地质雷达在汶马高速鹧鸪山隧道超前地质预报中的应用
地质雷达（GPR）在超前地质预报中的应用李耀
地质雷达（GPR）在超前地质预报中的应用李耀发布时间：2021-04-06T10:46:55.007Z 来源：《建筑科技》2021年1月上作者：李耀[导读] 对于地质条件复杂的隧道工程，隧道施工涉及到工程的安全性、质量、成本和进度。
隧道的地质超前预报的应用十分广泛，预报方法很多。
其中地质雷达的优点是扫描速度快、重量轻、分辨率高、屏蔽效果好、图像直观、对施工和跟踪的影响小，并在使用过程中积累了大量的工程测量数据和图像分析经验，近年来已广泛用于建筑检查和地质预测中。
上海勘察设计研究院（集团）有限公司青岛分公司李耀青岛 266199摘要：对于地质条件复杂的隧道工程，隧道施工涉及到工程的安全性、质量、成本和进度。
隧道的地质超前预报的应用十分广泛，预报方法很多。
其中地质雷达的优点是扫描速度快、重量轻、分辨率高、屏蔽效果好、图像直观、对施工和跟踪的影响小，并在使用过程中积累了大量的工程测量数据和图像分析经验，近年来已广泛用于建筑检查和地质预测中。
根据地质雷达预报的基本原理，将地质雷达用于隧道超前预报，可以采取有效的预防措施确保隧道施工的安全性，并且预报精度高。
关键词：地质雷达（GPR）；超前地质预报；隧道；探测引言地质超前预报是为了预测和预报隧道开挖过程中的围岩坡度以及隧道前方的不良地质状况。
超前地质预报通常使用许多物理勘探方法，它们的分类也不相同。
传统的地质素描方法和物理勘探方法是当今隧道建设中常用的超前地质预报方法。
传统的地质素描方法包括超前试验坑法，正洞地质草图，水平超前地质勘探等。
物理勘探方法包括TSP-203，GPR，声学测试，地震反射法和红外水质勘探等。
其中，GPR已成为地下工程中常用的一种先进的地质预测方法。
GPR广泛用于工程质量检查，现场勘测和隧道超前地质预报。
其特点是操作方便、分辨率高、预测距离短，并且对电磁干扰的敏感性较高。
1.隧道综合超前预报技术分析我国有多种先进的预测方法，每种预测方法具有不同的特点，在这种情况下，有必要通过在实际应用过程中完美结合隧道施工条件，创造出一种科学合理的方法。
地质雷达在隧道超前预报中的应用
地质雷达在隧道超前预报中的应用摘要：地质雷达具有操作简便、扫描速度快、图像直观、高分辨率和屏蔽效果好等优点，在隧道超前预报中有很广泛的应用。
基于此，本文先是简单介绍了地质雷达的工作原理，然后具体分析了地质雷达在隧道超前预报中的应用，要选取好相关参数、布置好测线、选择正确的信号触发方式，之后要对地质雷达的检测结果进行数据处理和图像判读，最后列举了地质雷达在隧道超前预报中的应用实例。
目的是为了帮助施工人员更好地应用地质雷达进行隧道施工。
关键词：地质雷达；超前预报；天线频率1.地质雷达的工作原理地质雷达是应用超高频窄脉冲电磁波来探测介质分布的一种地球物理勘探仪器。
它的工作原理就是利用发射天线向隧道掌子面前的方向定向地发射电磁波信号，这种电磁波信号的频率为106-109Hz，电磁波在掌子面前方传播的过程中，遇到电性差异的目标体时，电磁波会发生反射，反射的电磁波由接收天线进行接收，其中，电性差异是指介电常数不同、电导率不同或是磁导率不同，电性差异越大，反射的电磁波信号越强烈，差异越小，反射的电磁波信号越差。
目标体是指空洞、富含水、裂隙或岩溶等。
通过对反射电磁波的时频、振幅和相位的特征等进行分析，就可以判断出掌子面前方的地质构造。
