以后，开始广泛应用在各种地质工程建设当中，尤其以隧道最为明显。

伴随着铁路、公路的持续完善，隧道的长度也得到了实时的增加，而在隧道长度增加的过程中，所涌现出来的问题也越来越多。

为了实时避免由于地质问题而产生的各种工程事故，GPR地质雷达法与TSP法都被合理地应用到了隧道超前地质预报当中，而且发挥了相当高的实效性。

1、地质雷达原理地质雷达是用电磁波来确定地下介质分布的一种方法。

电磁波遇到不同反射界面(如地层分界面、溶洞、富水带等)，其传播路径随通过介质的不同而变化，过程中会产生反射、折射、散射、绕射及吸收等现象。

根据天线接收到的反射脉冲波的振幅、相位、波长、频率等特征进行分析，便能够大致推测界面或异常区的空间位置及分布变化情况。

其工作原理见图1。

图1 雷达超前预报工作原理示意图2、TSP法探测原理TSP法是一种类似于零偏移距VSP地震多波反射波法，是专门为隧道超前地质预报而设计的，对隧道施工能够提供有效的帮助。

TSP法在指定的震源点用小量炸药激发而产生的地震波，以球面波的形式在岩石中传播。

当在传播过程中遇到岩石分界面时，一部分波被反射，被高灵敏度的地震检波器接收，一部分则经过折射继续向前传播。

反射信号的传播时间与界面距离成正比，反射信号的强度与相关界面的性质、界面产状等密切相关，因而能提供直接测量。

探测时，在选定的隧道侧壁上布置24个爆破探测孔，从掌子面与隧道壁的相交处开始布置第24号孔，依次到1号孔。

地质雷达在公路隧道超前地质预报中的应用及实例分析摘要：介绍地质雷达的基本原理，总结图像波的识别方法，以地质雷达在缙云山隧道超前地质预报中的应用为例，说明地质雷达探测技术能够准确地指导隧道施工，最后对地质雷达探测技术进行展望并加以推广。

关键词：地质雷达超前地质预报隧道探测Abstract: The basic principle of GPR is introduced, and the recognition method of image wave is summarized. Takes the application of GPR in the tunnel of JinYunShan as an example, and explains the detection technology of GPR can accurately guide tunnel construction. Finally, popularizes the technology of GPR.Key words: GPR; advanced geological prediction; tunnel; detection0 引言在隧道施工中，尤其是地质条件复杂的隧道工程，超前地质预报越来越广泛应用，它关系到工程的安全、质量、成本和进度。

我国西南部多为山区，隧道施工过程中地质灾害经常发生，如冒顶、塌方和涌水等[1-3]。

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超前地质预报来控制风险，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 地质雷达探测的基本原理地质雷达探测属于波反射法，是利用超高频(106-109Hz)窄脉冲电磁波探测介质分布的一种地球物理勘探方法。

地质雷达工作时，在主机控制下，发射机发射周期性信号，信号遇到介质的非均匀体时，产生反射信号，反射信号再传输到接收机，再经电缆传输到雷达主机，最后把数据通过雷达处理分析系统进行处理，得到可识别的波相图，对波相图进行定性解释。

地质雷达（GPR）在超前地质预报中的应用超前地质预报是在隧道开挖时，对掌子面前方的围岩等级与不良地质发育情况做出预测、预报。

超前地质预报常用的物探方法有很多，分类不尽相同。

常规地质素描法和物探法是目前隧道施工中普遍采用的超前地质预报方法。

常规法包括：超前导坑法、正洞地质素描、水平超前地质探孔；物探法包括TSP-203、GPR、声波测试、地震反射法、红外探水。

GPR已成为地下工程常用的超前地质预报方法。

GPR被广泛的应用于工程质量检测、场地勘察和隧道超前地质预报工作。

其特点为：操作方便、分辨率高、预报距离短（20m～30m）和易受电磁干扰的特点。

二、GPR探测基本原理GPR是一种无损的探测技术，它利用宽带电磁波传播反射规律，查明地下不可视地质体情况。

发射天线Tx发出高频电磁波脉冲，被地下介质介面反射，被接收天线Rx接收，接收的信号经过GPR软件处理、分析，判明地下有无不良地质现象，见图2-2GPR电磁波脉冲传播示意图。

