地质雷达(GPR)在超前地质预报中的应用
地质雷达法在隧道超前地质预报中的应用
d o i :10.3963/j .i s s n .1674-6066.2022.04.025地质雷达法在隧道超前地质预报中的应用董伟伟,麦燕午(葛洲坝集团试验检测有限公司,宜昌443002)摘 要: 超前地质预报技术为隧道的安全施工提供强有力的保障㊂该研究以新建当阳至远安支线铁路槐树店隧道为研究对象,考虑到宜昌山区喀斯特地貌丰富,隧道建设大概率会遇到溶洞等地质问题,采用地质雷达法对槐树店隧道进行超前地质预报㊂结果表明,地质雷达法在预报溶洞灾害等方面具有优势,成功预判在槐树店隧道掌子面前方D K 54+745~D K 54+753区段存在溶洞㊂关键词: 地质雷达法; 隧道; 超前地质预报A p p l i c a t i o no fG e o l o g i c a lR a d a rM e t h o d i nA d v a n c eG e o l o g i c a l P r e d i c t i o no fT u n n e l C o n s t r u c t i o nD O N G W e i -w e i ,MA IY a n -w u(C h i n aG e z h o u b aG r o u p T e s t i n g C o ,L t d ,Y i c h a n g 443002,C h i n a )A b s t r a c t : T h e a d v a n c e d g e o l o g i c a l p r e d i c t i o n t e c h n o l o g yp r o v i d e s a s t r o n gg u a r a n t e e f o r t h e s a f e c o n s t r u c t i o n o f t h e t u n n e l .T h i s s t u d y t o o k t h en e w l y b e i n g b u i l tH u a i s h u d i a nT u n n e l o f t h eD a n g y a n g -Y u a n ᶄa nB r a n c hR a i l w a y a s t h e r e -s e a r c ho b j e c t ,c o n s i d e r i n g t h a t t h ek a r s t l a n d f o r m s i nY i c h a n g M o u n t a i n s a r e r i c h ,a n d t h e t u n n e l c o n s t r u c t i o n i s l i k e l y t o e n c o u n t e r g e o l o g i c a l p r o b l e m s s u c ha sk a r s t c a v e s ,t h e g e o l o g i c a l r a d a rm e t h o dw a su s e dt oc a r r y o u t t h ea d v a n c e d g e o l o g i c a l p r e d i c t i o no f t h e H u a i s h u d i a nT u n n e l .R e s u l t ss h o w e dt h a t t h e g e o l o g i c a l r a d a rm e t h o dh a sa d v a n t a g e s i n p r e d i c t i n g k a r s t c a v e d i s a s t e r ,a n d s u c c e s s f u l l yp r e d i c t e d t h e e x i s t o f k a r s t c a v e i n t h e s e c t i o no fD K 54+745~D K 54+753i n f r o n t o f t h e f a c e o f t h eH u a i s h u d i a nT u n n e l .K e y wo r d s : g e o l o g i c a l r a d a rm e t h o d ; k a r s t t u n n e l ; a d v a n c e d g e o l o g i c a l p r e d i c t i o n 收稿日期:2022-05-11.