地质雷达在隧道超前地质预报中的应用
摘要：本文简要介绍了地质雷达基本原理及其探测深度、精度，并结合实例阐述了地质雷达的工程应用。
关键词：地质雷达；隧道超前地质预报；掌子面
引言
目前，我国修建大量穿越山岭的特长隧道。
由于这些隧道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，隧道地质超前预报显示出越来越重要的作用。
在隧道开挖掘进过程中，提前发现隧道前方的地质变化，为施工提供较为准确的地质资料，及时调整施工工艺，减少和预防工程事故的发生非常重要。
一、地质雷达基本原理及探测深度、精度
地质雷达( Ground Penetrating Radar, 简称GPR, 也称探地雷达) 是利用超高频(106Hz～109Hz)电磁脉冲波的反射探测地下目的体分布形态及特征的一种地球物理勘探方法。
发射天线( T) 将信号送入地下，遇到地层界面或目的体反射后回到地面再由接收天线( R) 接收电磁波的反射信号，通过对电磁波反射信号的时域特征和振幅特征进行分析来了解地层或目的体特征(见图1)
图1 地质雷达反射探测原理图
根据波动理论，电磁波的波动方程为：
P = │P│e-j（αx-αr）﹒e-βr（1）（1）式中第二个指数-βr是一个与时间无关的项，它表示电磁波在空间各点的场值随着离场源的距离增大而减小，β为吸收系数。
式中第一个指数幂中αr表示电磁波传播时的相位项，α为相位系数，与电磁波传播速度V的关系为：
V = ω/α（2）当电磁波的频率极高时，上式可简略为：
V = c/ε1/2（3）式中c为电磁波在真空中的传播速度；ε为介质的相对介电常
数。
地质雷达所使用的是高频电磁波，因此地质雷达在地下介质中的传播速度主要由介质中的相对介电常数确定。
电磁波向地下介质传播过程中，遇到不同的波阻抗界面时将产生反射波和透射波。
反射和透射遵循反射与透射定律。
反射波能量大小取决于反射系数R，反射系数的数学表达式为：
R =[（ε1）1/2 -（ε2）1/2]/[（ε1）1/2 +（ε2）1/2] （4）式中ε1和ε2分别表示反射界面两侧的相对介电常数。
由(4)可知，电磁波在反射系数取决于介质的相对介电常数，介电数差异越大，雷达波形越清晰。
空隙中空气的相对介电常数为1；软弱夹层(黏土)在9~ 14之间；水为81；砾岩在4~ 6之间。
几者间的相对介电常数差异较大，这为雷达方法作超前预报提供了较好的地球物理前提。
电磁波在介质中传播的路径——波形将随所通过介质的电性及几形态而变化，根据接收到波的旅行时间(亦即双程走时)、幅度、频率与波形变化资料，可以推断介质的内部结构以及目标的深度、形状等，利用电磁波在介质中的波速和旅行时间可以计算介面深(h=v*t/2)。
当发射天线沿欲探测物表面移动时就能得到其内部介质剖面图像。
反射脉冲的信号强度与界面的波反射系数和穿透介质的波吸收程度有关。
影响地质雷达的预报深度、分辨率这两个重要指标的因素包括两方面。
内在因素主要是指探测对象所处环境的电导率，介电常数等因素。
相对介电常数随介质中的含水量变化而急剧变化，含水少的介质其值较大。
外在因素主要与探测所采用的频率，采样速度等探测方法有关，通常只有外在因素才具有选择性。
在实际应用中必须综合考虑这些因素，采用适当的方法技术。
探测时所采用的天线中心
频率称为探测频率。
而其实际的工作频率范围是以探测频率为中心的频带。
当中心频率f 一定时，在特定介质中传播速度V也已知，根据公式K= V/ f，波长也是定值。
当地质体层厚小于1/ 4 波长时，反射波不能反映中间层，所以探测频率决定了探测的分辨率。
同时，介质对高频波吸收快，低频波吸收慢。
所以频率越高，探测深度越浅，分辨率越高，频率低时则相反。
所以超前预报要选用的频率来满足探测深度和精度(分辨率) 两方面的要求。
一些基于经验的探测深度、分辨率与中心频率的关系见表1。
经综合考虑，超前预报常选用中心频率为100 MHz 的天线( 也可选配其他合适频率天线作辅助测量) 。
表1 经验探测深度、分辨率与天线中心频率的关系
二、检测设备、方法及现场测线布置
对于不同深度、不同岩性的探测目的层与目的物，在应用地质雷达检测时，需选择相应频率的天线和适当的仪器参数。
要探测到较深的地质情况，就必须选用相对较低频率的天线，本次检测选用了100MHz天线。
使用的设备：美国劳雷公司SIR-3000型地质雷达（如图2所示）；天线频率100MHZ。
检测方法是：在掌子面上布设测线或测点，由天线向地层中发射一定强度的高频电磁波，电磁波在传播过程中遇到与周围电阻抗有差异的地层或目标体时，部分能量反射回来，被接收天线所接收，通过分析雷达图像特征，预测前方围岩情况。
该方法分辨率较高，方向性
较好，能够分辨出较小规模的地质异常，能及时预报出掌子面附近的破碎带、溶洞及赋水等不良地质情况。
本次采用了连续线测及点测试方法，测线及测点布设见图3。
图2 SIR—3000型地质雷达图3 雷达测线及测点布设图
三、实列分析与研究
下面介绍地质雷达在广东省某隧道地质超前预报中的应用。
该隧道全长约750m。
隧道掌子面岩石岩性为二长花岗岩，青灰色，中粗粒结构，块状构造，节理、裂隙较发育，无水，掌子面岩石整体接触较好，结构较稳定，右下角岩体较破碎且强度较低，因岩石节理面近似垂直，拱顶层面组合受震动易出现局部掉块、超挖，综合评价掌子面岩块结合性一般，整体稳定性一般。
（如图4所示）围岩级别为Ⅱ～V级。
图4 掌子面围岩
图5 雷达测试波列图（线测）
通过对地质雷达图像的分析，距目前掌子面13～25米范围内雷达反射波较强，预计该段围岩与目前掌子面相比较会稍有变化，岩石岩性主要为二长花岗岩，节理、裂隙发育，同时还可能存在小的破碎带，拱顶层面组合受震动易出现局部掉块，整体稳定性较差。
经开挖证实在距掌子面13.7米处，掌子面左右两侧均出现小的破碎带，在距掌子面16~17米处掌子面右侧出现一条宽约40cm的全风化
花岗岩带，其中在距离掌子面15~22米范围内岩石节理比较发育，过了该段岩石节理，裂隙发育情况明显好转。
四、结束语
(1) 地质雷达用于隧道地质超前预报具有快速、便捷的特点。
(2) 地质雷达由于发射的是超高频电磁波, 故探测深度及广度有限。
(3) 探测过程中经常会有干扰因素存在，如隧道台车、装载机、照明电缆等的干扰。
如何正确识别干扰，从而得到正确的分析结果尤为重要。
(4) 本次探测实例证明了地质雷达用于隧道地质超前预报有理有据，结果真是可靠。
但是对雷达图像异常情况的判断解释，需要积累大量的实际经验。
参考文献
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