基于 地质 雷达法 超前 地质预报 动态调整 体系

陀楚明 1,2 肖坤杰 1,2

1.广西交科集团有限公司 广西南宁  530007 2.广西道路结构与材料重点实验室 广西南宁  530007

摘 要：地质雷达法是短程超前地质预报精度较高的物探方法，但在不同地质环境中由于预报的现场操作，仪器参数需根据掌子面揭露围岩进行动态调整，否则将对预报结果产生较大偏差，并可能存在解析误报甚至错误，甚至酿成重危大工程安全事故。通过结合掌子面地质观察、规范数据采集、动态参数处理解析以及预报验证反馈机制，构建一个具有“新陈代谢”功能地质预报体系。工程实践证明，地质预报动态调整体系有效地提高了地质雷达法超前地质预报的准确性，可有效避免物探法误判、错判出错率。

关键词：地质雷达法；验证反馈机制；动态调整；地质预报体系

Dynamic adjusting geological prediction system based on GPR

Tuo Chuming，Xiao Kunjie

(Guangxi Transportation Research &Consulting CO.,LTD., Nanning, 530000)

ABSRTACT: GPR is a geophysical prospecting method with high accuracy for short-range geological prediction, but in different geological environments, due to the field operation of prediction, the instrument parameters need to be dynamically adjusted according to the exposure of surrounding rock on the face of the hand, otherwise, the forecast results will have a large deviation, and there may be analytical misreport or even errors, and even lead to serious accidents. Through the combination of geological observation, standardized data collection, dynamic parameter processing and analysis, and the feedback mechanism of prediction verification, a functional geological prediction system with "metabolism" is constructed. The engineering practice has proved that the dynamic adjustment system of geological forecast can effectively improve the accuracy of geological forecast by GPR method, and can effectively avoid the wrong judgment and wrong rate of geophysical method.

Key words: GPR method; Verification feedback mechanism; Dynamic tuning; Geological prediction system

0 引言

随着中西部的发展，山区高速公路的修建急剧增多，桥隧占比随之提升^[1]。山区隧道在掘进中碰到坍塌、突水、突泥等不良地质现象时有发生，对人民生命财产安全构成严重威胁^[2]。超前地质预报可有效避免隧道开挖盲区，提前对不良地质进行预警，提前采取措施避免。目前，隧道超前地质预报主要采用在地面地质调绘、钻探的基础上进行洞内掌子面开挖地质编录、超前水平钻探和物探，其中物探法具备探测效率高、成本低优点^[3]。常用的物探方法有地震波法、地质雷达法、瞬变电磁法等，其中地质雷达法具有操作便捷、适用性较广、准确性较高的优点^[4]。

地质雷达法普遍用于岩溶地区隧道超前地质预报。吴俊^[5]、由广明^[6]、姜汶泉^[7]等研究了地质雷达在公路隧道地质超前预报中的应用；吴忠杰^[8]、刘伟^[9]、姜洪亮^[10]等研究了地质雷达法在隧道超前地质预报中岩溶的探测。

在隧道超前地质预报中，地质雷达法通常在掌子面地质观察基础上进行超前不良地质体探测，工程程序包括现场数据采集、数据预处理、数据分析解译等步骤。由于地质雷达法是一种短程探测方法，在日常预报工作中的重复性较高，当仪器参数、解译未能根据现场现场掌子面开挖揭露情况进行动态调整，极易造成误判、错判，甚至酿成工程事故。本文将以提高地质雷达法预报准确性为目标，对超前预报中的各个步骤进行分析，结合预报验证反馈，提出具备“新陈代谢”功能的地质预报动态调整体系。

1 掌子面地质观察

掌子面揭示地质情况是质预报分析的基础，因此在预报前进行掌子面围岩情况充分观察分析是准确进行预报的前提。

反映掌子面围岩情况常用的方法有现场影像、地质素描以及地质构造、结构面、节理裂隙、地下水、裂隙充填物等现场记录。其中现场影像是能最直接反映掌子面围岩情况的，但现场影像也往往是最容易被忽略的，这主要是施工隧道内光线较暗、粉尘相对浓度较高，尤其是在出渣、喷浆等过程中，隧道内能见度极低，摄影设备拍摄出的效果较差，使得部分人员认为掌子面影像只是一种形式或者只拍摄掌子面正前方1~2张照片。