图2-2GPR电磁波脉冲传播示意图三、GPR实验数据特征：GPR溶洞、断层破碎带和裂隙密集带数据特征如表3-1所示：表3-1GPR数据特征图2-3GPR岩溶探测成果图图2-4GPR断层破碎带探测成果图图2-5GPR裂隙密集带探测成果图四、结语GPR在隧道开挖时，能够对掌子面前方的围岩等级与不良地质发育情况做出预测、预报。

地下岩溶发育，对雷达波的反射特征为：溶洞边界的反射雷达波为强反射波，同时经常伴有绕射现像。

断层破碎带内岩体的介电常数受孔隙度和含水率的影响较大，致使其与完整岩体的波阻抗差异明显。

当电磁波传播至两种地质体界面时[Ⅵ]，反射波能量增强、波形幅值增大；当电磁波传播至断层破碎带内部时，由于破碎的岩石胶结程度不同，致使反射的雷达波波形杂乱。

应用GPR软件得到雷达波场，其特征为：反射波强烈且振幅加强，同相轴错段。

有时候还可出现断面波和绕射波[Ⅷ]。

裂隙密集带主要存在于岩脉带及软弱夹层、断层影响带中，由于裂隙内有不均匀、不同成分的充填物，与周边围岩形成电性差异[Ⅸ]。

第18卷第9期中国水运Vol.18No.92018年9月China Water Transport September 2018收稿日期：2018-03-03作者简介：池昌峰（1992-），男，福建连城人，贵州大学资源与环境工程学院在读硕士研究生，主要从事探地雷达应用及数据处理方面的研究。

通讯作者：陈筠（1970-），女，贵州贵阳人，硕士，贵州理工学院交通工程学院，副教授，主要从事区域稳定与岩体稳定、岩溶工程地质、边坡工程等方面的研究。

基金项目：贵州省国土资源厅重大专项（992011010003）；贵州省水利厅科技专项经费项目资助（任务书编号：KT201804）。

地质雷达在岩溶隧道超前地质预报中的应用池昌峰1，陈筠2，梁风1，施鹏超1，邬忠虎3（1．贵州大学资源与环境工程学院，贵州贵阳550025；2．贵州理工学院交通工程学院，贵州贵阳550003；3．贵州大学土木工程学院，贵州贵阳550025）摘要：隧道在施工过程中常常面临各种不良地质现象的威胁，如不能及时发现将可能造成重大的人员和财产损失，所以超前地质预报是隧道施工中一个十分重要的环节。

地质雷达是分辨率较高的一种物探仪器，具有成本低、效率高等特点，在超前地质预报中得到了广泛的应用，其对于掌子面前方的溶洞具有一定的识别能力。

黔大高速东清段位于贵州省毕节市，其土老冲隧道和保罗山隧道的隧址区的不良地质现象为岩溶，属于典型的岩溶隧道。

通过对实际预报案例的研究，分析了岩溶裂隙和溶洞的雷达波形特征，以期对今后该区域的类似工程提供参考和借鉴，提高地质雷达图像解译的精度。

关键词：地质雷达；超前地质预报；岩溶隧道中图分类号：TD163文献标识码：A 文章编号：1006-7973（2018）09-0185-03引言贵州省是中国主要的喀斯特地貌分布区，碳酸盐类岩石的出露面积占全省岩石出露面积的70%以上，地表岩溶形态和地下岩溶形态都十分发育[1]。

贵州省近年来大力修建高速公路，成为了中国西部第一个实现“县县通高速”的省份，大量的高速隧道穿过碳酸盐岩地层。

地质雷达在公路隧道超前地质预报中的应用摘要：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）。

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。

工程技术研究2021年第6期48地质雷达在岩溶地区超前地质预报中的应用王雁南中铁津桥工程检测有限公司，吉林 长春 130000摘　要：地质雷达作为一种快速、连续、非接触电磁波探测技术，在当前的隧道施工中得到了广泛的应用，尤其在隧道超前地质预报工作中已经作为一道工序被纳入施工过程中。

