地质雷达检测在隧道工程中的技术应用

谢其洪

摘要：本文结合实际工程应用实例，针对地质雷达的特征、原理以及探测解释方式展开具体地研究。在开展隧道结构检测以及隧道工程的超前地质探测预报工作的过程中，针对地质雷达的先进性、实用性以及其在实际应用中起到的重要影响进行重点说明。

关键词：隧道工程；地质雷达；检测；应用

1、工程概况

某隧道为长隧道，按左、右线分离布设。左线隧道长1520m，揭阳端洞口采用削竹式，洞口设计标高30.3m，惠来端洞门采用削竹式，洞口设计标高17.3m，坡高0.5%一1.31%，隧道最大埋深约209m。右线隧道长1482m，揭阳端洞口采用削竹式，洞口设计标高:30.493m，惠来端洞门采用削竹式，洞口设计标高17.4m，坡度0.5%一1.32%，隧道最大埋深约212m。隧道位于丘陵地区，山体地形陡峭，山体植被较发育，山体发育花岗岩孤石，大小不一。

2、地质雷达的发展及其应用

在社会经济飞速发展的大环境下，大量仪器以及新的方法在岩土勘察中得到广泛地使用。其中最常用的方法有电磁波法与弹性波法。在地质雷达中，使用频率最高的就属电磁波法了，隧道地震探测仪较适用于宏观的、远距离的探测地质问题。此外，地质雷，也可同高频电磁波密切结合起来实施无损伤探测，且速度相当惊人。若频段相当高，则可在隧道结构中开展检测工作。

随着时间的推移，公路的隧道工程的规模、埋深及其数量也在持续增多。然而在实际施工实践过程中，也碰见大量工程地质问题。尽管在设计前也进行了十分缜密的地质勘查，但问题依旧存在。由此可知晓在隧道施工过程中围岩稳定性问题与掌子面前方的实际情况，并给出及时地、有效地、超前预报结果。一旦隧道竣工或出现事故，应遵循目前正在实行的标准、规范与要求，并密切结合隧道的结构特征，测量净空断面并观测隧道的表面情况。必要时应运用地质雷达实施进一步地检测，检测内容主要有：钢构架的布局、衬砌混凝土的均匀性、完整性、是否存在蜂窝麻面、离析问题、衬砌有效厚度、围岩的完整性、密实性以及稳定性等等。通过对一系列实际情况地分析表明，地质雷达技术能在隧道的施工过程当中起到良好的超前地质预报效果。

如今，地质雷达检测技术可形成连续探测与单点探测的实时自动成图。但是，国外的探地雷达差不多都属于单脉冲雷达，它的工作频率基本上处于50到2G赫兹的范围，其中加拿大与美国是最具典型性。

在现场施工实践过程当中，由于目标随精密度增大仪器会增加以及地层对电磁波的衰减作用的影响，因此，频段不同，其探测的要求也会存在一定差异，详见下表1。

表1不同频段的应用范围

我们国家所生产的一系列地质雷达，结合地下工程的超前预报的特点，采用的是脉冲调制式，这个的探测距离非常大，而且分辨率也非常高，其工作的频率大约在160到220兆赫兹，其探测的距离可以达到40到60米，可以很好地适应超前地质预报以及部分的工程检测。

3、探测的原理以及方法

地质雷达是采用无线电波检测地下介质分布和对不可见目标体或地下界面进行扫描，以确定其内部结构形态或位置的电磁技术。其工作原理为高频电磁波以宽频带脉冲形式通过发射天线发射，经目标体反射或透射，被接受天线所接收。高频电磁波在介质中传播时，其路径、电磁场强度和波形将随所通过介质的电性质及集合形态而变化，由此通过对时域波形的采集、处理和分析，可确定地下界面或目标体的空间位置或结构状态。探地雷达具有高分辨率、无损性、高效率、抗干扰能力强等特点。检测采用剖面法，即发射天线（T）和接收天线（R）以固定间距沿测线同步移动的测量方式，其结果可用探地雷达时间剖面图表示，其中横坐标记录了天线在地表的位置，纵坐标为反射波双程走时，表示雷达脉冲从发射天线出发经地下界面反射回到接收天线所需的时间。这种记录能准确描述测线下方各反射界面的形态。其工作原理如图1。