现场掌子面摄影是后续再现掌子面围岩情况的重要依据。一般情况，要全面反映掌子面围岩情况，摄影照片至少需要4张，即掌子面正面、左侧面、右侧面及拱顶，局部区域存在明显异常的，需额外拍摄该处照片。这也是对掌子面各方位的观察过程。再结合地质素描和现场记录，基本能在后续处理分析中再现掌子面围岩情况，为数据分析提供最直接的参考依据。

2 数据采集

超前地质预报雷达数据的采集质量直接关系到预报成果质量。预报中雷达数据采集分点测方式和连续测量方式（GSSI SIR雷达）。依据Q∕CR 9217-2015 《铁路隧道超前地质预报技术规程》^[11]，预报中宜采用连续测量方式，不能连续测量时可采用点测。其中，连续测量必须保持匀速，点测移动间距不大于0.2m。这是保证数据采集质量的基础，当出现采集不规范时，易导致缺陷的误判、漏判，如图1所示。

图1 雷达数据现场采集示意图

图1中，a图为按规范正常采集雷达数据的情况，b图为局部雷达数据采集偏密集，c图为局部数据采集偏少。在数据处理时，b、c两种采集异常数据均会被均匀分布在掌子面。在b情况中，会导致采集数据密集区域的异常体图像被放大，在预报中，这容易将小的异常体判断为大型异常体；在c情况中，会导致采集数据稀疏区域的异常体图像被压缩，导致大的异常体在雷达图像中显现不明显，甚至造成异常体的漏判。

3 数据处理及分析

雷达数据的处理是一个削弱干扰信号、突出有用信号的过程，而数据分析则是一个根据区域水文地质情况、当前掌子面围岩状态、现场施工中存在的异常现象以及雷达数据等进行综合分析的过程。

3.1 数据处理

通常雷达数据处理包含静态校正、增益调整、去直流漂移、滤波、压制和剔除干扰波及突出有效波等步骤。其中关键点在于数据处理后增益强弱的选取，也就是雷达图像中背景色强弱的调节。在预报中同一个雷达数据很可能因背景强弱选取不同得出完全不同的结论，如图2所示。

a.背景色偏弱 b.背景色偏强

图2 同一雷达数据图中不同背景强弱对比图从

从图2中可以看出，a图中的异常反射相对较弱，判断其前方围岩相对较好；而b图中的异常反射较强，判断得出的前方围岩相对较差。

雷达图像背景强弱的选取通常依赖于一个地质预报人员的工程经验，但也并非无据可循，区域水文地质情况、当前掌子面的围岩情况、现场的异常现象等均可作为本次预报中背景强弱选择的依据，其中当前掌子面围岩情况是参考的重点。

3.2数据分析

雷达数据分析，一般是根据雷达信号同相轴连续性、振幅强弱、波形高低频分布、波形相似性等确定异常区域，在根据区域水文地质情况、掌子面围岩条件、现场异常现象以及雷达波形特征等，推断该区域异常体的类型、大小，如断层破碎带、富水带、岩溶（充填型、非充填型）等，并指出可能引发的不良地质灾害，指导隧道施工作业。

4 预报验证反馈机制

建立地质雷达预报验证反馈机制对提高预报准确性具有十分重要的作用。在地质预报中，由于岩土体中的不确定因素较多，通过地质雷达进行预报得出的结论往往都存在一定的偏离。当这种偏离大到一定程度时，将会导致预报结论的不准确。为了将这种偏离控制在一定范围内，这需要不断地将预报结论和隧道现场开挖情况对比验证，累积在这类岩土地质情况中雷达信号变化的经验，提高预报水平。笔者根据实际情况，编制了一个用于地质雷达法进行地质预报的验证反馈分析图，如图3所示。

图3 地质预报验证反馈分析图

图3中的表格分为三个模块：模块1为当前掌子面围岩情况，包含预报时间、现场图像和地质描述；模块2为雷达数据、分析和结论；模块3为模块2中异常体处现场验证时间、图像和相应桩号掌子面概述。模块1和模块2主要用于简要复现该次预报成果；模块3则是对模块2中结论的验证。

通过这种验证反馈机制，对预报结果和现场开挖情况进行对比验证。当预报结果与现场开挖存在较大偏离时，能及时对该次预报进行“复盘”，发现预报中存在问题，调整相关参数及操作步骤，确定解决办法，确保后续预报的准确性。