基金项目:中国能源建设股份有限公司重大科技项目(C E E C 2021-Z D Y F -16).作者简介:董伟伟(1991-),工程师.E -m a i l :1579285000@q q .c o m 公路和铁路为人民日常出行提供了很大的便利,尤其对于山区而言,公路和铁路是将其与外界连接的重要通道㊂在山区修建公路和铁路比在平原地区难度更大,因其面对的地形㊁地质条件等更加复杂[1]㊂例如,为了使线路尽可能平顺,保障行车速度,往往需要架桥或者修建隧道,因而山区公路和铁路的桥隧比一般都很高[2]㊂面对复杂的环境,快速识别相关风险因素是保证桥梁及隧道建设及服役安全的重要前提㊂如隧道建设常出现的溶洞㊁涌水突泥等灾害与围岩等级㊁岩体发育特征等息息相关[3]㊂如何快速㊁准确地识别或者预报灾害源是保证隧道建设及运营安全的关键㊂为保障隧道建设的安全,隧道施工时工程人员迫切想掌握掌子面前方的地质情况,隧道超前地质预报技术应运而生㊂常见的超前地质预报方法主要有:以T S P 等设备为代表的地震波法[4]㊁以地质雷达为代表的电磁波法[5]㊁以激发极化为代表的电法等[6]㊂这些方法适用场景各不相同,为获取地层岩性㊁结构面产状㊁富水岩层㊁断层㊁溶洞等地质信息提供了便利,也为隧道的安全施工提供了重要保障㊂研究依托位于湖北宜昌山区的槐树店隧道实体工程开展超前地质预报工作㊂地下与地表水对可溶性岩石不断溶蚀㊁沉淀形成的喀斯特地貌广泛分布于湖北宜昌山区㊂因此,针对宜昌山区新建隧道开展超前地质预报时,非常重要的一项任务就是及时探明掌子面前方是否有溶洞的存在㊂大量研究表明地质雷达法对隧道岩溶地层的溶洞与岩溶水㊁破碎带等有较好的识别能力㊂因此,采用地质雷达法对位于湖北宜昌山区的槐69建材世界 2022年 第43卷 第4期树店隧道开展超前地质预报工作㊂1 工程介绍新建当阳至远安支线铁路槐树店隧道段位于湖北省宜昌市远安县洋坪镇,起止里程为D K 54+540~D K 57+440,隧道全长2900m ,最大埋深312m ,其中Ⅲ级围岩1090m ,I V 级围岩1540m ,V 级围岩270m ;隧道进口采用端墙式洞门,出口采用环框式洞门;进口内轨设计标高271.748m ,出口内轨设计标高299.360m ㊂全隧道共设置洞室96处,其中小避车洞室77处,大避车洞室11处,弱电设备洞室2处㊂2预报原理 地质雷达法(G P R )超前地质预报主要是基于掌子面前方不同介质的电性(介电性和导电性)差异实现的,其包括两个主要的阶段:向岩体发射高频电磁波,再接收和解析介质反射的电磁波,如图1所示㊂具体的实现过程为:由发射天线将高频电磁脉冲波送入掌子面前方岩体,当高频电磁脉冲波在传播过程中遇到不同目标体(断层㊁空洞等)的电性介面时,部分反射回来的电磁波被接收器所接收㊁记录,并获取电磁波从发射到反射回来被接收所用的时间,当电磁波在介质中的传播速度已知时,即可确定目标体的位置㊂因此,地质雷达技术是由已知条件推断未知情况的一种方法㊂电磁波在介质中的传播速度主要由介质的相对介电常数决定,电磁波在传播过程中,当遇到不同的波阻抗界面时,将产生反射波和折射波,反射波能量大小取决于反射系数R ,计算式如式(1)所示,ε1㊁ε2分别为反射界面前后介质的介电常数㊂反射系数的大小取决于介质的介电常数差异,差异越大,反射系数越大,则越容易被地质雷达探测到㊂岩体的介电常数一般为4~8,水的介电常数为81,空气的介电常数为1㊂R =ε1-ε2ε1+ε2(1)3 数据采集及处理过程预报里程范围为D K 54+732~D K 54+762,长度30m ,采用的主要设备为MA L A P r o E x 型地质雷达㊂数据采集工作包括4个步骤:掌子面测线布置㊁仪器调试㊁雷达参数设置㊁激发并接收数据,具体实施过程为:选取距离隧道底部5m 