图1工作原理

本工程在综合考虑设计的任务书与图纸的基础上，依据相关规定与要求开展地质超前预报工作。同时，在隧道中纵向30米的区域内，针对安全性不高的地质问题展开细致地检查，并探测水文地质特征与地层岩性变化情况，深入地分析研究隧道围岩的级别，给出相关的施工意见，从而有效确保施工的安全性、稳定性，避免部分不必要的损失出现。此外，在数据方面给动态设计工作的开展奠定了坚实的基础，从而有利于为隧道施工提供更全面、更系统化的服务。

考虑到电磁波的双程走时，可将探测目标的结构特征与形态确定下来，详见图1。

图2地质雷达探测图

本次地质预报用到了地质雷达系统，综合考虑探测的现场施工条件与前方岩石的特征，采用空气耦合型l00兆赫兹的天线实施具体地探测。由于此次预报对额工作面地处区域内，因此采取点测的办法针对工作面的正前方实施具体地预测。

4、数据的处理以及得出来的结果

通过相关软件针对实际测出的资料实施分析与处理，出于对现场岩性的实际情况的考虑，最终择出一个相对恰当的相对介电常数，最终取得一定成果。成果中显示：起初若察觉到存在十分显著的反相位反射波组，就意味着岩层岩性正在逐步转好。通过对反射波反射强度的实际大小的分析，即可对反射界面前方介质的特征加以区分。

以雷达数据处理结果为凭证，在考虑到地质资料的基础上，最终获取到的预报结果如下：

（1）掌子面右侧前方4至10m范围内的反射信号更强，同相轴紊乱。由此可见，该区域和掌子面的情况比较相似，都存在显著的破碎带，围堰的完整度不好，由此判定围岩级别是V级。

（2）掌子面前方10至1.5m区域反射信号衰退稳定，同相轴平稳，然而有断开的问题出现，由此可见该区域岩性稍微地在变好。然而仍含水、破碎，因此可断定围岩的级别是W级。

（3）掌子面前方1.5至3.0m区域信号不强，将增益加大后可知，同相轴呈现出连续的状态，由此断定该区域岩性正在逐步变好，其级别应当是W级。

（4）掌子面是强风化花岗岩，局部很潮湿，中部存在严重掉块的问题，上方自稳能力差，由此可断定，围岩级别是V级。

依据结果给出的建议:

（1）掌子面前方20m区域后岩性呈现出好转的态势，为此可考虑采取上下台阶方法，针对进尺实施严控，及时将初期支护工作做到位，确保强度达标，避免出现坍塌、掉块问题，并把好排水工作的关口。

（2）掌子面前方10m区域围岩和掌子面情况十分类似，破碎带很明显，缺乏稳定性，坍塌的可能性大。所以，要对进尺进行严格把关，除了要做好初期支护工作与排水工作外，还需有效确保强度问题，从而避免出现坍塌和掉块问题。

（3）掌子面围岩属于强风化花岗岩，缺乏较好的自稳能力，中部掉块问题严重、局部比较潮湿，此时应严控进尺问题，加大力度实施支护，避免发生坍塌。

5、结束语

在隧道工程施工过程以及后续运营过程当中，地质雷达能十分具体地检测出工程的质量问题，并对工程的质量进行严格把关，找出工程施工中存在的问题。而在探测介质参数的过程中，地质雷达的使用及其效果依旧有许多争议存在。但是随着时间的推移以及地质雷达的不断健全与发展，其在隧道工程检测中所起到了重要的影响。

总之，在地质超前预报中，地质雷达扮演着十分重要的角色。不仅能准确地探测预报隧道施工过程中对工程施工安全产生不良影响的有关地质灾害，还能探测出隧道结构中存在的施工问题，并对有问题的隧道给出可靠的、具体的证明。如此既能减少一些资金支出，又能大大提升工作效率。