地质雷达方法在隧道超前地质预报中的运用

地质雷达方法在隧道超前地质预报中的运用

董特

陕西秦海检测科技有限公司  陕西省咸阳市  712000

摘要：地质雷达是一种探测地下深层构造的探测设备，目前主要应用于建筑、水利、考古、航空、采矿、电力等工程建设过程中，在检测这些工程建设质量过程中起到了重要的作用，但地质雷达方法也存在一些技术上的问题，比如无法获得完美的扫描图像、预报的结果不准确等，在隧道开挖前，尤其是地质复杂的隧道开挖前，很容易出现溶洞、地下暗河等不良的地质条件，探测前方的地质条件至关重要，不仅可以预防突发地质灾害给施工的安全带来威胁，还能保证正常工期。本文将主要研究地质雷达方法在隧道超前地质预报中的运用。

关键词：地质雷达方法；隧道；超前地质预报

引言

基础设施建设是近年来我国大力支持、重视的工程项目，随着我国交通体系的逐渐完善，公路、铁路等的建设数量也逐年增长，在建设这些工程项目过程中，必然会存在很多隧道工程的建设，隧道前期的地质、地表勘察是隧道工程开挖设计的重要基础，可以有效的指导隧道施工的开展，隧道超前地质预报对保证隧道安全施工具有重要的作用，开展隧道超前地质预报的方法包括地震TSP预报法、地质雷达法等多种方法，需要根据隧道开挖的现场实际地质条件等出发，选择合适的预报方法，地质雷达法作为其中主要的探测方法，有着较高的探测效率、对施工的干扰较小、安全等优势，但也有着预报距离较短等缺点，为了保证隧道超前地质预报的准确性，要充分的对其参数设置、图像判读等进行研究。

一、地质雷达法

（一）内涵

地质雷达法是在隧道开挖前，利用发射装置向相应的区域发射电磁波，电磁波在前方岩体中进行传播、反射，检测设备对反射回来的电磁波波形进行检测，再根据传播的速度、反射脉冲波走势对隧道超前地质预报进行探测。地质雷达法一般是应用在岩溶、断层破碎带、软弱夹层等地质条件不均匀地区的探测方式。

（二）应用要求

利用地质雷达法进行隧道超前地质预报时，首先需要保证检测的地质地与周边的介质存在一定的介电常数差异，能够反射不明显的电磁波信号；其次检测的地质地具有一定的规模，可以被探测，而且地质雷达法不能对极高电导屏蔽层进行检测；最后地质雷达法所使用的探测仪器的指标要符合规定，包括：系统增益要高于等于150dB、信噪比高于60dB、采样间隔低于等于0.5ns、模数转换器高于等于16位等，还要保证探测仪器具有叠加信号、实时滤波、点测和连续策略等功能[1]。

二、地质雷达法的应用

（一）确定雷达扫描参数

地质雷达法在隧道超前地质预报中进行应用时，必然需要现场采集参数，在现场采集前要明确扫描参数，参数的设置合理对减少次要参数的干扰、保证重要地质信息获取的准确具有积极的作用。首先利用现场波速的测验试验精确掌子面岩石的相对介电常数，利用v=c（εr）-1/2的公式开展计算，如果缺乏做波速试验的条件，可以使用实用参考值。砂岩、灰岩、花岗岩等一般岩石介质的相对介电常数变化一般在4.5~10.3之间，可以取平均值7.1；而壤土、粘土、沙土、完全风化的岩石的相对介电常数的变化范围则较大，很容易受到其含水量的影响，含水量低时的相对介电常数的变化一般在3.3~7.6，取其平均值为5.4，含水量高时的相对介电常数变化范围较高，在8.2~28.0之间，取其平均值18.4。一般情况下，土的含水饱和度低于33%为低含水土，含水饱和度在33%~67%为中含水土，含水饱和度高于67%为高含水土，其相对介电常数分别为：12.0、18.4、24.8再根据实地情况进行适当的调整。

地质雷达法所使用的频率约在5~3000MHz范围内，目前地质雷达法在进行隧道超前地质预报中所利用的频率属于中低频x天线，包括50、100、200MHz等，根据调查发现，100MHz的天线在隧道超前地质预报中取得的数据更加准确，在进行初衬检测时主要使用800MHz的天线、二衬等检测使用500MHz的天线，为了保证检测效果，在进行隧道超前地质预报时需要利用屏蔽天线，检测的深度也要保证在10m以上，30m以下，精度要控制在50cm的范围内。在检测掌子面岩石时，考虑到其不平整等特点，可以利用点测的方式开展预报，一般点测的测点间距要控制到10~20cm的范围内，初衬检测可以利用时间触发的方式检测、二衬可以利用测距轮触发的方式进行检测。

一般情况下，地质雷达法的电磁波在岩土介质中进行传播时，速度约为0.1m/ns，比如需要检测30m深度的地质条件时，可以通过增加时窗的方式，将时窗设置为600~660ns，保证传播效果。采样的频率可以设置为天线中心频率的6倍到15倍，尽量去大值，比如100MHz的天线可以设置1.0~1.2GHz的采样频率。采样点数作为一道波线上的样点数量，采样点多所探测的测点也会更加密集，需要充分的考虑纵向的分辨率，设置合理的采样点数[2]。

（二）数据处理

1.滤波

滤波可以打破一些干扰信号对雷达的影响，将主要的地质条件进行明显突出，帮助进行雷达记录的判读，可以利用去直流漂移、增益、去水平信号干扰、带通滤波等方式进行滤波计算。在实际的应用时，这些滤波算法是按照一定的顺序开展的，保证获取到更加精确的地质信息。

2.隧道超前地质预报的典型波形

利用地质雷达法进行隧道超前地质预报时，一般会出现几种典型的波形，包括地下管道波形特征、混凝土中钢筋的波形特征、地下结构层面的波形特征、地下空洞反射波形态特征等，每种波形特征都代表了不同的隧道地质条件，比如地下管道波形特征所反映出的反射弧形宽度与地下管道的直径、管道距离地面的深度有着密切的联系。

（三）图像的判读

地质雷达法的图像判读是对现场采集到的图像进行分析，再对相应的工程概况、工程周边环境、地形图等与工程相关资料的分析，充分的了解隧道开挖地质条件。需要判读的人员具有丰富的理论知识储备和实践经验，对雷达图像中所采集的采样点的瞬时振幅、频率、瞬时相位的变化等进行分析，从而提出正确的隧道开挖方式。雷达图像中出现的黑白云图、波形图、白色点连成的线等都代表了不同的地质形态，同一种雷达图像也会存在翻身真毒、瞬时频率、形态、强弱等的变化，需要充分的分析确定。

结语

地质雷达法主要对岩溶、断层破碎带、软弱夹层等地质条件不均匀地区进行隧道超前地质预报，有着明显的安全、检测效率高等优势。本文通过对地质雷达法的内涵和应用要求进行介绍，提出地质雷达法在进行隧道超前地质预报时，主要是对现场环境的检测、对检测数据进行处理、对雷达图像进行判读等，需要科学的分析其中的数值、结合实践经验，保证地质雷达法的应用效果。

参考文献

[1]董伟伟,麦燕午.地质雷达法在隧道超前地质预报中的应用[J].建材世界,2022,43(04):96-98.

[2]黄金山,林从谋,黄俊贤,郑强,杨海书.基于地质雷达的隧道超前地质预报技术及其应用研究[J].山东科技大学学报(自然科学版),2011,30(01):47-52.