文章以贵州某铁路隧道超前地质预报为切入点，结合其全线28座隧道的探测结果，收集整理出地质雷达在岩溶隧道施工中的应用实例，并将探测结果与工程实际进行对比，对隧道超前地质预报雷达法岩溶探测技术进行研究与印证。

关键词：地质雷达；超前地质预报；岩溶地区；不良地质构造中图分类号：P631 文献标志码：A文章编号：2096-2789（2021）06-0048-03在隧道施工的过程中，掌子面前方的地质情况十分复杂，经常会遇到断层、软弱夹层、岩溶等不良地质构造，一旦遇到这些不良地质构造则很容易造成工期延误，严重的还会引发安全事故。

在隧道设计阶段，受环境和条件等因素的限制，设计结果有时不能完全满足施工过程中的要求。

为防范安全风险、保证隧道工程施工安全及施工进度、及时调整施工方法及措施，就需要更加详细地掌握掌子面前方与隧道底部的地质状况。

地质雷达作为一种快速、连续、非接触电磁波探测技术，在当前的隧道施工中得到了广泛的应用。

1 地质雷达工作原理地质雷达（Ground Penetrating Radar,GPR）是一种电磁波反射探测技术，采用电磁波检测地下介质分布和对不可见目标体或地下界面进行连续扫描，以确定其内部结构形态或位置。

地下不同物体或介质的差异会对电磁波进行反射，使用者可根据反射图像判断地下异常体的位置，然后将采集的数据用REFLEXW软件进行处理，主要处理流程为零点校正、调节增益、背景除噪、反褶积运算、识别界面及有效信号、计算确定合适的介电常数及波速、分析掌子面前方围岩中的异常区域。

岩溶、空洞或软弱夹层、围岩中的含水区等均为良好的反射界面或目标体。

关于地质雷达在超前预报及无损检测中的应用摘要：对地质雷达在公路及铁路工程中的作用进行了介绍，对地质雷达的工作原理、工作环境及优缺点进行了深入的探讨，用以推广地质雷达在工程中的应用。

关键词：地质雷达；电磁波；地质预报；无损检测1.前言地质雷达作为最近几十年发展起来的地球物理高新技术方法，在工程建筑方面普遍应用到公路工程、铁路工程、市政工程、水利工程等基础设施建设中；在国家能源勘探中主要应用在固态矿物探测、石油天然气等国家能源探测中；同时地质雷达在考古中也有广泛的应用。

1.基本原理地质雷达工作原理主要是利用高频电磁波（雷达波）以宽频带短脉冲的形式。

由于工作环境和工作要求不同，其发射主频可由数十数百乃至数千兆赫。

通过发射天线发射到结构物（待检测区域）中，由于电磁波在不同介质中传播速率不同，以及通过地下不同介质或不同介质分界面时发生的反射传输到在地表的接受天线中，并同时由雷达的主机记录下该反射过程，形成原始的雷达剖面图，由于电磁波在介质中传播时其传播路径、电磁波强度及波形都随着传播介质和深度的改变而改变，从而导致该电磁波特性和几何形态的改变。

因此根据接受到的电磁波特性，主要为波的幅度、频率、波形、旅行时间（即双程走时），对其进行分析和处理，对地下不可见目标的三维位置及物理特性进行评价。

由于地质雷达的发射天线和接受天线距离较近，所以电磁场方向近似法相穿过地面（或待观测结构的观测面）。

由于地质雷达是通过发射和接受电磁波来进行检测的，所以也要遵循Snell定律即光（电磁波）的折射和透射定律，对通过不同密度介质中电磁波衰减率不同进行分析，同时参考波的形态及旅行时间，就可分析出地下不同介质分布情况。