目标体到掌子面间的距离计算公式如下：其中，d是指目标体到掌子面间的距离，单位是m；V是指电磁波在介质中传播的速度，单位是m/ns；T是指反射电磁波双程的走时，单位是ns；X是指发射天线和接收天线间的距离，单位是m。
2.地质雷达在隧道超前预报中的应用2.1选取好相关参数天线中心频率，是决定地质雷达应用效果的主要参数。
应将该频率的选择作为参数选择的重点，确保隧道超前预报的过程能够有效完成。
目标体深度、目标体尺寸以及天线尺寸等，均需符合场地的要求，以保证雷达空间分辨率达标。
将空间分辨率设为x（m），将围岩介电常数设置为e，则雷达天线中心频率为f=150/xe1/2MHZ。
施工过程中，可采用上述公式选择雷达。
地质雷达法在隧洞超前预报中的应用
地质雷达法在隧洞超前预报中的应用发表时间：2019-12-24T09:39:52.777Z 来源：《城镇建设》2019年第22期作者：窦宝松[导读] 随着隧道施工技术的提高，对隧道施工期地质超前预报提出了更高的要求。
摘要：随着隧道施工技术的提高，对隧道施工期地质超前预报提出了更高的要求。
地质雷达因具有扫描速度快、操作简便、重量轻、分辨率高、屏蔽效果好、图像直观等优点得到了广泛应用，近年来也被用于隧道超前预报。
本文结合某工程实例就地质雷达在隧道超前地质预报进行一些探讨。
关键词：隧道，地质雷达，超前探测1 引言随着2011年中央1号文件《中共中央国务院关于加快水利改革发展的决定》的发布，推动了我国水利事业的快速发展。
南水北调工程的西线工程与中线工程，大部位于我国西部山区，也将修建大量穿越山岭的超长大隧洞。
由于这些隧道、隧洞大都处于地下各种复杂的水文地质、工程地质岩体中，为了摸清和预知周围的水文地质和工程地质条件，隧道施工期地质超前预报显示出越来越重要的作用。
隧道地质超前预报因为技术要求高、难度大、观测条件受限而成为疑难问题，而含水性的预报又是难中之难[1]。
目前常用的超前预报方法主要有：地质分析预报法、TSP 法、地质雷达法、瞬变电磁法等。
本文结合福厦铁路某段山区隧洞工程，介绍地质雷达法在隧洞超前预报中的应用。
2 地质雷达基本原理地质雷达（简称GPR），是一种对地下的或物体内不可见的目标体或界面进行定位的电磁技术。
是一种对地下的或物体内不可见的目标体或界面进行定位的电磁技术。
其工作原理是：高频电磁以宽带脉冲形式，通过发射天线被定向送入地下，经存在电性差异的地下地层或目标反射后返回地面，由接收天线接收。
高频电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特征及几何形态而变化。
故通过对时域波形的采集，处理和分析，可确定地下界面或地质体的空间位置及结构[2]。
一般，岩体、混凝土等的物质的相对介电常数为4～8，空气相对介电常数为1，而水体的相对介电常数高达81，差异较大，如在探测范围内存在水体、溶洞、断层破碎带，则会在雷达波形图中形成强烈的反射波信号，再经后期处理，能够得到较为清晰的波形异常图。
汶马高速鹧鸪山隧道隧道超前地质预报
四川汶川至马尔康高速公路鹧鸪山隧道工程 C2 标隧道施工超前地质预报(第C2-YX-002期)【K188+347～K188+317】成都西南交大技术转移中心有限公司2013年05月11日1、工程概况汶川至马尔康高速公路是四川省高速公路网规划的16 条成都引入线中“成都～德格～西藏”线和“成都～阿坝～青海”线的重要路段，是四川内地通往西藏、青海等地区的重要交通大动脉。
汶马高速起点顺接在建的都江堰至汶川高速公路，止于四川省阿坝藏族、羌族自治州州府马尔康。