5 工程案例

以某工程隧道为例，该隧道穿越山体主要为泥盆系上统灰岩，位于亚热带季风气候区，雨水充沛，地表植被较茂密，以灌木为主。该隧道右洞出口当前掌子面桩号为YK387+810，揭露围岩为微风化灰岩，岩质较坚硬，岩体结构面稍发育，节理裂隙较发育，局部岩体较破碎，裂隙中多为铁质侵染，局部稍夹泥，掌子面干燥，围岩自稳能力一般。掌子面围岩情况如图4所示。

图4 隧道右洞出口掌子面YK387+810处围岩情况

根据现场情况，掌子面障碍物较多，地面不平整，现场雷达数据采用点测法，测点均匀布置在掌子面，将雷达数据经处理后，根据掌子面围岩情况，调整图像中背景色，使得雷达图像前几米内的信号强弱情况与掌子面基本相符，得出的雷达图像如图5所示。

图5 隧道右洞出口掌子面YK387+810处超前预报雷达图像

根据图5中雷达图像波形特征，可将隧道掌子面YK387+810前方30m划分为4个区域进行分析。区域Ⅰ:0~10m范围，雷达信号以中频为主，同相轴错断，局部幅值稍强，推测该区域围压与掌子面围岩基本类似，岩体结构面稍发育，节理裂隙较发育，岩体较破碎，局部裂隙中泥质充填胶结；区域Ⅱ：10~15m范围，雷达信号以中频为主，同相轴时断时续，局部存在低频震荡信号，推测区域围岩溶蚀裂隙发育，局部存在小溶槽；区域Ⅲ：15~23m范围，雷达信号以低频为主，同相轴连续，幅值较强，波形均一，呈现出震荡特征，且异常区域周边存在4个反射较弱的高频信号区，推测该区域发育有岩溶空腔；区域Ⅳ：23~30m范围，该处中部雷达信号以中低频为主，同相轴较连续，幅值较强，呈现出震荡特征，推测该处发育有溶槽，周边岩体溶蚀裂隙较发育，岩体较破碎，裂隙中多为泥质充填胶结。

经现场验证，隧道右洞出口掌子面开挖至YK387+793.5处，揭露出岩溶空腔，如图6所示。

图6 隧道右洞出口掌子面YK387+793.5处围岩情况

6 结论

通过全方位地掌子面地质观察、规范现场数据采集、动态调整数据处理步骤、结合预报验证反馈机制等，构建了一个具有“新陈代谢”功能的动态调整地质预报体系。当预报较大偏差时，预报验证反馈机制立即响应，利用全方位的掌子面现场影像及地质描述复现现场围岩情况，规范地现场数据采集确保原始数据的可靠性，再通过调整数据处理中的相关参数、步骤以及背景强弱等得出再次处理的雷达图像，将其与实际开挖情况进行对比分析，分析此次预报结论产生偏移的原因，确立解决方案，为后续超前地质预报工作地调整提供参考依据。

实践证明，这种动态调整地质预报体系有效地提高了地质雷达法超前地质预报的准确性。

1参考文献:

[] 赵海云.对山区高速公路桥梁下部设计的探讨[J].交通世界(建养.机械),2010(Z1):229-230.

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3[] 王梦恕,谭忠盛.中国隧道及地下工程修建技术[J].中国工程科学,2010,12(12):4-10.

4[] 陈登亮. 综合物探法在隧道超前预报中的应用效果分析[D].

5[] 吴俊,毛海和,应松,夏才初.地质雷达在公路隧道短期地质超前预报中的应用[J].岩土力学,2003(S1):154-157.

6[] 由广明,刘学增,汪成兵.地质雷达在公路隧道超前地质预报中的应用[J].公路交通科技,2007(08):92-95.

7[] 姜汶泉,刘亚玲,汪林平.地质雷达在公路隧道超前地质预报中的应用[J].地下空间与工程学报,2008(04):649-652.

8[] 吴忠杰.地质雷达在岩溶隧道地质超前预报中的应用[J].公路交通科技(应用技术版),2010,6(07):220-222.

9[] 刘伟,周斌,甘伏平,赵伟.隧道超前预报中不同性质充填溶洞地质雷达正演实验研究[J].现代隧道技术,2014,51(01):153-158+198.

10[] 姜洪亮,杨庭伟,卢超波.地质雷达法隧道超前地质预报岩溶探测应用研究[J].工程技术研究,2018(11):6-9.

11[] Q∕CR 9217-2015 《铁路隧道超前地质预报技术规程》

作者简介：陀楚明（1989-05），男，汉族，广西苍梧人,本科，助理工程师，主要从事隧道围岩变形方面的研究。