地质雷达在隧道施工地质超前预报中的应用

地质雷达在隧道施工地质超前预报中的应用

摘要：地质雷达作为常用的物探手段之一，具有方便快捷、探测灵敏、施工可操作性强的特点，因此被大量应用于隧道施工地质预报的工作中。以某高速公路隧道为例，将地质雷达应用于施工地质预报中，并得出探测结论，旨在积累预报经验，为类似工程提供借鉴与参考。

关键词：地质雷达，隧道施工，地质预报

一引言

地质雷达的工作原理为以高频电磁波传播理论为基础，用于探测地下介质分布的广谱电磁技术。地质雷达仪器由一台外部便携式PC、控制单元、发射天线和接收主机组成，用光缆把控制单元与发射机和接收机相连，用通讯电缆把控制单元与计算机相连。电磁波在地下介质中传播的波形、路径和电磁场强度取决于所通过介质的电性差异及几何形态。根据接收到的电磁波波形、强度、双程走时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。本文选用瑞典MALA GEOSCIENCE AB公司研发的RAMAC地质雷达，探测距离一般为20m[1]-[3]。

二工程概况

2.1 项目概况

东方山隧道位于鄂州市汀祖镇与黄石市下陆区东方山街道办。隧道进口位于鄂州市汀祖镇上张村东方朔记念馆北西侧山坡；隧道出口位于黄石市下陆区东方山街道办陆柏林村。隧道设计为分离式隧道，大致由北东往南西向展布，左幅全长2899m（ZK165+303～ZK168+202），坡度0.971%；右幅全长2931m（YK165+308～YK168+239）,坡度0.971%。隧道洞室底板标高约106.5m～67.8m，最大埋深约343m，为长隧道。设计隧道轴向约210°，洞门型式进、出口端均为削竹式，洞室有效净宽10.5m，有效净高5.0m。

2.2 地质情况

隧道处于构造剥蚀丘陵地貌区，隧道轴线呈210°穿越东方山，山体走向为近东西向，地面高程在110m～450m之间，最大相对切割深度约150m。隧道进、出口侧地形坡度较陡，自然坡角约为30～40°，坡面呈上陡下缓的阶梯状，植被较发育。

隧道围岩主要为弱风化闪长岩（Qδ）：岩体节理裂隙较发育，多呈微张开状，

充填少量方解石及石英脉，隙面上附有少量绿泥石薄膜。岩质较硬，敲击声脆，岩芯完整，多呈柱状。

隧道区系隧道区大地构造属扬子准地台太子庙褶束，地处保安背斜北翼，受下陆～姜桥断陷带的影响，区域地层被一系列与褶皱为同一构造应力场的北西西向多期活动断裂和横向断裂破坏，在燕山期多次被各类闪长岩、闪长斑岩、二长岩等侵入，形成巨大的侵入岩体。隧道区下伏基岩为燕山早期侵入岩体，根据区域地质资料、物探资料及野外地质调绘，隧道区未见断裂构造带通过，但局部构造裂隙发育。主要发育以下三组裂隙：① 6°∠40°，呈微张开状，隙面较粗糙，延伸长度1～2m，裂隙密度4条/m；②200°∠53°，呈闭合状，隙面较平直，延伸长度0.5～1m，裂隙密度3条/m；③242°∠85°，呈闭合状，隙面较平直，延伸长度0.5～2m，裂隙密度3条/m，部分被石英或方解石充填，贯通性较差。

2.3 水文条件

隧道地下水主要为山体表层残积层中的孔隙水及基岩裂隙水，主要接受大气降水的补给，就近向低洼段排泄。基岩裂隙水的水量大小受裂隙发育程度、季节性影响和控制，总体上水量贫乏，对隧道影响较小，水文地质条件属简单类型，隧道具滴水、渗水现象。

2.4 施工现状

当隧道出口左洞开挖至里程ZK167＋182处时，为探明前方可能存在的不良地质体，采用地质分析法结合地质雷达进行施工地质预报。

三地质预报成果

3.1 掌子面地质描述

掌子面出露围岩为燕山早期侵入岩体闪长岩，灰白色，其主要矿物组成为石英、长石、角闪石及黑云母等，属硬质岩。围岩较破碎，节理裂隙以闭合和微张开为主，掌子面上揭露的主要有2组，如图1所示，节理的裂隙面平直，大部分处于闭合状态。其中L1发育多条，265°∠35°；L2，265°∠68°。开挖无支护时侧壁基本稳定，洞顶易掉块，洞身干燥。

图1ZK167+182掌子面地质素描图

3.2 地质雷达探测成果

地质雷达测线布置如图2所示。地质雷达探测成果剖面图如图3所示。本次地质雷达隧道超前预报长度为20m。

图2地质雷达沿线布置示意图

根据图3可出施工地质预报结论：

1、ZK167+182~ZK167+162，长20m，在所预报范围内，围岩岩体较完整、稳定，掌子面出露围岩为燕山早期侵入岩体闪长岩，灰白色，其主要矿物组成为石英、长石、角闪石及黑云母等，属硬质岩。围岩较破碎，节理裂隙以闭合和微张开为主。地质雷达探测暂未发现隧道含水破碎等地质灾害情况。

2、建议：鉴于以上情况，建议在接近和穿越构造破碎带时，注意谨慎施工，及时加强支护，如超前预支护，防掉块、塌方。开挖爆破施工应遵循“短循环、弱爆破、强支护”原则。

图3地质雷达探测成果剖面图

3.3 地质雷达解译标准探讨

对于地质雷达预报而言，通过大量的现场实践经验总结，得出了不良地质体特征图谱与判译准则：

1、完整岩体：由于该种岩体介质相对均匀，可看作是各向同性，故其电性差异较小；电磁波能量衰减缓慢，波形均匀，无杂乱反射；同向轴一致，自动增益梯度相对较小；

2、断层与破碎带：由于岩体内节理裂隙多、岩块松散，反射界面较多，因此其电性差异大，能量团分布不均匀，常产生绕射或散射；电磁波能量衰减快，尤其是高频部分；同向轴不连续而变得杂乱，有时甚至错开、断裂，自动增益梯度较大；

3、岩溶空腔：反射波沿空腔界面反射强烈，形状较为规则的空腔反射波同向轴以双曲线状或弧形为主，界面处以正反射为主，后续波型以低频率、大波长为主，能量衰减相对较慢；

4、含水体：由于水是自然界介电常数最大的介质（其相对介电常数可达80左右），且与其它介质相差很大，故地质雷达波在含水体表面将产生强振幅反射，并且在穿透含水体时发生多次反射，波幅大、频率高、波长短，同相轴连续性较好，波形较均一。

参考文献

[1] 杜明玉，吕乔森. 地质雷达在岩溶隧道短期超前地质预报中的应用[J]. 中国西部科技，2009，9（4）：46-47.

[2] 宋先海，顾汉明，肖柏勋. 我国隧道地质超前预报技术述评[J]. 地球物理学进展，2006，21（2）：605-613.