公路隧道 ２０１０年第４期（总第７２期） 地质雷达在隧道超前地质预报中的波形特征探究 温佐彪 （成都畅达通地下科技发展有限公司成都６１００４１） 摘 要地质雷达探测具有精度高、快捷、无损探测等诸多优点，是近年来发展较为迅捷、效果突出的超前地质预 报方法之一，并在各种工程中得到了大面积应用。本文简述了地质雷达的工作原理及野外工作方法，结合工程实 例，分析了各种不良地质现象的雷达波特征，并结合实际探测成果，评价其准确性。 关键词隧道地质雷达超前地质预报 现代隧道建设的一个基本特点就是“动态设计、 动态施工”。因此，实时地进行掌子面超前地质预报 射后埋深： ‘ｈ一 对隧道的安全、快捷施工具有非常重要的作用。地 质雷达探测是近年来应用于短距离超前地质预报较 为普遍的一种物探手段，其特点是快速、连续测量， ２√ 式中，ｈ一目标体埋深；ｔ一电磁波双程走时；∈一介电 常数； 一电磁波在真空中的速度。 并以实时成像的方式显示探测结果，分析、解释直观 方便。加上其探测精度高、样点密、工作效率高等优 势而备受青睐。 ２野外探测技术 ２．１探测对象分析 探测对象所赋存的地质条件和埋深是影响地质 雷达探测效果至关重要的因素。探测对象的几何形 态，包括高度、长度、宽度等也影响探测效果，因为探 １ 地质雷达探测基本原理 地质雷达（ＧＰＲ）方法是一种用于确定地下介 质分布的广谱电磁波技术。在前方探测范围内无大 量铁磁性物体干扰的情况下，可采用探地雷达进行 探测。地质雷达利用天线向隧道掌子面前方发射电 磁脉冲，并接收由前方不同介质界面的反射波。电 测对象的几何尺寸决定了雷达系统可能具有的分辨 率，关系到天线中心频率的选择。再者，被探测对象 的导电率和介电常数等也需掌握，因为这将影响到 对能量反射或散射的识别。此外，在探测区域不应 存在大范围的金属构件和无线电射频源，以免外界 的干扰。 磁波在介质中传播时，其路径、电磁场强度与波形将 随所通过介质的电性质及几何形态的变化而变化。 根据接收到的回波时间、幅度和波形等信息，可判定 地下介质的结构与埋藏体的位置与形态。其测试原 理如图１所示。 ２．２工作参数选择 对于地质预报而言，各种介质的介电常数及传 播速度是不同的，而探测深度与所使用的天线中心 频率有直接的关系，天线频率越高，探测深度越小， 精度越高，反之亦然。在隧道超前预报中通常采用 —圃 ３８～１５０Ｍ天线，其他参数的选择，应根据实际情况 决定，并应根据地域不同进行多次试验后确定其最 优探测参数。 吨 ３资料处理及解释 图１地质雷达工作原理示意图 在地质雷达探测中，为了得到更多的反射波特 在探测范围无大量铁磁性物体干扰的情况下， 征，通常利用宽频带进行记录，因此在记录到各种有 效波的同时，不可避免地记录下了许多干扰噪声。 此外，由于地下介质相当于一个复杂的滤波器，使得 电磁脉冲到达接收天线时波幅被减小，波形与原始 反射波形也有差异，通过对数据处理，达到消除或压 主要采用地质雷达电磁波的反射原理进行测试：高 频电磁波以宽频脉冲的形式通过发射天线定向送入 地下，经过存在电性差异的地下地层或目标体的反 ・ ５０ ・ 温佐彪地质雷达在隧道超前地质预报中的波形特征探究 判断。 制干扰波，突出有效波，真实反映所测数据，进行有 效解释的目的。 经过雷达数据预处理，还要进行一系列的数字 ４雷达波形特征分析 不同的隧道，由于其岩石差别，其雷达探测的时 间剖面差别很大。但各种雷达图像的特征也有其规 律可循，只有掌握了各种异常形态的特征，才能对各 种不同岩性的隧道探测进行正确的判断。下面根据 化信号处理，常规信号处理包括：漂移去除，零线设 定，背景去噪，增益，谱值平衡，道间平衡，滑动平均， 混波处理，单道漂移去除等，再进行成果解释。 地质雷达图像的解释有定量和定性两种，定量 解释主要是对异常体距掌子面的距离及大小进行判 厦蓉高速公路贵州境桂黔、肇兴隧道的超前预报结 定，定性解释主要是对掌子面前方溶洞、裂隙、破碎 带、断层、结构面等不良地质类型及其形态规模进行 左一重 一右 图２完整岩体地质雷达测试成果 图４岩脉及岩脉破碎带雷达图像 果，列出几种典型的雷达波形态特征（图２～图７）。 右 图３断层破碎带地质雷达图像 图５ 富水带地质雷达图像 ・ ５１ ・ 公路隧道 右 图６裂隙密集区地质雷达图像 ５结语 通过对两隧道雷达波进行分析，完整岩体与相 对破碎岩体之间、含水量不等的岩体之间存在较大 的电学性质差异，具有良好的地球物理测试条件。 因此，我们在开挖过程中采用地质雷达预报掌子面 前方不良地质体和富水带是可行的。 通过地质雷达预报成果与开挖揭露地质情况综 合对比，地质雷达对岩体中存在的不良地质体、地下 ・５２ ・ ２０１０年第４期（总第７２期） 左 图７岩性变化区域雷达图像 水及围岩类别预报准确度较高。该预报给施工提供 大量的具有指导意义的结论与建议，减少工程中因 围岩条件变化而带来的灾害性事故。 参考文献 ［１］黎志光，刘基．地质雷达对隧道支护体系缺陷的探 测应用分析ＥＪ］．公路交通科技，２００６，（６）：１２８—１３１． Ｅ２］邓居智，莫撼，刘庆成．探地雷达在岩溶探测中的应 用ＥＪ］．物探与化探，２００１，（１２）：４７４—４７６．
