5、地质雷达预报

QB/ZTYJGYGF-SD-0205-2011 广州分公司 任晓锋 屈 强

1 前言

1.1工艺工法概况

地质雷达超前地质预报属短期超前地质预报，是对TSP超前地质（中期）预报的补充验证。主要目的是在隧道开挖之前，通过地质雷达探测，及时发现掌子面前方的异常情况，预报掌子面前方不良地质体的位置、产状及其围岩结构的完整性与含水的可能性，为正确选择开挖方法、支护设计参数和优化设计方案提供依据。并为预防隧道涌水、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。 1.2地质雷达法基本原理

地质雷达探测（简称GPR）是利用电磁波在隧道开挖工作面前方岩体中的传播及反射，根据传播速度和反射脉冲波走时进行超前地质预报的一种物探方法。雷达发射天线向地下连续发射脉冲式高频电磁波，当遇到有电性差异的界面或目标体（介电常数和电导率不同）时即发生反射波和透射波。接收天线接收反射波并经电缆传递给主机，在主机显示屏上形成实时的时间剖面。根据记录到的反射波的到达时间和求得的电磁波在介质中的传播速度，确定界面或目标体的深度；同时根据反射波的形态、强弱及其变化等因素 来判定目标体的性质。（如下图）

GPR 发射器 GPR 接收器 图1 地质雷达探测原理示意图

地质雷达工作原理图 2 工艺工法特点

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地质雷达用于隧道超前地质预报具有适用范围广、操作简单、现场测试环境要求低、预报距离短、准确度高、提交结果及时，以及预报成本低，对施工干扰小等特点。 3 适用范围

地质雷达适用于对断层及其影响带、溶洞、崆区、裂隙发育带、软弱夹层，以及地下水、混凝土衬砌、地下管线等的预测预报,适用距离一般为30m以内。 4 主要引用标准

4.1《铁路工程物理勘探规程》（TB10013）、《客运专线铁路隧道工程施工技术指南》（TZ214)、《客运专线铁路隧道工程施工质量验收暂行标准》(铁建设[2005]160号)、《铁路隧道施工规范》(TB10204) 、《公路隧道工程施工技术规范》（JTG F60）。

4.2设计图纸、合同文件。 5 施工方法

5.1雷达测线布置：

全断面法开挖的隧道，雷达测线在掌子面上呈“井”字形布置，测线长度根据天线长度决定，在有限的掌子面上尽可能的长，测线位置距隧道周边的距离1m左右。当为其它方法(上下台阶法、三台阶七步法等)开挖的隧道时，雷达测线在掌子面呈“一”字型布置，测线位置距隧道周边的距离1m左右。

5.2为保证探测结果的准确，应在同一测线上进行至少两次的重复探测，采用点测方式时，测点间距一般不大于0.2m。

5.3应充分利用避车洞或超前钻探揭露的地质界面等有利地段求取地层的相对介电常数和电磁波速度。

5.4地质雷达在完整灰岩地段预报距离宜在30m以内，在岩溶发育地段的有效探测长度则应根据雷达波形判定。连续预报时前后两次重叠长度应在5m以上。

5.5系统增益不应低于150dB；信噪比应大于60dB；采样间隔不应大于0.5μs、模数转化器不应低于16位；具有可选的信号叠加、实时滤波、点测与连续测量方式、手动与自动装置标记等功能。

5.6探测目的体与周边介质之间应存在明显介电常数差异，电磁波反射信号明显；探测目的具体，有足以被探测的规模；不能探测极高电导屏蔽层下的目的

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体。

5.7地质雷达检测必须由具有检测资质证书的专业人员进行数据采集、数据分析及结果整理，并出具检测报告。 6 工艺流程及操作要点 6.1工艺流程图

施工准备 仪器连接 数据采集 数据回放 数据传输 关闭仪器 数据整理 提交检测报告 图2 地质雷达预报流程图

6.2操作要点

6.2.1施工准备

地质雷达检测主要是在隧道掌子面上进行，首先需确定好检测方案及测线布置形式等。施做前应对掌子面进行平整处理，使雷达天线与掌子面能有较好的藕合，在掌子面附近应没有其它的金属物体，避免影响检测结果的准确性。

6.2.2仪器连接

连接主机、电缆、天线，标记器、测量轮。

开机。安装电池或者外接电源，仪器自动开机。在主菜单下选择TerraSIRch

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按钮，进入仪器采集状态。

6.2.3数据采集

数据采集和保存文件。调整仪器参数，按RUN/SETUP进入单窗口屏幕，开始移动天线采集数据。再次按下此按钮，选择右键盘打勾保存数据文件到仪器中。

6.2.4数据回放

数据回放。按PLAYBACK按钮，弹出对话框，利用上下键找到相应的文件，利用选择键ENTER选中文件，右键确认，再次按RUN/SETUP按钮来回放数据。

6.2.5数据传输

利用SanDisk牌CF卡传输数据文件。OUTPUT->TRANSFER->FLASH。按中间的选择键ENTER，弹出对话框，利用上下键找到相应的文件，利用中间的选择键ENTER选中文件，利用右键盘确认，开始传输数据。最后利用读卡器，把CF卡上的数据文件复制到计算机上。

