福州绕城公路东南段
南峰隧道超前地质预报
（地质雷达）
编号：BG-CQYB-A16-001
合同段：A16合同段
施工单位：中铁十七局集团第一工程有限公司探测范围：右线出口LYK8+335～LYK8+310
编制：
校核：
检测单位：中国科学院武汉岩土力学研究所
检测日期：2013年12月27日
报告日期：2013年12月27日
一、工作概况
2013年12月27日，中国科学院武汉岩土力学研究所对福州绕城公路东南段A16合同段南峰隧道出口右洞进行了超前地质预报，采用GSSI 公司生产的SIR-20地质雷达进行数据采集，配属100MHZ 的屏蔽天线进行了探测。
本次探测范围为右线出口LYK8+335～LYK8+310，共25m 。
二．预报的方法技术
（一） 地质雷达超前预报的基本原理
地质雷达(Ground Penetrating Radar ，简称GPR)是近年来应用于浅层地质构造、岩性检测的一项新技术，其特点是快速、无损、连续检测，并以实时成象方式显示地下结构剖面，使探测结果一目了然，分析、判读直观方便。
因探测精度高、样点密、工作效率高而倍受关注。
随着该项技术的不断完善和发展，其应用领域不断扩展。
隧道地质雷达超前预报方法是一种用于确定隧道掌子面前方介质分布变化的广谱电磁波技术。
如图1所示，利用一个天线向掌子面前方发射无载波电磁脉冲，另一个天线接收由岩体中不同介质界面反射的回波，利用电磁波在岩体介质中传播时，其路径、电磁场强度与波形将随所通过介质的电性
质(如介电常数Er) 及几何形态的变化差异，根据接收到的回波旅行时间、幅度和波形等信息，来探测掌子面前方介质的地层结构与异常地质体。
理论研究与实验室模拟试验证明，电磁波在物体或介质中的传播速度v 、走时t 、与介质的相对介电常数Er 有如下关系：
v
x z t 2
24+=
r
c
v
ε=
式中：z为反射界面深度，x为发射天线到接收天线间的距离，v为电磁波在介质中传播的波速，c为光速（c=0.3m/ns，），εr为介质的相对介电常数，当波速v已知时，通过读取雷达剖面上行程时间来计算界面深度z 值。
在实际的外业施工过程中，因为掌子面前方介质变化较为复杂，本工作组事先在不同隧道，不同围岩情况下做了多次实验，测算出不同地段的围岩介质波速，利用公式求得每次所测段的围岩平均波速情况，再根据速度来推断异常对象的埋深情况。
电磁脉冲反射信号的强度与界面的反射系数和穿透介质的波吸收程度有关，一般，介质的电磁参数（电性）差别大，则反射系数大，因而反射波的能量也大，这就是地质雷达探测的前提条件。
P R =R
4
4
3
3
2
T RSLe
)H
(4π
RSL
λ
G
Pα
-
式中：P
T ，P
R
———发射，接收功率；
G ———天线增益；
R、S、H ———地下目标体的反射率、散射面截面和深度；
α———岩土衰减率；
L ———雷达波从发射到接收过程的散射损耗；
λ
———介质中雷达波的波长。
可以看出，雷达接收到信号的大小与雷达天线的特性、地层的衰减、目标体的深度和反射特征以及雷达的工作频率和发射功率均有关系。
在仪器性能和地下介质一定的情况下，探测深度取决于工作频率选择及地层的衰减系数。
一般天线频率越高，则探测深度越浅，分辨率越高；天线频率越低，则探测深度越深，分辨率越低。
因此，地质雷达技术存在着探测深度与分辨率的取舍或优选问题。
（二）仪器设备及技术参数
地质雷达系统包括硬件（主机、天线、传输电缆等）和软件（现场数据采集、预处理、后处理等）两大部分。
本次投入的设备为美国产SIR系列地质雷达系统（图2）。
在资料的处理上，配备了RADAN6.5系列雷达软件，特别针对各种地质异常
情况可以进行多道平均，同相轴追踪，信号偏移，希尔波特变换，褶积与反褶积的滤波变换，傅立叶变换，强制增益变化等等一系列的手段，可以最大程度的保证资料处理的可辨读性；
图2 地质雷达系统
SIR系列地质雷达属工程现场非破坏性的高频电脉冲全数字化地面探测系统，其主要技术参数如下：
1．双通道实时数字采集处理器，可同时记录2个通道的数据，并可同时进行4组数据后处理。
自带军品级全金属外壳笔记本计算机，可在施工现场进行实时数据采集和数据处理，操作平台可选Windows 2000/NT/XP。
