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1、地质雷达在贵新隧道超前地质预报中的应用江 炜1,袁金华2,高 玲3(1、江西公路开发总公司，江西 南昌 330002)（2、江西省新余市公路管理局分宜分局，江西 分宜 336600）（3、江西省南昌市公路管理局公路桥梁工程处，江西 南昌 330077）摘 要：以福州绕城公路贵新隧道超前地质预报为例,探讨了如何综合使用地质雷达探测方法与地质分析法解决隧道超前地质预报问题,并提出了对该方法存在问题的几点认识。关键词：隧道工程；超前地质预报；地质雷达；隧道超前地质预报中的应0 前 言隧道设计和施工前的工程地质勘察,虽然在一定程度上对隧道的地质状况进行了预测、预报,但由于岩体的复杂性,勘察资料与隧道开
2、挖后的实际情况可能会有较大的出入。正由于勘察资料无法完全准确反映施工掌子面前方的地质条件,施工带有很大盲目性,出现预料不到的塌方、冒顶、涌水等事故,对安全、质量、工期、投资等都产生很大影响。因此，隧道施工地质超前预报是隧道施工过程中必不可少的一个十分重要的环节。1 超前地质预报工作的目的及任务1.1 目的就当前隧道施工地质超前预报成果的应用范围看,施工地质超前预报的目的是快速、安全优质地建成隧道。主要有三方面的用途:（1）保证工程稳定与施工安全;（2）反馈设计,使设计更趋合理;（3）用于科学研究。用途不同,采用的方法与内容也有所差异。因此,施工地质超前预报工作在内容和方法上应具有针对性、层次性
3、。1.2 任务1.2.1探测未开挖段围岩详细地质条件，包括掌子面前方岩性变化情况和围岩级别；掌子面前方可能出现的断层及破碎带的发育情况（包括位置、厚度、产状）；掌子面前方软岩地段的位置和长度；掌子面前方岩体地下水条件（是否含水和涌水情况）；掌子面前方岩溶发育程度及溶洞的位置等。1.2.2对可能产生的地质灾害进行预报 前者是后者的基础,后者是对前者信息的提取、分析与判断。在施工阶段,地质灾害的预报主要是针对施工安全和结构稳定而进行的。因此,预报的主要内容是洞室坍塌、大量涌突水(泥) 、有害气体涌入等地质灾害。2 超前地质预报主要预报方法隧道超前地质灾害预报方法可根据预报距离或探测原理分类。按照预
4、报距离可分为长距离和短距离超前地质灾害预报两类。是超前地质灾害预报工作步骤中的先、后两步。各有不同预报距离,采用不同的方法和技术手段,承担不同的任务,具有不同的精度。长距离超前地质灾害预报采用的预报方法主要有工程地质调查法、断层参数预测法和TSP 等仪器探测法。短距离超前地质灾害预报又称为跟踪预报,是长距离超前地质灾害预报的深化和映证。其主要的预报方法有掌子面编录预测法、地质雷达法等。按照探测原理可分为直接法、间接法及其它方法。直接法有地质法和钻孔探测法。间接法亦称物探法,主要有隧道地震超前预报系统(TSP) 、水平声波剖面(HSP) 法、陆地声纳法、地质雷达(GPR) 法和红外探水法等。其它
5、方法有超前导坑法、断层参数预测技术和掌子面地质编录预测法等。3 本隧道采取的地质预报方法本隧道的特点在于隧道距离长、断裂破碎带发育、节理裂隙带发育、地下水较丰富；关键性技术问题在于对断层破碎带、节理裂隙带和富含地下水地质体的分布特征及及其发育程度进行准确的预报，以避免地质灾害的发生，为隧道设计与施工方案提供准确的地质信息和围岩级别，保证隧道围岩支护系统的安全稳定、经济合理。拟采用的对策与措施：（1）结合地质掌子面编录推测法方法，采用地质雷达进行探测与分析；（2）对设计围岩级别级和级地段重点探测；掌子面编录推测法指的是参考勘察设计资料,通过掌子面已揭露地质体(岩层、不良地质体等) 进行地质观测与