左右的水平线作为掌子面测线;将天线与雷达主机连接,启动设备,检查设备状况;在开始采集前,为了提高精度,要进行雷达参数的设置,根据实际情况选择采样频率等参数;数据采集采用人工点测的方式,沿事先布置好的测线移动雷达设备,逐点激发并收集㊂地质雷达采集数据的处理步骤则主要包括去失真处理㊁水平信号去除㊁静校正㊁增益㊁带通滤波㊁二维滤波等㊂4 结果分析通常采用波形图表示雷达图像,如图2左侧㊂但当采用探地雷达进行连续测量时,由于采集的电磁脉冲数非常多,继续采用波形图则难以清晰表述雷达图像特征,此时可将波形图转换为灰度图,如图2右侧㊂波形图转换为灰度图的具体原理为:将没有反射信号的区域描绘为灰色,表示这些区域的反射信号振幅弱,没有有效反射㊂将反射界面的波谷相位描绘为黑色,波峰相位描绘为白色,即用黑色和白色表述出了信号的相位;黑色和白色的强度表述出了信号的振幅,即越黑或越白就表示振幅越强,该处的反射信号越强㊂桩号D K 54+732~D K 54+762的区段范围对应的地质雷达剖面波形图和灰度图分别如图3和图4所示㊂具体来看,在掌子面前方0~200n s 的区段内(电磁波波速0.1m /n s ,视深度0~10m ),对应桩号D K 54+732~D K 54+742的范围,电磁反射波振幅较小,频率以中高频为主,结合79建材世界 2022年 第43卷 第4期地勘资料推测该区段围岩与掌子面相近㊂在掌子面前方200~420n s 的区段内(电磁波波速0.1m /n s ,视深度10~21m ),对应桩号D K 54+742~D K 54+753的范围,掌子面前方有多组明显的电磁反射波,同相轴局部连续,振幅较强,频率中等偏低㊂结合地勘资料,初步判断此区段围岩较掌子面变差,节理裂隙发育,岩体破碎㊂且在D K 54+745~D K 54+753区段,有溶洞发育,溶洞边界非常清晰;溶洞首先在掌子面右侧揭露,且该溶洞可能有水填充,开挖至该桩号附近时应注意防范突水突泥等地质灾害㊂在掌子面前方420~600n s 的区段内(电磁波波速0.1m /n s ,视深度21~30m ),对应桩号D K 54+753~D K 54+762的范围,电磁反射波振幅较小,频率以中高频为主,推测该段围岩较前段围岩完整性稍好㊂结合槐树店隧道具体开挖情况来看,基于地质雷达的超前地质预报结果与实际情况一致㊂进口掌子面开挖至D K 54+745时,掌子面右侧揭露一溶洞,溶洞中有股状水流,溶洞揭露部分宽度约3.5m ㊂5 结 论考虑到宜昌山区多为岩溶地质构造,采用对岩溶地层溶洞与岩溶水具有较好识别能力的地质雷达方法,对新建当阳至远安支线铁路槐树店隧道D K 54+732~D K 54+762里程段进行了超前地质预报㊂结果表明,地质雷达法在预报溶洞灾害等方面具有优势,成功预判槐树店隧道掌子面前方D K 54+745~D K 54+753区段存在溶洞㊂参考文献[1] 黄 陈,陈 谊.山区公路路线设计的特点与策略探讨[A ].2020万知科学发展论坛论文集(智慧工程二)[C ].西安:中国智慧工程研究会智能学习与创新研究工作委员会,2020:715-723.[2] 叶林海,陈修和,李 诚.安徽省高速公路隧道照明节能的实践与思考[J ].中国交通信息化,2011(4):105-107.[3] 许崇帮,王华牢.杜公岭隧道工程地质特征及工程危害性分析[J ].公路交通科技,2019,36(8):93-99.[4] 洪卫良.基于T S P 地震波法的长大隧道不良地质探测[J ].土工基础,2012,26(1):60-62.[5] 吴 俊,毛海和,应 松,等.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(S 1):154-157.[6] 聂利超,李术才,刘 斌,等.隧道激发极化法超前探测快速反演研究[J ].岩土工程学报,2012,34(2):222-229.89建材世界 2022年 第43卷 第4期。
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。
GPR地质雷达法与TSP法在隧道超前地质预报中的运用
GPR地质雷达法与TSP法在隧道超前地质预报中的运用摘要：介绍TSP法和地质雷达法的原理及数据处理中的注意事项，通过工程实例，验证了长距离预报手段(TSP法)与短距离预报手段(地质雷达法)相结合，可更精确地预报隧道工作面前方的地质情况。