鹧鸪山隧道段项目为全线控制性工程，为先期开工段落。
项目路线起于理县山脚坝，沿来苏河上行，穿鹧鸪山隧道进入王家寨，路线长约11.5km，其中鹧鸪山隧道C2标长约8.8km，起讫桩号为ZK184+000~ZK188+496。
隧道净宽10.25m，净高5.0m。
鹧鸪山隧址区地处川西高原东北部的邛崃山脉北端。
属高山、高原过渡的侵蚀深切高山峡谷地貌。
隧址区地面标高3050m～4623.8m，全区地势陡峻，群山巍峨。
据钻探揭露及地面调查，隧址区分布的地层有：隧址区出露的地层主要为第四系全新统（Q4），第四系上更新统冰水堆积层（Q3fgl），三叠系上统新都桥组（T3x）、三叠系上统侏倭组（T3zh）及三叠系中统杂谷脑组（T2z）。
隧址区地下水类型主要有第四系松散层孔隙水、基岩孔隙裂隙水二类。
2、地质超前预报2.1 预报方案超前地质预报组于2013年05月10日晚上20:00～20:40采用地质素描及地质雷达对汶马高速鹧鸪山隧道C2标右线K188+347掌子面进行了预报作业。
地质雷达探测方案为：在开挖掌子面布置1条探测线，探测参数见表1，数据采集和解译分别使用地质雷达系统配套软件SIR System-3000和RADAN 6.5。
2.2掌子面地质素描掌子面地质素描结果见表2。
表1 地质雷达探测参数表2 掌子面地质素描2.3 地质雷达探测结果本次超前预报结果，经滤波解译处理后的地质雷达图像见图1所示（竖直方向为探测深度），探测结果显示掌子面前反射信号强烈，节理发育，岩体破碎，有股状或线流状出水。
地质雷达在公路隧道超前地质预报中的应用
地质雷达在公路隧道超前地质预报中的应用摘要：从地质雷达预报的基本原理出发，采用地质雷达进行隧道超前预报，提前采取有效的防范措施，确保隧道施工的安全是可行的，且具有较高的预报精度。
关键词：地质雷达；超前地质预报；隧道；探测引言：在隧道施工中，尤其是地质条件复杂的隧道工程，它关系到工程的安全、质量、成本和进度。
隧道地质超前预报由来已久，超前预报的方法也有很多，地质雷达具有扫描速度快、重量轻、分辩率高、屏蔽效果好、图像直观、对施工影响小和可跟踪施工全过程等优点，并积累了大量的工程实测数据和图像分析经验，近年来在施工检测及地质预报中得到了广泛应用。
1、地质雷达的工作原理探地雷达依据电磁波脉冲在地下传播的原理进行工作。
发射天线将高频（100～800MHz 或更高）的电磁波以宽带短脉冲形式送入地下，被地下介质（或埋藏物）反射，然后由接收天线接收。
根据电磁波理论，当雷达脉冲在地下传播过程中，遇到不同电性介质交界面时，由于上下介质的电磁特性不同而产生折射和反射。
在对接收天线接收到的雷达波进行处理和分析的基础上，根据接收到的雷达波形、强度、双程时间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（如图1 所示）。
2、地质雷达应用技术方法2.1 雷达预报原理地质雷达的试验原理为由控制单元向地层发射一组以某一频率为中心的高频电磁波，在传播的过程中，电磁波遇到不同电磁性介质分界面时，一部分电磁波能量会转换成反射波返回地面，另一部分能量则透过界面继续向前传播，再次遇到界面时，又有一部分电磁波产生反射返回地面。
2.2 地质雷达地质预报技术2.2.1 雷达地质预报长度的确定预报长度的长短同电磁波在岩体中传播的特性密切相关，根据波的传播原理，电磁波在坚硬均匀完整性好的的岩体中传播时，其透射能力较强，当其遇到介电常数相差较大的岩层界面时，电磁波的反射系数较大，天线接收器接受的信号就越强，预报长度可适当放长。