接收天线所接收的反射回波旅行时间为：式中：t­­­­­­­──────反射回波走时（ns）h──────反射体深度（m）x──────发射天线与接受天线间距离（m）V──────雷达脉冲波速（m/ns）1.地质雷达在工程中的应用3.1在隧道工程中的应用3.1.1隧道开挖是隧道施工中风险最大的工序，在开挖中对掌子面前方围岩情况的预报就显得尤为重要了，用地质雷达对掌子面前方进行地质检测，对有特殊地质灾害的（溶洞、裂隙、富水、节理极其发育）的施工部位，采用超前钻探或者超前炮孔进行实际钻探，确定灾害部位、性质及地质灾害严重情况。

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。

探地雷达超前地质预报工作原理及其应用作者：王丰仓梅华来源：《城市建设理论研究》2013年第18期摘要：本文通过探讨地质雷达的工作原理结合甘肃某高速公路隧道建设实例，阐述了地质雷达应用于公路隧道施工中地质超前预报的重要性，为地质雷达在隧道短期地质超前预报积累了一定的经验。

关键词：公路隧道；超前地质预报；地质雷达中图分类号： U45 文献标识码： A 文章编号：在隧道施工期间对其掌子面前方地质情况的超前预报已历经几十年的发展。

英、法、日、德等国家均已将期其列为隧道工程建设的重要研究内容。

我国超前预报[2、3]的研究始于20世纪50年代末,但真正应用于隧道工程建设(包括其地下工程)是在70年代谷德振根据矿巷施工进度和掌子面地质性状做出的矿巷前方将遇到断层并将引发塌方的成功预报为序,开始了我国隧道施工期地质预报的研究和应用. 现代隧道建设发展趋势是隧道越建越长,穿越的地层地质条件越来越复杂。

由于隧道工程的复杂性和不可预见性,在现有经济技术条件下,隧道施工中各种不良地质灾害的预测是复杂条件下山岭公路隧道施工中面临的最主要任务,尤其是隧道施工开挖工作面前方地质情况的预报是国内外工程地质和隧道工程关注而又没有得到很好解决的难题。

1地质雷达的工作原理地质雷达（GPR）是一种用于探测地下介质分布的光谱电磁技术，地质雷达发射电磁波信号到地下介质中，当遇到存在电性差异的地下目标体（岩石破碎带、溶洞、断层裂隙等）的电性介面时，就有部分电磁能量被反射折向地面，被接收天线接收，根据接受到的电磁波波形、强度。

双程走时t等参数推断地下目标体的空间位置、结构、电性及几何形状，从而达到对地下隐蔽目标物的探测。

当地下介质的波速已知时，可根据测到的精确t值求得目标体的位置和埋深。

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，则可了解场地目标体平面分布情况。

电磁波行程用下式确定为：t=,,-,,,-,,,-,,,-,4z-2.+,x-2..-..-..-v；式中：t为脉冲波走时（ns,1ns=10-9s）；z为反射体的深度（m）；x为T与R的距离（m）；v为雷达脉冲波速(m/s)；由于地质雷达所使用的是高频电磁波。

浅谈地质雷达在岩溶隧道超前地质预报中的运用蒋帅男（1.成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，四川成都610059）摘要：近年来，随着我国交通事业的迅猛发展和西部大开发战略的实施,在岩溶地区修筑的隧道越来越多，而在岩溶地区隧道施工中，对掌子面前方一定范围的地质情况进行准确超前预报却是保证隧道施工安全的关键。

本文以中坝隧道为例,通过对拟掘进段隧道勘察资料及工程地质条件的解读、隧道掌子面地质编录情况的判别和解译结果的综合分析，预判拟掘进段存在溶腔，并通过超前钻孔揭示验证，得以及时采取有效措施，确保了生命及生产安全，表明在岩溶地区采用地质雷达进行超前地质预报是可行的。

关键词：隧道；超前地质预报；地质雷达；岩溶；1前言由于地面水和地下水的溶蚀作用，在碳酸盐岩地区发育着各种类型的岩溶地貌和岩溶形态，给工程建设带来一定的复杂性，每年都因不同程度的岩溶危害而造成巨大的经济损失和危及人身安全，而随着我国交通事业的迅猛发展和西部大开发战略的实施,在岩溶地区修筑的隧道越来越多，因此在岩溶地区隧道施工中，对掌子面前方一定范围的地质情况进行准确超前预报是保证隧道施工安全的关键。