关键词：GPR地质雷达法；TSP法；隧道超前地质预报；运用引言超前地质预报最早出现在上世纪的后期阶段，本身属于地质工程学当中的重要内容，我国对于这一内容的研究已经有了相当长的历史，并且在得到了一定的研究成果以后，开始广泛应用在各种地质工程建设当中，尤其以隧道最为明显。
伴随着铁路、公路的持续完善，隧道的长度也得到了实时的增加，而在隧道长度增加的过程中，所涌现出来的问题也越来越多。
为了实时避免由于地质问题而产生的各种工程事故，GPR地质雷达法与TSP法都被合理地应用到了隧道超前地质预报当中，而且发挥了相当高的实效性。
1、地质雷达原理地质雷达是用电磁波来确定地下介质分布的一种方法。
电磁波遇到不同反射界面(如地层分界面、溶洞、富水带等)，其传播路径随通过介质的不同而变化，过程中会产生反射、折射、散射、绕射及吸收等现象。
根据天线接收到的反射脉冲波的振幅、相位、波长、频率等特征进行分析，便能够大致推测界面或异常区的空间位置及分布变化情况。
其工作原理见图1。
图1 雷达超前预报工作原理示意图2、TSP法探测原理TSP法是一种类似于零偏移距VSP地震多波反射波法，是专门为隧道超前地质预报而设计的，对隧道施工能够提供有效的帮助。
TSP法在指定的震源点用小量炸药激发而产生的地震波，以球面波的形式在岩石中传播。
当在传播过程中遇到岩石分界面时，一部分波被反射，被高灵敏度的地震检波器接收，一部分则经过折射继续向前传播。
反射信号的传播时间与界面距离成正比，反射信号的强度与相关界面的性质、界面产状等密切相关，因而能提供直接测量。
探测时，在选定的隧道侧壁上布置24个爆破探测孔，从掌子面与隧道壁的相交处开始布置第24号孔，依次到1号孔。
地质雷达在公路隧道超前地质预报中的应用及实例分析
地质雷达在公路隧道超前地质预报中的应用及实例分析摘要：介绍地质雷达的基本原理，总结图像波的识别方法，以地质雷达在缙云山隧道超前地质预报中的应用为例，说明地质雷达探测技术能够准确地指导隧道施工，最后对地质雷达探测技术进行展望并加以推广。
关键词：地质雷达超前地质预报隧道探测Abstract: The basic principle of GPR is introduced, and the recognition method of image wave is summarized. Takes the application of GPR in the tunnel of JinYunShan as an example, and explains the detection technology of GPR can accurately guide tunnel construction. Finally, popularizes the technology of GPR.Key words: GPR; advanced geological prediction; tunnel; detection0 引言在隧道施工中，尤其是地质条件复杂的隧道工程，超前地质预报越来越广泛应用，它关系到工程的安全、质量、成本和进度。
我国西南部多为山区，隧道施工过程中地质灾害经常发生，如冒顶、塌方和涌水等[1-3]。
这就需要在隧道施工中，对隧道掘进前方的危险地质情况进行超前地质预报来控制风险，及时提出调整支护参数或加固措施建议，以保证施工安全和工程质量，加快施工进度，缩短工期。
1 地质雷达探测的基本原理地质雷达探测属于波反射法，是利用超高频(106-109Hz)窄脉冲电磁波探测介质分布的一种地球物理勘探方法。
地质雷达工作时，在主机控制下，发射机发射周期性信号，信号遇到介质的非均匀体时，产生反射信号，反射信号再传输到接收机，再经电缆传输到雷达主机，最后把数据通过雷达处理分析系统进行处理，得到可识别的波相图，对波相图进行定性解释。
地质雷达(GPR)在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超前地质预报是在隧道开挖时，对掌子面前方的围岩等级与不良地质发育情况做出预测、预报。
超前地质预报常用的物探方法有很多，分类不尽相同。
常规地质素描法和物探法是目前隧道施工中普遍采用的超前地质预报方法。
