摘 要：以某高速公路隧道建設為例，闡述地質雷達在超前地質預報過程中的應用，并介紹幾個成功實例，為地質雷達在隧道超前地質預報中的應用積累一些經驗。
關鍵詞：地質雷達 超前地質預報 公路隧道 介電常數 能量衰減
1.前言
隧道施工時，對掌子面前方地質情況進行及時準確的預測，至關重要。隧道施工過程中遇到的主要不良地質情況有溶洞、地下暗河、斷層、破碎帶和瓦斯等，對這些不良地質條件及時準確的預報，不僅可以提前采取相應的措施以提高隧道施工的工作效率，還可以確保施工的安全進行。
地質雷達是一種快速便捷、不影響施工的超前跟蹤探測技術，它對上述不良地質條件有較好的探測結果。下面介紹地質雷達在某高速公路隧道的應用情況。
2.基本原理
地質雷達與探空雷達相似，利用高頻電磁波（主頻為數十至數百乃至數千兆赫）以寬頻帶短脈沖形式，由地面通過天線傳入地下，經地下地層或目的物反射后返回地面，被另一天線接收。脈沖波旅行時間為T。當地下介質的波速已知時，可根據測到的準確T值計算反射體的深度。雷達系統的基本部分如圖1：
電磁波的傳播取決于物體的電性，物體的電性主要有電導率μ和介電常數ε，前者主要影響電磁波的穿透\\(探測\\)深度，在電導率適中的情況下，后者決定電磁波在該物體中的傳播速度，因此，所謂電性介面也就是電磁波傳播的速度介面。不同的地質體\\(物體\\)具有不同的電性，因此，在不同電性的地質體的分界面上，都會產生回波。
地質雷達在勘查中的基本參數描述如下：
1\\)電磁脈沖波旅行時
式中：z―勘查目標體的埋深； x―發射、接收天線的距離（式中因z>x,故X可忽略）；v―電磁波在介質中的傳播速度。
2\\) 電磁波在介質中的傳播速度
式中 c―電磁波在真空中的傳播速度（0.29979m/ns）;―介質的相對介電常數，―介質的相對磁導率（一般）
3\\)電磁波的反射系數
電磁波在介質傳播過程中，當遇到相對介電常數明顯變化的地質現象時，電磁波將產生反射及透射現象，其反射和透射能量的分配主要與異常變化界面的電磁波反射系數有關：
式中r―界面電磁波反射系數；―第一層介質的相對介電常數；―第二層介質的相對介電常數。
4\\) 地質雷達記錄時間和勘查深度的關系
式中z―勘查目標體的深度；t―雷達記錄時間。
當地下介質的波速已知時，可根據測到的精確t值，并結合對反射電磁波的頻率和振幅等進行處理和分析，便可求得目標體的位置、深度和幾何形態。
3.典型地段超前預報實例分析
現場采用瑞典MALA地質雷達（RAMAC/GPR）進行探測，主機為CUⅢ，采用的主要技術參數為：100MHz屏蔽天線；天線間距0.5m。記錄時間、疊加次數和采樣率根據實際情況做適當調整。根據實際情況，采用點測和連續掃描兩種方式進行探測。
1\\)軟弱夾層的探測
所謂軟弱夾層是指巖體中那些性質軟弱、有一定厚度的軟弱結構面或者軟弱帶。按成因分為原生軟弱夾層、構造及擠壓破碎帶、泥化夾層及其他夾泥層，具有高壓縮性和強度低的特征。
在某隧道ZK145+820掌子面探測時，得到如圖4所示的典型波形圖，從圖像上可以看出，前10m范圍內同相軸不連續，信號頻率較低，幅值較強，在掌子面前方11m處存在一反射信號較強的多次震蕩信號，電磁波衰減加快，結合具體地質情況，推測前方10范圍內巖體節理裂隙發育，在掌子面前方11m處可能存在一軟弱夾層或富含基巖裂隙水，后經開挖證實，在ZK145+810處存在一豎向強風化結構面，有夾泥和鐵錳質礦物充填，且伴有侵潤狀浸水，見圖5。
2\\)節理密集帶的探測
節理是存在于巖體中的裂縫，是巖體受力斷裂后兩側巖塊沒有顯著位移的小型斷裂構造。巖體中的裂隙，在工程除了有利于開挖外，對巖體的強度和穩定性均不產生有利的影響。節理密集帶主要存在于斷層影響帶、巖脈帶及軟弱夾層中，由于節理內有不同的礦物成分、不均勻的充填物，與周邊圍巖形成電性的差異，因此具有采用地質雷達探測巖體中裂隙存在的地球物理基礎。當雷達電磁波傳播到裂隙表面時，會產生較強的界面反射波，同相軸的連續性反應了裂隙面是否平直、連續；在穿越裂隙的過程中會產生繞射、散射、波形雜亂等現象。