地质雷达在隧道超前地质预报中的应用
其进行地质雷达衬砌后 围岩探测 。
２地 质 雷 达 超 前 预 报 探 测
２ ． １ 地质雷达探测原理
探地雷达与探 空雷达技术相似 ． 也 是 利 用 高 频 电 磁 脉 冲波 的反 射 来 探 测 目标 体 ． 是 通 过 对 电磁 波 在 地
作 者简 介 ： 吴 小波 （ １ ９ ８ ２ － ） ， 研 究方 向为 隧道及 地 下工程 。
收 稿 日期 ： ２ ０ １ ５ — ０ ３ ． ０ ２
（ １ ）
式 中． 为 两 天 线 的 间 距 ： 为 反 射 点 的法 线 深 当地 下 介 质 的 波 速 Ｖ为 已知 时 ． 则 可 根 据 天 时 ｔ ， 求 出 反射 体 的
１
ｗｗｗ． ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ｃ ａ ａ ａ ． ｃ ｏ ｍ 自动化 应 用
施 工 过 程 中 左 侧 拱 墙 中 部 存 在 大 量 裂 隙 水 发 育 及 出
图 ２ 反 射 探 测 原 理
水现象 ． 施工方 及时采取注浆封堵 等措施 ， 加强 支护 。
现 对 其 进 行 地 质 雷 达 探 测 隧 道 右 洞 采 用 台 阶 法 开 挖 ． 图 １为 右 洞 左 侧 Ｄ Ｋ ２ Ｏ ＋ ８ ４ Ｏ —Ｄ Ｋ ２ ０ ＋ ８ ３ ６范 围 内 上 台 阶 衬 砌 的 现 场 情 根据 图 ２ ． 回波 走 时 （ 电 磁 波 行 程所 需 时 间 ） 为： ｆ ＝ 、 ／ ｚ ＋ ／ ｖ 度： 为 电 磁 波 在 地 下 介 质 中 波 速 。
系 统 决 解 方 案
地质雷达在隧道超前地质预报 中的应用
吴 小 波
地质雷达在隧道超前预报中的应用
地质雷达在隧道超前预报中的应用曾爱霞杨峻摘要：隧道开挖掘进过程中常遇到不良地质体，需要提前进行预报。
以王子石隧道为例，研究断层破碎带、富水带、裂隙密集带等不良地质体在地质雷达图像中的显现特征，论证了地质雷达探测结果的可靠性。
关键词：地质雷达；不良地质体；超前预报1 前言在隧道施工中，由于前方地质情况不明，常遇到不良的地质因素，如断层、破碎带、溶洞、暗河等。
一般地面测绘所遇到的这类地质现象仅为地下开挖时所遇到的1%～9%，因而隧道施工的危险性很大[1]。
若能准确地在隧道掘进中提前了解掌子面前方岩性结构的变化情况，可及时合理地安排掘进进度，修正施工方案，安排防护措施，避免险情发生。
地质雷达技术被应用于隧道工程的地质超前预报中，它具有速度快、成本低及分辨率高等特点，因此具有广泛的应用前景。
2 隧道超前地质预报的雷达探测理论地质雷达是一种无损探测仪器。
地质雷达方法是一种用于确定地下介质分布的广谱(1MHz-1GHz)电磁技术。
它依据电磁波脉冲在地下传播的原理进行工作，电磁波脉冲由发射天线T发出，被地下介质介面（或埋藏物）反射，由接收天线R接收，见图2-1，然后将这王子石隧道隶属于沪蓉国道主干线湖北宜昌-恩施公路第一合同段，它位于宜昌市长阳县龙舟坪镇王子石村，呈近东西向展布，隧道地处构造溶蚀、侵蚀低山地貌区，山体总体呈北西向条形展布，沿隧道轴线总体呈东西高、中间低的特征，地面高程在230m~342m之间，最大相对切割深度212m。
隧道进口地形上表现为较陡斜坡，地形坡度在20°~40°左右；出口处地形陡峻，为近于直立的陡崖，垂直切割高度最大在70m以上；山坡植被较发育，进出口洞的冲沟边缘均分布有零星居民点。