2. 主机可适配所有高中低频的各类雷达天线，频率范围从16MHz到2.2GHz，本次预报工作主要选用100MHZ频率的天线；
3. 显示方式：实时彩显，彩色/灰阶行扫描，变面积/波形显示，线性扫描方式中可使用256种色源来表示信号的幅度和极性；
4. 采样率可达5ps；
5. 量程增益范围：-20～100dB，自动或用户可选；增益曲线分段可以从1～8进行选择，本次工作随不同情况动态选取；
6. 滤波器：自动或用户可选；包括垂直时间域滤波和水平滤波；
7. 扫描速率：每秒2～800次扫描可选，具有DSP数据快速采集系统；
8. 时基精度：0.02% ；
9. 信噪比：> 110dB；
10. 动态范围：120dB；
11. 记录长度：自动或用户可选，0～8000ns；
12. 尺寸：466 x 395 x 174mm左右，重量：≤10kg；
13. 电源：整个检测系统只需一个电源系统12VDC，11～15VDC；
14. 具有位置自动伺服系统，便于信号的准确接收；
15. 迭加：可选2～32768个扫描。
三、掌子面工程地质调查分析
掌子面LYK8+335主要为强-中风化花岗斑岩，节理裂隙发育，岩体破碎，呈碎块状，自稳能力较差，局部有湿润现象，无其他不良地质现象，围岩情况详见下表：
其他情况1.施工情况：
2.其他：
掌子面素描图及雷达测线图
围岩判断原设计围岩级
别
Ⅴ现判断围岩级别Ⅴ
四、本次探测成果
地质雷达探测是基于电磁波遇到不同反射界面其反射振幅和相位不同来判断前方传播介质的变化。
介质介电常数的差异决定了电磁波反射的强弱程度和其相位的正负。
岩性、构造、风化程度及其含水量的变化将影响其介电常数。
雷达测试资料的解释是根据现场测试的雷达图像，先进行数据处理，对可以解读的图像进行异常分析；根据异常的形态、特征及电磁波的衰减情况，判断波阻抗界面的地质成因，从而可以对测试范围内的地质情况进行解释。
本次探测是在南峰隧道出口右洞里程桩号为LYK8+335的掌子面上进行的。
图2、图3为本次超前地质探测的地质雷达记录图。
图中记录显示：地质雷达在本次探测的有效预报距离为25m。
雷达记录显示掌子面（里程LYK8+335）前方及附近，里程桩号为LYK8+335～LYK8+310段雷达反射波振幅较大，同相轴间断、弯曲，波形杂乱，推测该段围岩较破碎，主要以强-中风化花岗斑岩为主，围岩自稳能力较差，施工时应该引起注意。
预测范围内围岩详细情况如表1所示：
表1：预测范围内探测成果详细解释表
序号里程
长度
（m）
推断结果
1 LYK8+335～LYK8+318 17 根据现场地质调查及地质雷达探测结果，综合图2和图3分析：雷达反射波在该段围岩内反射波振幅较大，同相轴间断较杂乱，推测该段整体围岩质量较掌子面围岩质量基本一致，主要以强风化花岗斑岩为主，围岩稳定性较差，应及时做好初期支护，围岩等级综合定为Ⅴ级。
（原设计为Ⅴ级）
2 LYK8+318～LYK8+310 8
根据现场地质调查及地质雷达探测结果，综合图2和图3分析：
雷达反射波在该段围岩内反射波信号微弱，同相轴连续性较好，
且少有弯曲现象，推测该段整体围岩质量较掌子面围岩质量稍
好，节理裂隙较发育，局部较破碎，岩质较目前岩质较坚硬，主
要以中风化花岗斑岩为主，且以块状镶嵌结构为主，围岩稳定性
一般，应及时做好初期支护，围岩等级综合定为Ⅴ级。
（原设计
为Ⅴ级）
图2（H1）超前探测的地质雷达记录
图3（H2）超前探测的地质雷达记录
五、结论与建议
（1）结论：本次探测范围内围岩整体质量较差，围岩较破碎，节理裂隙较发育，裂隙多呈张开型，自稳能力较差，洞顶及侧壁可能会出现局部掉块、小坍
塌。
（2）建议：建议施工时坚持采取“短开挖、弱爆破、强支护、勤量测、早封闭”的开挖原则掘进，在实施预裂爆破或者光面爆破时，应尽量减少爆破对围岩的损伤，避免裂隙进一步发育，产生严重的拱顶掉块，甚至坍塌等破坏现象。
在施工过程中应密切关注围岩地质情况的变化，并根据实际情况及时对支护参数进行调整，做好防排水措施，防止拱部和掌子面岩块掉落伤人或塌方、涌水等工程事故的发生，加强安全意识。
建议下次预报的掌子面里程为LYK8+320～LYK8+310，希望施工单位开挖到该段里程范围时及时通知我部开展超前地质预报工作。