浅谈如何提高岩溶隧道地质雷达预报的准确性
摘要：湖北恩施地处溶蚀发育山区,在隧道施工中经常遭遇地质
灾害,为了保障施工安全,在隧道开挖的同时需要进行超前地质预
报。结合宜万铁路云雾山隧道中的雷达应用实例,介绍地质雷达的
工作原理及其在隧道超前预报中的应用和技巧。
关键词:地质雷达；岩溶隧道；超前预报；地质灾害；准确性
中图分类号：f407.1 文献标识码：a 文章编号：
一、工程概况
云雾山隧道全长6640m，是宜万铁路的重点工程，是宜万线八座
ⅰ级风险隧道之一，隧道地处低中山区越岭地段，地形起伏大，地
形陡峻，区内受地形、地质及构造等各种条件的影响，岩溶发育强
烈，溶洞、暗河、漏斗及岩溶洼地等随处可见。有5条地下暗河穿
越其间，设计日最大涌水量为16141m3，设计有突水、突泥、岩爆、
天然气、溶洞等突发性地质灾害。
为了更好的探测隧道开挖面前方围岩情况，确保施工人员及设
备安全，我们运用了目前国内最先进的物探方法之地质雷达超探测
法。
二、地质雷达探测的特点：
地质雷达探测具有分辨率高、定位准确、快速经济、灵活方便、
剖面直观、实时图像显示等优点，近年来在公路路基检测、隧道超
前预报、衬砌厚度检测、工程地质与水文地质工作等方面，发挥着
越来越重要的作用。美中不足的是由于岩土层对电磁波的吸收较
大，导致地质雷达的探测距离较短，因此雷达更常用于工程检测方
面。但在岩溶发育山区，容易发生涌水事故，含水性的预报又是难
中之难，而地质雷达在探测地下水方面有其独到之处，加之岩溶山
区隧道开挖的推进速度较慢，用雷达进行地质超前预报,完全可以
满足施工需求。在实际工程应用中，地质雷达对岩溶发育预报的准
确性，也受到了相关单位的普遍认可,值得研究与推广。
三、地质雷达工作原理：
地质雷达（groundpenetratingradar ，简称gpr）方法是一种
用于探测地下介质分布的广谱（1mhz—1ghz）电磁技术。地质雷达
用一个天线发射高频电磁波，另一个天线接收来自地下介质界面的
反射波。通过对接收的反射波进行分析就可推断地下地质情况。
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/ε （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）式可知：预报过程中的反射系数的大小主要取决于反射
界面两侧介质的相对介电常数的差异。差异越大反射系数越大，探
测出的异常越明显。地质预报主要的探测内容为：地下水、断层及
其影响带等对施工不利的地质情况。这些不利的介质与完好基岩的
相对介电常数均有较大差异，为采用地质雷达对隧道掌子面前方进
行地质预报提供了良好的地球物理基础。
x
t r
v z
目的体
图1 地质雷达反射探测原理图
四、地质雷达预报影响因素：
我们通过云雾山隧道日常雷达检测数据的分析，对影响地质雷
达预报准确性所存在的问题展开了详细调查（如下表）。
地质雷达预报影响因素调查表表一
序号 影响因素 频数 频率（%） 累计率（%） 备注
1 探测时外界干扰 25 41.7 41.7
2 数据分析不准确 17 28.3 70.0
3 仪器参数不准确 10 16.7 86.7
4 仪器操作不规范 6 10.0 96.7
5 其他 2 3.3 100
合计 n=60
检查人：王博 统计人：赵超 时间：2008年5月10日
从表一可以看出影响地质雷达预报准确性的主要问题是外界干
扰因素和数据分析不准确，其累计频率达41.7%和28.3%，成为解
决问题的主要对象。
经过我项目雷达检测小组成员的认真调查分析，找出了影响地
质雷达探测准确性的原因，见下表：
影响地质雷达探测准确性的原因调查表表二
序号 原因 论证 判断结果 备注
1 掌子面周边有金属物质 金属物质产生磁场影响 是
2 掌子面不平整 掌子面有松动岩石、鼓包 否
3 地质雷达侧线布置形式 线测和点测的采集密度影响采集数
据的代表性 否
4 雷达主机和天线连接 天线连接不耦合影响信号的传输，
导致波形 否
5 主机电池电量低于%30 电池电量过低，导致信号不连续对
数据采集有很大的影响 否
6 仪器操作不规范 操作人员不认真 否
7 掌子面残留有泥或水 掌子面若有泥或水，那么该处雷达
信号的强度将减弱 是
8 雷达参数设置不准确 参数设置不准确，导致采集数据不
能如实反映前方情况 是
9 数据分析不准确 数据分析不准确，直接影响了预报的准确
性 是
从表二中可以看出，影响地质雷达探测准确性的主要原因是：
掌子面周边有金属物质、掌子面残留有泥或水、雷达参数设置不准
确、数据分析不准确。
五、针对影响地质雷达预报准确性的主要原因制定对策如下表：
对策表表三
序号 要因 对策 目标 措施
1 掌子面周边有金属物质 非开挖工作期探测 不受金属物质
磁场影响 退平台后探测
2 掌子面残留有泥或水 加大雷达的叠加次数和信号强度
不受泥或水工作影响 同上
3 雷达参数设置不准确 探测前根据不同围岩设置相应参数
避免参数不准确 将探测仪放置在探测点半小时，确保仪器内部
参数稳定
4 数据分析不准确 请相关地质专家对检测人员培训并帮助分
析 准确分析采集数据 认真对采集数据进行分析，确保结论接近
现场实际