利用SanDisk牌USB盘传输数据文件。OUTPUT->TRANSFER->HD。 6.2.6关闭仪器

按暂停RUN/STOP按钮，按绿色电源按钮一次，关闭主机。 6.2.7 数据整理

1 雷达记录应清晰，反射波形、同相轴明显，不合格的记录应重测。 2 对合格的记录应根据记录的情况进行必要的处理如：编辑、滤波、增益、褶积、道分析、速度分析和消除背景干扰等，求得时间剖面。

3 在时间剖面中应标出探测对象的反射波组、反射体的形态和规模、钻孔验证的位置和深度。

4 解释确定反射体的位置、形态，推断其充填情况。必要时应制作模型进行反演解释。

6.2.8提交资料

测线布置图；现场数据记录表；时间剖面；波形剖面、解释参数和解释结果。

7 劳动力组织

表1 地质超前预报组成员表 人 员 人 数 主 要 任 务 4

项目负责人 技术负责人 检测工程师 工人 1 1 2 3 全面负责测试工作的协调、组织、安排工作 全面负责地质预报技术相关工作 由取得检测资质证书的专业人员担任，负责数据采集、数据分析处理和报告编写工作 负责天线的移动、稳定和现场辅助工作 8 主要机具设备

可选用SIR3000（SIR2000）、SIR20或RAMAC等型号地质雷达设备，天线应使用中心频率为40MHz～100MHz频率范围的低频天线；检测辅助车（有升降梯子） 9 质量控制

9.1通过试验选择雷达天线的工作频率，确定介电常数。当探测对象情况复杂时，应选择两种及以上不同频率的天线，当多个频率的天线均能符合探测深度要求时，应选择频率相对较高的天线。

9.2测网密度、天线间距和天线移动速度应反映出探测对象的异常，测线宜采用十字或网格形式布设。

9.3选择合适的时间窗口和采样间隔，并根据数据采集中的干扰变化和效果及时调整工作参数。

9.4宜采用连续测量的方式，不能连续测量的地段可采用点测方式。 9.5隧址区内不应有较强的电磁波干扰；现场测试时应清除或避开测线附近的金属等电磁干扰物；当不能清除或避开时应在记录中注明，并标出位置。

9.6支撑天线的器材应选用绝缘材料，天线操作员应与天线保持相对固定的位置。

9.7测线上天线经过的表面应相对平整，无障碍，且天线易于移动；测试过程中，应保持工作天线的平面与探测面基本平行，距离相对一致。

9.8现场记录应注明从掌子面观测到的不良地质体与地下水体的位置与规模等。

9.9重点异常区应重复观测，重复性较差时应查明原因。 10 安全措施

10.1所有工作人员进入隧道必须佩戴安全帽。 10.2数据采集前必须将掌子面和拱顶的松动岩石清除。

10.3利用台架测试时，台架上的工作人员必须系安全绳，台架下除有一名

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工作人员稳定天线外，不得再有其他人员。

10.4仪器必须安放在围岩相对较完整、稳定性相对较好部位的下面。 10.5测试时保证隧道内的通风和照明。 11 施工实例 11.1工程概况

由中铁一局集团有限公司承建的南广铁路大邮村隧道地处广西省梧州市藤县滕州镇，隧道全长1042m。设计为4.6m线间距的双线隧道，开挖断面为150㎡，本隧道采用单口掘进施工，掘进端设于广州端。由于隧道施工区域的地质情况十分复杂,查明隧道掌子面前方岩层的裂隙、地下水、断层等不良地质因素,对隧道进行超前地质预报则显得尤为必要。通过地质雷达预测掌子面前方的不良地质,可及时变更施工方案,保证施工的安全进行。 11.2施工情况

11.2.1地质雷达探测及参数设置

该隧道于2009年5月20日开工建设，2010年2月5日在里程IDK206+087处,掌子面出现较多渗水,为探查掌子面前方的地质情况,进行了地质雷达探测。采用美国GSSI公司的TerraSIRch SIR 3000地质雷达(简称SIR-3000),鉴于本次超前地质预报范围为掌子面前方20m,故采用100MHz天线,其采样窗口长度可达400μs,有效探测深度20m。其主要技术参数为:

1 100MHz天线,发射频率100KHz,测量方式采用连续测量。

2 采样点数512,存储位数16bit,记录时间,介电常数、扫描率等根据实际情况做相应调整。

11.2.2 地质雷达探测结果及实际开挖情况

由于隧道内岩体构成的复杂性及各种介质对电磁波反射和吸收程度的差异,同时受到各种噪声的干扰,使得接收天线接收到的雷达波叠加后,振幅降低、波形杂乱,难以直接从图像识别岩体的构成,所以要对接收到的信号进行适当处理。图3是处理后的地质雷达波形图。从图2的雷达解译结果来看,在掌子面前方约8m处(IDK206+079)处,反射强烈,反射波强度大,且反射波相位与入射波相反,可见该处为一富水体。实际开挖后在IDK206+079的右边墙出现不同程度的涌水,图4为现场拍摄的照片。可见预报情况和实际出水情况较吻合。

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图3 地质雷达解译结果 图4 IDK206+079右边墙出水情况

11.3工程结果评价

13.3.1地质雷达能及时预报隧道前方的不良地质体,如地下水、裂隙破碎带等,确保了施工安全。

13.3.2地质雷达的探测深度和精度受岩体性质影响较大,围岩完整性越好,探测深度和精度就越高。地质雷达在进行现场探测时,极易受到施工现场的干扰,尤其是金属物的影响。进行雷达探测时,应准确记录现场实际情况,以便排除干扰,确保测读的准确性。 11.4施工图片

图5 地质雷达检测

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