6、编录。对掌子面前方一定范围内可能出现的不良地质体及位置进行有依据的推断可以随时掌握隧道掌子面的地层产状、岩性、构造等的变化情况。地质雷达采用高频电磁波探测掌子面前方岩体介质中地质结构与特征的电磁探测技术。利用无线电波检测地下不良地质介质分布和对不可见目标或地下界面进行扫描,以确定其内部形态和位置的电磁技术。通过对地质雷达剖面进行处理，并结合地质资料进行推断解释，便可获得沿掌子面方一定范围内的有关地质信息（或掌子面前方岩体内地质结构与构造特征信息）。4 地质雷达探测预报的优缺点 4.1 优点地质雷达探测作为一种物探方法，有以下优点：地质雷达设备轻便，操作简便、灵活。工作环境要求宽松，对阴暗潮湿、
7、噪音大、作业面狭窄的隧道施工环境适应性强，而且对施工干扰小；根据不同的地质条件，地质雷达的探测深度一般可达40m-60m，理想的地质条件可更深些，分辨率可达数厘米，对于距掌子面较近岩溶洞穴、含水带和破碎带的探测高于所有其它地球物理勘探手段；工作轻便、快速、安全。它是一种非破坏性的探测技术，现场只需2-3人即可开展工作，并且在现场采集数据的第二天即可提交正式成果报告；地质雷达具备无损、连续地对被测目标实施扫描，其数据处理自动化程度高，数据采集和解释实现计算机化，数据成果简便直观。4.2 缺点由于受地质体复杂性的限制，地质雷达探测也存在着不足：（1）地质体的各向异性决定了地质雷达图像具有多解性，而
8、各类反射体的地质雷达图像很相似，所以准确地分辨出具体的目标体就很困难（如掌子面前方是断层面还是岩层层面只凭地质雷达图像是分辨不出来的）。同时，对于含铁质较高的岩石，地质雷达是不适用的；（2）由于地质雷达的精密度较高，所以易受隧道洞内机器、管线等因素的干扰，导致反映出来的图像杂乱，有效信号不易辨认，而且当钻爆后掌子面不平整时，对解释精度影响较大。5 贵新隧道地质预报实例5.1 工程概况福州绕城高速公路是国家高速公路网组成部分，与京福、同三国道主干线形成福州大外环高速公路闭合段。而贵新隧道是福州绕城高速公路的控制性工程，贵新隧道建成后，将彻底改变福州“北大门”的交通现状，增强省会城市辐射能力。贵新
9、隧道（RA9）为分离式隧道，右洞全长2358m（YK21+150YK23+508），左洞全长2336m（ZK21+144ZK23+480）。5.2 贵新隧道地质概况本隧道岩性为晚侏罗系南园组（晶屑）熔结凝灰岩及其风化层，局部为燕山晚期倾入花岗岩。隧道场址具体发育有2组共15条断裂构造及7条节理裂隙密集带，带内节理裂隙发育，岩石较破碎，且极易形成排水通道，隧道洞身围岩受其影响，围岩级别降低。5.3 贵新隧道超前地质预报贵新右洞YK23+210附近岩体断裂破碎带发育，地下水较丰富，拟采用掌子面编录地质推理和地质雷达相结合的方法进行超前地质预报。5.3.1掌子面编录地质推理 YK23+210附近岩体
10、岩性为晚侏罗系南园组（J3n）灰绿色微风化熔结凝灰岩，具熔结凝灰结构，岩质较坚硬坚硬，锤击声稍响，有回弹，难击碎，岩石强度为58MPa-62MPa。岩体较为破碎。掌子面处节理裂隙较发育，主要发育有3组节理。经现场节理统计分析掌子面处岩体Jv约为15.0，岩体完整性指数Kv约为0.45左右，掌子面附近岩体较破碎，属裂隙块状结构，隧洞YK23+210处隧道岩体结构特征如图2和图3所示。掌子面处主结构面J1、 J2走向与洞轴向夹角约400500， 而J1及J2倾角较大，此结构面对侧墙围岩稳定不利。掌子面附近地下水较不发育，掌子面较干燥。根据公路隧道设计规范（2004），得出岩体基本质量指标BQ为33
11、4。综合分析可确定掌子面附近围岩属级。5.3.2地质雷达 现场探测采用加拿大Sonsor &. Software 公司生产的EKKO 系列低频地质雷达仪；采用中心频率为50MHZ的天线进行探测，雷达系统发射器峰值电压为1000V；采用1.5m天线距，测点距为0.5m；现场数据采集过程中，要求雷达天线与水平面垂直，发射与接收天线相互保持平行，位于同一竖直平面内，并尽可能与掌子面贴近。实际探测时要求隧道内施工的台车等较大型机械设施尽可能远离（离开掌子面30m以外）掌子面，以减少其对地质雷达探测的干扰影响。地质雷达超前探测资料的处理主要包括：零飘校正、增益补偿、频谱分析、滤波处理、及时间深度转换等流