常规法包括：超前导坑法、正洞地质素描、水平超前地质探孔；物探法包括TSP-203、GPR、声波测试、地震反射法、红外探水。
GPR已成为地下工程常用的超前地质预报方法。
GPR被广泛的应用于工程质量检测、场地勘察和隧道超前地质预报工作。
其特点为：操作方便、分辨率高、预报距离短（20m～30m）和易受电磁干扰的特点。
二、GPR探测基本原理GPR是一种无损的探测技术，它利用宽带电磁波传播反射规律，查明地下不可视地质体情况。
发射天线Tx发出高频电磁波脉冲，被地下介质介面反射，被接收天线Rx接收，接收的信号经过GPR软件处理、分析，判明地下有无不良地质现象，见图2-2GPR电磁波脉冲传播示意图。
图2-2GPR电磁波脉冲传播示意图三、GPR实验数据特征：GPR溶洞、断层破碎带和裂隙密集带数据特征如表3-1所示：表3-1GPR数据特征图2-3GPR岩溶探测成果图图2-4GPR断层破碎带探测成果图图2-5GPR裂隙密集带探测成果图四、结语GPR在隧道开挖时，能够对掌子面前方的围岩等级与不良地质发育情况做出预测、预报。
地下岩溶发育，对雷达波的反射特征为：溶洞边界的反射雷达波为强反射波，同时经常伴有绕射现像。
断层破碎带内岩体的介电常数受孔隙度和含水率的影响较大，致使其与完整岩体的波阻抗差异明显。
当电磁波传播至两种地质体界面时[Ⅵ]，反射波能量增强、波形幅值增大；当电磁波传播至断层破碎带内部时，由于破碎的岩石胶结程度不同，致使反射的雷达波波形杂乱。
应用GPR软件得到雷达波场，其特征为：反射波强烈且振幅加强，同相轴错段。
有时候还可出现断面波和绕射波[Ⅷ]。
裂隙密集带主要存在于岩脉带及软弱夹层、断层影响带中，由于裂隙内有不均匀、不同成分的充填物，与周边围岩形成电性差异[Ⅸ]。
地质雷达在岩溶隧道超前地质预报中的应用
第18卷第9期中国水运Vol.18No.92018年9月China Water Transport September 2018收稿日期：2018-03-03作者简介：池昌峰（1992-），男，福建连城人，贵州大学资源与环境工程学院在读硕士研究生，主要从事探地雷达应用及数据处理方面的研究。
通讯作者：陈筠（1970-），女，贵州贵阳人，硕士，贵州理工学院交通工程学院，副教授，主要从事区域稳定与岩体稳定、岩溶工程地质、边坡工程等方面的研究。
基金项目：贵州省国土资源厅重大专项（992011010003）；贵州省水利厅科技专项经费项目资助（任务书编号：KT201804）。
地质雷达在岩溶隧道超前地质预报中的应用池昌峰1，陈筠2，梁风1，施鹏超1，邬忠虎3（1．贵州大学资源与环境工程学院，贵州贵阳550025；2．贵州理工学院交通工程学院，贵州贵阳550003；3．贵州大学土木工程学院，贵州贵阳550025）摘要：隧道在施工过程中常常面临各种不良地质现象的威胁，如不能及时发现将可能造成重大的人员和财产损失，所以超前地质预报是隧道施工中一个十分重要的环节。
地质雷达是分辨率较高的一种物探仪器，具有成本低、效率高等特点，在超前地质预报中得到了广泛的应用，其对于掌子面前方的溶洞具有一定的识别能力。
黔大高速东清段位于贵州省毕节市，其土老冲隧道和保罗山隧道的隧址区的不良地质现象为岩溶，属于典型的岩溶隧道。
通过对实际预报案例的研究，分析了岩溶裂隙和溶洞的雷达波形特征，以期对今后该区域的类似工程提供参考和借鉴，提高地质雷达图像解译的精度。
关键词：地质雷达；超前地质预报；岩溶隧道中图分类号：TD163文献标识码：A 文章编号：1006-7973（2018）09-0185-03引言贵州省是中国主要的喀斯特地貌分布区，碳酸盐类岩石的出露面积占全省岩石出露面积的70%以上，地表岩溶形态和地下岩溶形态都十分发育[1]。
贵州省近年来大力修建高速公路，成为了中国西部第一个实现“县县通高速”的省份，大量的高速隧道穿过碳酸盐岩地层。
GPR法在准池铁路隧道超前地质预报中的应用
地质雷达 Ｇ Ｐ Ｒ法 为主 ， 其它 （ 辅 钻探法 ， 红 外线法 ） 探测方 式 为辅 的综合预报管理体 系 ， 取得 了全线 隧道贯 通无 死亡及 重 伤事件 的安全 记录。 隧道地质超前 预报 由来 已久 ， 超前 预报 的方法也 有很多 ， 主要有隧道地质 超前 预报 系统 （ Ｔ Ｓ Ｐ ） 、 水 平声 波剖 面 （ Ｈ Ｓ Ｐ ）
＝