超前地质预报方法用来准确预测隧道开挖工作面前方工程地质状况，可以减少施工的盲目性。

采用科学的、先进的隧道超前隧道岩溶超前预报的手段有很多种，比如TSP、超前地质钻孔和地质雷达等。

而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、处理速度快等优点，近年来在国内外岩溶预报上，比较受亲睐[1]。

本文以中坝隧道为例,具体阐述了地质雷达的基本工作原理及其在岩溶隧道超前地质预报中的测试方法,并针对岩溶预报雷达图像进行了具体的解译。

最后通过对拟掘进段隧道勘察资料及工程地质条件的解读、隧道掌子面地质编录情况的判别和解译结果的综合分析[2]，预判拟掘进段存在溶腔，并通过超前钻孔验证预判的准确性，得以及时采取有效措施，确保了生命及生产安全，实例表明在岩溶地区采用地质雷达进行超前地质预报是可行的。

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（GRP）检测技术应用XX公司一、前言随着铁路客运专线的陆续施工, 隧道工程以其改善线形、缩短里程和环境保护等无比的优越性和重要作用, 成为路客运专线建设工程结构的重要组成部分。

但隧道施工中因现有的施工方法及工艺、施工者的偷工减料以及检测控制、施工管理不到位等原因引发的质量通病, 一直是工程管理部门十分关注的问题。

地质雷达探测技术的广泛应用成为解决这一施工难题的有效手段。

地质雷达（GPR）是近十余年来迅速发展起来的一种无损伤高精度的物理探测技术, 在工程地质勘测、古遗址探测、地下埋设物探测和地下污染带划分等方面已得到较广泛应用。

在控制隧道施工时运用地质雷达进行隧道施工超前地质预报、支护结构的质量检测, 在指导隧道工程施工中, 对加强工程进度、质量和安全管理, 提高隧道施工技术水平方面发挥着巨大作用。

作为一种无损检测技术, 地质雷达（GPR）以其仪器较为轻便、检测快捷、操作方便、精度较高和检测结果能以图象方式实现实时显示等优点, 成为一种控制隧道施工质量的有效手段。

二、地质雷达（GPR）检测的原理地质雷达（GPR）是利用电磁波在传播过程中遇到电性界面会发生较强烈的散射原理, 通过向被测介质发生高频电磁宽带脉冲, 并接收由被测介质反射的回波信号, 通过对接收到的反射波进行分析即可推断被测体的情况。

电磁波在介质中传播时, 其路径、电磁强度与波形将随所通过介质的电性质及几何形态而变化。

仪器大体上可分为主机和天线两大部分组成。

主机由显示、控制和储存三部分构成；天线由发射和接收两部分构成。

发射部分由脉冲发生电路和发射天线构成, 产生并发射尖峰脉冲电磁波；接收部分由接收天线、高频放大电路和采样电路构成, 接收的高频信号经放大后, 由采样电路变换为低频信号, 然后送到处理电路；控制部分由基准同步信号发生器、采样控制器和信号处理器等部分组成。

接受到的信号在主机上可以显示、回放和储存, 以便作进一步数据处理和分析图1 地质雷达反射探测原理图发射天线发射的尖峰脉冲电磁波与其行进的速度有如下关系:V =c/√ε式中: v——电磁波在某一材料介质中传播的速度（ｍ／ｎs）；c——电磁波在真空中的传播速度, 等于光速（ｍ／ｎs）；ε——介质的相对介电常数, 无量纲。

地质雷达在煤矿超前地质预报中的应用研究【摘要】通过对地质雷达探测原理的深入理解，结合地质雷达在矿井超前地质预报中的经验，总结了断层破碎带，富水带，节理裂隙密集带等不良地质现象在地质雷达波形上的响应特征，并进一步分析了地质雷达低频的原因，从而为以后地质雷达超前地质预报提供参考经验，提高预报的准确性。