隧道区地质构造较复杂，有断裂构造带通过且有岩溶发育；隧道区岩层产状总体上在195°~203°∠70°~84°之间，仅在隧道右线进洞口段岩层产状不同，其产状为5°∠42°。
超前地质预报技术在隧道施工中的应用
超前地质预报技术在隧道施工中的应用一、引言隧道施工作为一项综合性大型工程，在建设过程中所面对的地质条件多种多样，极易带来巨大的风险和损失。
因此，超前地质预报技术在隧道施工中得到了越来越广泛的应用，它能帮助工程团队及时发现隧道施工中可能出现的地质灾害，从而采取相应措施加以应对。
二、研究背景隧道施工中的地质灾害是由随机变化的地质构造和地质体性质以及施工工艺等因素综合作用引起的，具有不确定性和难以预测性。
在以往隧道施工中，因为不能准确预测隧道所在地的地质状况而导致了许多任务滞后、突发事件难以控制的情况。
超前地质预报技术是一种可以将地质情况在所需时间内预报的方法，能够提高施工过程中地质预报的精度，为施工提供更多的信息并减少风险，同时也为隧道施工的进展提供了科学化的方案指导以及参考意见。
三、超前地质预报技术的应用1.实时监测技术在隧道施工过程中，实时监测技术可以通过现场观测、数据记录以及数据分析等方式，及时识别出地质变化和隧道内部的稳定性情况，帮助工程团队提前预计和解决地质问题。
实时监测技术可以使用遥感、激光测量、地下水位监测等多项技术手段实现，既可以监测现场状况，也可以提供数据参考。
2.先进的地质探测器超前地质预报技术越来越注重提高观测技术和方法，同时应用先进的地质探测器也是其应用的重要方面之一。
各种地质探测器的出现极大地拓宽了隧道施工工程地质预报的思路，大大提高了地质探测的能力，从而为隧道施工过程中的地质探警告提供更加准确和完善的信息支持。
3.高分辨率地质发掘技术高分辨率地质发掘技术具有高精度和多参考性等特点，可以将地质发掘的范围、深度等进行准确评估，同时提供详细的地质信息，从而帮助工程团队更快、更准确地完成地质数据收集、评估、分析等工作。
高分辨率地质发掘技术的应用可以使施工方便捷，并且将工程风险升到最小值。
四、未来展望技术的更新换代不是一日之功，超前地质预报技术在隧道施工中的运用还存在许多问题和挑战。
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地质雷达在汶马高速鹧鸪山隧道超前地质预报中的应用
在修建隧道的过程中经常会遇到涌突水，大变形等地质灾害问题。
这些问题严重威胁着施工人员的人身安全，也影响着施工进度，因此对隧道进行超前地质预报是非常重要的。
本文主要依托汶马高速鹧鸪山隧道，使用地质雷达对鹧鸪山隧道可能发生的涌突水，破碎带等进行预报，以指导隧道现场的安全施工。
标签：超前地质预报地质雷达隧道地质灾害
1前言
随着大量公路和铁路的修建，许多地区在修建过程中较高的桥隧比是在所难免的。
例如贵广高铁贵州段桥隧比高达92%。
在桥梁和隧道的建设过程中，隧道施工工程中遇到的安全隐患最多，例如涌突水，大变形等；位于宜万铁路上的齐岳山隧道通过15条断层、3条暗河，施工管段均为可溶岩地层，设计最大涌水量74.3万立方米/天。
在隧道施工中遇到的这些灾害可能会严重威胁现场人员的生命安全及施工进度，并且还会损坏施工设备，因此在隧道的施工中及时对隧道展开超前地质预报工作是十分必要的。
根据施工前的勘察资料，新建汶马高速鹧鸪山隧道可能存在大变形、涌突水等病害。
因此，本文以汶马高速鹧鸪山隧道为依托，对地质雷达对鹧鸪山隧道的探测结果进行分析。
2地质雷达的工作原理
地质雷达由一体化主机、天线及配套软件等部分组成。