动， 系统都会按照设定好 的速度 自动采集数 据 ， 因此雷 达数据
长度会与实际测线长度不 符 ， 所 以最 好不要 采用 这种触 发方 式； 键盘触发方式是通过 电脑键盘发送指令 给雷达控制 系统 ，
０ ． ３ ｍ ／ ｎ ｓ ） ， ８为地下介质 的相对 介电常数值 ， 后者 可利 用现
性， 为正确选择开挖 断面、 支护设 计参数 和优化施 工方案提供 依据 ， 并 为预 防隧 洞涌水 、 突泥、 突气等 可能形成 的灾 害性 事故及
时提 供信息 ， 使 工程单位提前做好施工准备 ， 保证施 工安全。 关键 词 ： 地质 雷达 ； 电磁 波 ； Ｇ Ｐ Ｒ法分析
新建 大准至朔黄铁 路联 络线 （ 准池铁 路 ） 为Ｉ 级 双线 电
采集数据 ， 要求天线按照合适 的速度匀速前 进 ， 天线底 部和测
量表 面允许一定 的间 隙， 一般不 大于 ２ ０ ｃ ｍ， 无 论天线是 否移
式求 出反射体 的深度 （ ｍ） 。式 中 Ｘ （ Ｉ ｎ ） 值 在剖 面探 测 中是 固
定的 ： ｖ 值（ ｍ ／ ｎ ｓ ） 可 以用宽角方式 直接测 量 ， 也 可 以根 据 １ ， 一 ｃ ／ ｖ Ｔ￣似算 出（ 当介质的导电率很 低时 ） ， 其 中 Ｃ为光速 （ Ｃ
轴或等灰度 、 等色线 即可形象地表征 出地下反射面 。
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。
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地质雷达（GPR）在超前地质预报中的应用
发表时间：2019-04-11T11:55:27.657Z 来源：《基层建设》2019年第2期作者：姜淼
[导读]
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一、引言
超前地质预报是在隧道开挖时，对掌子面前方的围岩等级与不良地质发育情况做出预测、预报。
超前地质预报常用的物探方法有很多，分类不尽相同。
常规地质素描法和物探法是目前隧道施工中普遍采用的超前地质预报方法。
常规法包括：超前导坑法、正洞地质素描、水平超前地质探孔；物探法包括TSP-203、GPR、声波测试、地震反射法、红外探水。
GPR已成为地下工程常用的超前地质预报方法。
GPR被广泛的应用于工程质量检测、场地勘察和隧道超前地质预报工作。
其特点为：操作方便、分辨率高、预报距离短（20m～30m）和易受电磁干扰的特点。
二、GPR探测基本原理
GPR是一种无损的探测技术，它利用宽带电磁波传播反射规律，查明地下不可视地质体情况。
发射天线Tx发出高频电磁波脉冲，被地下介质介面反射，被接收天线Rx接收，接收的信号经过GPR软件处理、分析，判明地下有无不良地质现象，见图2-2GPR电磁波脉冲传播示意图。
图2-2 GPR电磁波脉冲传播示意图
三、GPR实验数据特征：
GPR溶洞、断层破碎带和裂隙密集带数据特征如表3-1所示：
表3-1 GPR数据特征
图2-3 GPR岩溶探测成果图图2-4 GPR断层破碎带探测成果图图2-5 GPR裂隙密集带探测成果图
四、结语
GPR在隧道开挖时，能够对掌子面前方的围岩等级与不良地质发育情况做出预测、预报。
地下岩溶发育，对雷达波的反射特征为：溶洞边界的反射雷达波为强反射波，同时经常伴有绕射现像。
断层破碎带内岩体的介电常数受孔隙度和含水率的影响较大，致使其与完整岩体的波阻抗差异明显。
当电磁波传播至两种地质体界面时[Ⅵ]，反射波能量增强、波形幅值增大；当电磁波传播至断层破碎带内部时，由于破碎的岩石胶结程度不同，致使反射的雷达波波形杂乱。
应用GPR软件得到雷达波场，其特征为：反射波强烈且振幅加强，同相轴错段。
有时候还可出现断面波和绕射波[Ⅷ]。
裂隙密集带主要存在于岩脉带及软弱夹层、断层影响带中，由于裂隙内有不均匀、不同成分的充填
物，与周边围岩形成电性差异[Ⅸ]。
雷达波传播至裂隙表面时，反射波较强，同轴的连续性反映了列面是否连续、平直；雷达波在穿过裂隙过程中会产生散射、绕射、波幅变大、波形杂乱，反映出裂隙内充填物得不均匀性。
参考文献：
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