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

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。雷达工作时，向地下介质发射一定强度的高频电磁脉冲（几十兆赫至上千兆赫）， 电磁脉冲遇到不同电性介质的分界面时即产生反射或散射，探地雷达接收并记录这些信号，并以伪彩色图/灰度图或波形堆积图的方式显示出来，再通过进一步的信号处理和解释即可了解地下介质的情况。

电磁波反射法采用连续扫描电磁波反射曲线的排列，利用电磁波在地层（介质）中的传播、反射，通过信号采集系统接收反射信号，根据电磁波在岩体（介质）中的传播速度和反射信号走时计算判断隧道开挖工作面前方反射界面距隧道开挖工作面的距离，根据反射波相与接收首波相之间的关系、介质介电系数变化、反射界面阻抗判释界面前方介质性质，进行隧道施工期地质超前预报（图1）。

图1地质雷达原理示意图

中国电波传媒研究所生产的型LTD—2100地质雷达，其原理是，向地层发射一定强度的高频电磁脉冲波，电磁波传播的过程中遇到不同电磁性介质分界面时，一部分能量会转换成反射波返回地面，另一部分能量透过界面继续传播，再次遇到界面时，又产生反射波返回地面。接收到反射波并利用所带信息加以分析，就可获得被探地层的层厚、动弹模量等物理量。

3 破碎带地质雷达特征图像的理论分析

对雷达记录的图形进行分析判读，需要结合相关的工程资料，包括工程概况、周边环境、地形图、地质资料、前期勘探成果等，采样点的瞬时振幅、瞬时频率和瞬时相位的变化规律是进行图像判读的主要根据。

因为受到风化作用和地下水发育的影响，破碎带岩体的强度和稳定性都很差。由于破碎带内岩石的孔隙度和含水率均比完整的岩石要大的多，而孔隙度和含水率对介质的电导率和介电常数占均有较大的影响，这就导致破碎带与周围完整岩体存在较大的物性差异。

探地雷达发生的电磁波属于高频电磁波，通过傅里叶变换可以将电磁波分解成不同频率的谐波，谐波的传播可以近似看成平面电磁波的传播，介质的电磁特性影响了电磁波传播中的反射、折射、透射的相关参数，当电磁波穿过完整岩体界面进入破碎带时将产生强烈的反射信号，振幅增大且衰减较快，频带较宽，主频特征不明显，波形杂乱。在雷达剖面图上的波形特征表现为：反射波振幅明显增大，能量增强，频率发生变化，同相轴错乱，波形紊乱，有时会出现断面波、绕射波等。

4 工程实例

温州某高速公路延伸段工程后江隧道，隧道长度为：K2+758~K3+229，长471米（其中明洞8米，暗洞463米），明洞按明挖施工，暗洞按新奥法（NATM）施工。该隧道处于丘陵斜坡、陡坡，地表植被发育，隧道区岩体为紫红色晶屑凝灰岩，进洞段浅部覆盖层岩性为含碎石粉质粘土，厚度较大，岩体风化强烈。隧道出口处于丘陵斜坡、陡坡，地表植被发育，覆盖层薄。隧道区地下水主要为基层裂隙水，富水性较差，可能有滴水、淋水现象。项目区域构造以断裂为主，褶皱不明显，属非活动性断裂。项目区域内北西向和北东向次级断裂发育，并伴有南北、东西向小型断裂或节理面带。

图2后江隧道平面设计图

后江隧道施工监控组按每30m一次进行地质超前预报，在掌子面桩号K2+968处进行雷达超前预报后发现，前方12米处开始，波幅出现明显的变化，波幅增大且衰减较快，频带较宽，波形杂乱同相轴连续性较差，能量团分布不均，同相轴错乱，电磁波能量衰减快、规律性差，自动增益的梯度较大。

图3后江隧道破碎带雷达波形图

监控组结合地质资料及掌子面围岩情况推断：掌子面前方12m~30m范围内，岩体整体完整性较差，节理裂隙发育，岩体破碎较为严重，形成破碎带，稳定性较差。在施工过程中较易发生坍塌、掉块等不良地质现象，建议施工单位采取弱爆破，短进尺，及时进行支护，必要时变更设计，加强支护。监控组对该段采取增加探测密度的方法（每10m测试一次）以准确掌握围岩情况，确保施工安全。

在施工开挖至K2+978处，掌子面围岩完整性明显变差，岩体较破碎，呈块碎状镶嵌结构，岩性开始发生明显变化，裂隙发育，不规则，铁锰质渲染较严重，较干燥。

图4K2+983处掌子面照片

5 结论及问题

A. 地质雷达在超前预报过程中遇到破碎带时的图形特点主要有：能量团分布不均匀，波形由相对完整的岩体进入破碎带时能量衰减快、规律性差，振幅的变化很大，波形杂乱，同相轴不连续。

B. 地质雷达超前预报中遇到裂隙带的时候图形与破碎带的图形很相似，缺少了对两种地质情况对应的雷达特征图形进行对比分析，建议今后依据更多的工程实例对裂隙带和破碎带雷达特征图形进行总结、对比、分析。

C. 不良的地质情况还包括富水带、岩溶洞穴、断层、暗河等，对各种不良地质情况对应的雷达特征图形进行总结归纳，对隧道工程建设具有很深远的意义。

D. 地质雷达在隧道地质超前预报中起到了重要的作用，不同的地质条件下围岩情况错综复杂，在日常工作中，会遇到两种或多种不良地质情况混杂在一起，这给隧道监控工作带来了一定的难度，不同的地质情况混杂情况下的雷达特征图

形分析还有待于进一步研究探讨。

参考文献：

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