地质雷达是利用超高频窄脉冲电磁波探测介质分布的一种地球物理勘探仪器。
地质雷达采用的是时间域脉冲雷达，将宽频带的脉冲电磁波发射到地下介质中，通过接受反射信号达到探测地下目标的目的，雷达系统向被探测物发射电磁波脉冲，电磁脉冲穿过介质表面，碰到目标物或不同介质的界面而被反射回来，根据电磁波的双程走时，分析确定探测目标的形态及结构特性。
3地质雷达的探测方法
在探测之前，首先应该根据掌子面的实际地质情况布设测线。
在掌子面上布设的测线主要有十字形和井字形布置。
掌子面往往会因为隧道的爆破开挖而不平整，因此在用地质雷达探测时，有条件的话，应对掌子面进行平整处理。
两横两竖或一横三竖的布线方式是比较常用的测线布设方式。
在实际的环境下可以根据现场的情况灵活布置测线，其原则就是尽可能靠近掌子面轴心位置，使测线距离尽可能长、尽可能多地采集数据。
4地质雷达探测的工程实例
4.1工程概况
建设中的鹧鸪山隧道位于四川省阿坝藏族羌族自治州理县与马尔康县交界处。
左线全长8815m，最大埋深约1289m；右线全长8785m，最大埋深1288m。
在建的鹧鸪山隧址区地处川西高原东北部的邛崃山脉北端，属高山、高原过渡的侵蚀深切高山峡谷地貌。
隧址区出露的地层主要岩性由炭质千枚（板）岩、粉砂质千枚（板）岩等组成。
隧址区内断层、断裂发育，断裂带内岩体破碎，破碎带宽度大，沿带内各断裂可见大量的碎裂岩、糜棱岩，形成强烈的挤压破碎带。
因此围岩易产生大变形，并可能发生涌突水等地质灾害，将来隧道施工很可能受到影响。
因此，在施工过程中对隧道进行超前地质预报是很有必要的。
4.2探测过程
采用美国GSSI公司的SIR-20探地雷达对鹧鸪山隧道右线进口端进行超前地质预报。
SIR-20探地雷达精度高，性能稳定、可靠。
主要工作技术参数为：100Hz 屏蔽天线，每次扫描的采样点数：500；每秒钟的扫描数：100；相对介电常数：7。
此次探测的掌子面里程桩号为K180+125，预测前方22米的不良地质情况。
由于掌子面条件较差，因此本次测量工作沿隧道掌子面布置1条测线，测量时由两位测量人员手持天线紧贴掌子面由探测起点移动到探测终点（如图1）。
4.3探测结果及分析
采用前述方法，对探测数据进行处理后，获得的主要结果（如图2）所示。
图2为探地雷达顶部横向测线解译所得的波形图。
图中纵坐标标识数字为根据电磁波传播双程走时计算出的视深度。
本次探地雷达探测范围为22m，预报里程范围K180+125—K180+147。
综合地质和物探的结果分析：（1）本次预报段内围岩主要为碳质千枚岩，围岩片理十分发育，整体性差。
岩体强度极低，有明显的软化现象；（2）预报段内地下水发育，整体为淋雨状出水，局部有股状水，围岩破碎，地下水更发育，可能出现股状出水，千枚岩软化严重，开挖时候容易出现局部坍塌和整体较大的塌方。
5结语
通过使用地质雷达对汶马高速鹧鸪山隧道进行的实地探测，总结出了地质雷达的以下特性：
（1）地质雷达在对隧道进行超前地质预报时，其操作灵活，探测时能对掌子面不同区域进行探测。
此外地质雷达分辨率高、图像容易识别、探测速度快、对施工影响小的优点也是当今隧道工程大量使用它的一个重要原因；
（2）地质雷达探测的距离较短，一般为15～30 m，对于长大隧道需要进行长期多次分段的探测，因此将地质雷达与TSP等其他长距离探测手段相结合，对隧道进行探测，更能提高探测的快速性与准确性。
总的来说，地质雷达和其它探测仪器设备一样都有自己的优缺点，我们在实际的超前地质预报过程中应充分利用地质雷达的特性对隧道可能出现的病害作出预报，以指导隧道的安全施工。