【关键词】地质雷达；断层破碎带；响应特征；低频引言地质雷达用于矿井超前地质预报的特点是探测距离短、探测精度高且成果可靠[1]。

对于如何根据地质雷达的波形和频谱特征判断围岩质量及各种不良地质现象，前人在使用地质雷达进行超前地质预报时取得了很多宝贵的经验[2-3]。

但由于各地下工程的地质条件千变万化，根据地质雷达的波形和频谱特征判断围岩质量及不良地质现象既有共性，也有特性，因此超前预报既要参考前人经验，又要根据各矿井的具体地质条件在每一个工区进行详细的总结，才能提高超前预报的质量。

根据地质雷达在矿井地质预报中的经验，将各种常见的不良地质现象如断层破碎带、富水带、岩溶带等在地质雷达上的响应特征进行总结，从而为以后类似不良地质现象的预报提供参考依据，从而提高超前地质预报的准确率。

1 地质雷达的基本原理电磁波在介质中传播时，当遇到电磁差异界面时，将依据电磁波的反射和透射定理产生反射和透射电磁波。

反射波的强度及透射波的强度大小取决于反射系数（见式1）及透射系数（见式2）。

反射系数：透射系数：式中：ε1，ε2分别为上下层电磁波传播介质的介电常数。

由上式可以看出，电磁波反射系数的大小主要是由界面两侧的相对介电常数决定的，界面两侧介电常数差异越大，反射越强烈，越有利于探测到异常界面的存在。

这是地质雷达探测的地球物理基础。

2 不良地质现象在地质雷达上的响应特征2.1 断层破碎带断层破碎带是煤矿常见的一种不良地质现象，以其松散、破碎、含水量多会对煤矿掘进与开采施工产生影响，因此对其进行准确预报，提前采取预防措施具有重要意义。

2018年第2期西南公路地质雷达在勐远3#隧道超前地质预报中的应用李怡哲1王威2谢逸超3(1.武汉工程大学邮电与信息工程学院湖北武汉430073;2.武汉工程大学土木工程与建筑学院湖北武汉430074;3.湖北省宜昌市夷陵区公路管理局湖北宜昌443100)【摘要】在地质环境复杂的地区进行隧道开挖，前期地质勘查结果与工程实际地质情况很难完全相符。

因此，在隧道施工过程中进行超前地质预报至关重要，是保证施工安全的重要环节。

以云南省小磨高速 公路勐远3#隧道为工程背景，采用意大利IDS公司RIS-K2型地质雷达，对勐远3#隧道进行超前地质预报，阐述了地质雷达的工作原理及使用方法。

通过对现场采集的雷达图像进行分析并用Reflexw软件进行后处理，结合现场掌子面地质情况，针对不同开挖断面以及复杂的地质条件进行分析研究，以斜向节理面及富水 带为例，预测结果与现场开挖验证结果较吻合。

证实了隧道施工过程中采用地质雷达进行超前地质预报较准 确可行，同时对类似地质环境区域的超前地质预报工作具有一定参考价值。

【关键词】地质超前预报；地质雷达；隧道；工程地质【中图分类号】U452.110引言隧道施工[1]过程中，由于掌子面前方围岩地质情 况复杂，经常会遇到岩溶发育区、断层破碎带、地下 水富集区以及高应力带、大小偏压区等不良地质体，从而导致隧道塌方、岩爆、突泥突水等地质灾害' 我国隧道工程建设初期，一般都会进行工程地质勘 察，为隧道设计提供地质资料，但受实际勘察条件、技术及成本的限制，地质资料往往与实际存在一定偏 差。

因此，在隧道工程施工阶段会进行超前地质预 报，以确保施工安全。

目前，针对地质雷达超前地质 预报的研究较多，有的进行地质预报系统开发研究 '有的结合工程实际，对不同典型地质进行研究，积累了大量工程经验，成果显著。

胡先进等[4]将不同 的典型地质现象对应的雷达波形图与现场开挖实际情 况进行了对比分析，形成一定参照，对超前地质预报 起到参考作用，但其对于波形图的振幅、频率与对应 不同地质情况之间关系的分析不够深入，如何通过地【文献标识码】A质雷达波形图有效识别不同地质现象方面仍有待完 善。