在某隧道YK145+850掌子面探測時，得到如圖6所示的典型波形圖，從波形圖看，同相軸錯斷，信號頻率中等，局部信號頻率較低，幅值中等，6～16m范圍內出現平行和雜亂的發射波，推斷前方6～16m，即YK145+844～YK145+834段，為節理密集帶或富含基巖裂隙水，巖體呈碎石狀壓碎結構，圍巖較破碎，后經開挖證實，該范圍內巖體破碎，節理裂隙十分發育，節理張開，見圖7、8。
3\\)富水帶的探測
富水帶是含水量大的巖體區域，在隧道開挖后可能產生涌水現象。水的相對介電常數最大為81，當巖體含水量較大時，介質的介電常數有較大的增大，而電磁波在介質中的傳播速度則會降低，這樣反射波表現較強的正峰異常，同時出現強反射，能量衰減增快，伴有繞射、散射現象，導致波形紊亂，頻率成分由高頻向低頻轉變。
在某隧道ZK143+591掌子面探測時，得到如圖9所示的典型波形圖，從波形圖看，同相軸錯斷，信號頻率較低，幅值中等，4～14m范圍內出現多次震蕩和雜亂的發射波，電磁波能量衰減增快，結合具體地質情況,推斷前方4～14m，即ZK143+587～ZK143+577段，為富水帶，圍巖含水量很高，后經開挖證實，該范圍內巖體破碎，節理裂隙十分發育，節理裂隙多數張開，巖體濕潤，地下水為線狀流水，見圖10、11。
4.結語
本文結合隧道圍巖開挖后的實際地質情況，證實預報地段主要存在的巖體結構有：整體狀和塊狀結構、層狀結構、碎裂狀結構和散體狀結構，和預報結果大體相符。整體狀和塊狀結構巖體完整性較好，存在少量節理裂隙，很少存在斷層，含少量裂隙水，圍巖自穩能力較強；層狀結構巖體呈軟弱巖層相間的互層形式的出現，巖體的結構面以層理面為主，并有層間錯動及泥化夾層等軟弱結構面，其變形破壞主要受巖層產狀及巖層組合等因素控制，在巖層傾角較小或達到中傾角范圍之內時對圍巖的穩定性影響不大，當傾角達到60°以上或接近直立的部位再加上基巖裂隙水的作用使隧道內圍巖出現及其不穩定的情況，本預報地段常發生在拱頂或起拱線以上軟弱部位巖體發生破壞掉落，硬巖部位失去下部支撐而發生小型塌方現象，引起較大范圍內的超挖；碎裂狀結構主要在斷層破碎帶、節理密集帶及風化破碎加次生夾泥中存在，在此類圍巖段本預報地段主要發生小掉塊現象，因支護參數建議較為合理，且支護及時未出現其它病害；散體狀結構主要存在于強烈構造破碎、強烈風化的巖體或地表殘余坡積土之中，進出口淺埋段圍巖屬于此類型，因結合監控量測工作，在出口段右洞出現險情，但是及時進行預警報告，有效地杜絕了災害事故的發生。通過對本預報地段進行超前地質預報工作充分說明，地質雷達在對變余板巖中的巖體構造有著較為準確的判斷能力，特別是對軟弱夾層的部位，節理密集帶、斷層破碎帶及富水帶的發育范圍有著較高的判斷力，如軟弱夾層波形圖多為多次能量中等偏強震蕩信號，頻率中~低，同相軸連續等特征；節理密集帶、斷層破碎帶波形圖多為波形紊亂，出現散射、繞射，信號頻率中等，同相軸錯斷等特征；富水帶波形圖多為信號頻率很低，信號衰減很快，幅值變化較大等特征。上述成果為以后從事類似物探工作提供了第一手參考資料，但是，雷達探測也存在不足，因雷達抗干擾能力較弱，故要求專業技術人員有著豐富的物探經驗，合理地排除干擾因素，如在隧道掌子面內遇到鉆桿、臺車、錨桿、鋼拱架、格柵鋼架等金屬質地的物質時，會產生類似上述幾種波形圖的特征，故需要通過分析總結結合實驗的方法去判斷并排除干擾因素，做出不同級別的地質災害預警，根據預警情況，施工方及時調整圍巖的支護與加固方案，避免施工工程中事故的發生。
參考文獻
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