12、程。探测时，天线紧贴在掌子面上移动，发射天线向岩土体内部连续发射脉冲电磁波，在岩土介质中传播的电磁波，遇到不良地质体界面将产生反射波，接收天线接收反射波并通过主机一记录下反射波到达接收天线的时间及录下回波的振幅、相位、频率变化特征。这样，每次接收的记录就组成了地质雷达时间剖面图像。横坐标为天线在掌子面测线上的位置，纵坐标为雷达脉冲从发射天线出发经各界面反射回到接收天线的双程走时。这种记录能准确地反映掌子面前方被测物体各个反射面的起伏变化。针对隧道环境差的特点，可重复测量，并可以用连续测量与点测相结合的方式。探测完成后的雷达图像的地质解释是地质雷达探测的目的。但是地质雷达图像反映的是地下介质的电
13、性分布，要把地下介质的电性分布转化为地下介质体分布，必须结合已知的资料（包括地质、钻探、岩土工程设计参数等），综合运用地质雷达波的运动学、动力学和物性特征进行综合分析。反射法的地质雷达资料解释中，反射波和某些异常波都是有效波。由于有效波总是在干扰背景下被一记录下来所以解释工作的首要任务就是在剖面上识别和追踪反射波。波的对比是解释工作中最重要的基础工作。由于贵新隧道本身施工环境较为复杂、掌子面探测条件也非常恶劣，各种因素作用会使有效波的相位、振幅、波形等发生各种变化，并且在实际探测中对电磁波波速这样的详细参数很难提取，一些解释的准则只在理想化的情况下出现，因此上述原则还需要还原到实际工作中来以具
14、体隧道的实际工作的经验作为成果解释的基础。5.3.3预报结论及现场验证 本次探测是在贵新隧道左洞里程为YK23+210的掌子面上进行的，图1为本次超前探测的地质雷达记录。由图上记录显示：地质雷达在本次探测的有效预报距离为60 m。雷达记录显示掌子面（里程YK23+210）前方附近，即里程为YK23+208.8YK23+205.8范围内有一宽裂隙带存在，裂隙带大宽度约1m-2m，且裂隙含水较多。自里程YK23+205.8YK23+192范围，围岩裂隙较发育，为小到中等裂隙带，宽度约为0.1m-0.4 m，裂隙含水；自里程YK23+192YK23+189围岩中有微、小裂隙发育；自里程YK23+18
15、9YK23+181围岩中有裂隙带存在，裂隙带平均宽度约为0.1m-0.2 m，且裂隙含水；自里程YK23+181YK23+150围岩中有微小裂隙发育，围岩结构较完整。最后根据施工现场开挖实际情况显示，预测情况与实际情况基本相吻合。图1 贵新隧道右洞里程YK23+210掌子面上地质雷达超前探测记录6 结 语1、在隧道施工过程中,运用超前地质预报技术来指导施工是很重要也是很必要的,它在很大程度上消除了施工的盲目性,确保了施工的安全进行。因此在今后修建隧道的过程中,应把超前地质预报工作当作一个重要环节纳入施工工序,同时应结合隧道的实际地质条件,采取适当的地质预报方法。2、目前超前地质预报还存在着以下
16、一些客观的问题：（1）围岩揭露范围小,难以观其全貌；（2）探测作业空间小,限制了探测手段的应用,这主要表现在探测手段选择和测线布置两方面；（3）探测与施工难以并行。目前使用的探测手段, 尤其是物探手段,为了避免干扰,常常需要停止施工作业,才能取得较好的探测结果,而使施工不能得以进行,这对施工单位的影响较大。在探测成果对施工的指导作用尚有一定差距的现状下,施工单位往往难以接受,探测时难以做到试测,不得已而为之时,也往往不尽人意；（4）针对隧道探测环境较差的条件，如何排除干扰、提高信噪比，如何识别物探仪器图像中的干扰异常，如何提高探测分辨率有待于进一步试验研究。参考文献：1赵永贵,刘浩,孙宇等.隧道地质超前预报研究
