RAMAC探地雷达在隧道超前地质预报中的应用.doc

RAMAC探地雷达在隧道超前地质预报中的应用 曾雄鹰 (湖南联智桥隧技术有限公司) 摘 要 探地雷达作为一种宽频带、短脉冲的高频电磁波探测技术，是隧道工程短期超前地质预报的重要手段之一，文章介绍了探地雷达的工作原理及各项探测技术参数的确定原则，并以郴宁高速公路某岩溶隧道为例，采用瑞典 MALA 公司的RAMAC/GPR通用型主机CUⅡ，并结合岩溶地区隧道地质条件，采用点扫描模式进行信号采集，对该采集数据进行了一系列处理，给出溶洞、节理裂隙和富水带等几种不良地质体的典型实例，简要研究了其雷达反射波的频谱特征，并总结了其异常特征，为隧道工程的安全施工提供了依据，同时也为探地雷达在隧道短期超前地质预报中的应用积累了经验。 关键词 探地雷达；超前预报；隧道工程；岩溶地区 隧道超前地质预报是隧道前期施工必须进行的重要环节，尤其是在岩溶地区进行短期超前预报，对溶洞、富水带、破碎带、断层和瓦斯等不良地质体及时准确的预报，不仅提高了隧道施工效率、节约了成本，而且确保了施工的安全[1]。目前常用的超前地质预报方法有工程地质调查与推断法，超前钻探法，地震多波多分量反射法（Tunnel Seismic Predication），地震层析法（TRT），探地雷达法（Ground Penetrating Radar）等[2~4]，而探地雷达因其成本低、简捷高效、准确度高、无损性、可跟踪施工全过程等诸多优点，在隧道短期超前地质预报领域备受推广[5~6]。 1 基本原理 探地雷达[7]是根据高频脉冲电磁波在地下介质中的传播特性，利用介质之间不同介电特性的反射及绕射等波动规律，来探测地下构造和特性的地球物理方法，其探测过程是，雷达子波以宽频带短脉冲形式通过发射天线不断地向地下介质发射的过程，雷达子波即高频电磁波，它遇到电性差异的地下地层或目标体便反射回地面，由接收天线接收（图1）。 在各向同性的均匀介质中，电磁波以固定的速度传播，当遇到有电性差异的地层或目标体，尤其是介电常数差异的介质界面时，如溶洞、富水带、断层、破碎带等，高频电磁波发生反射，返回到地面或探测点，被接收机接收并由主机记录，得到探地雷达的脉冲波双程旅行时： （1） 式中为天线收发距，为高频电磁波在介质中的传播速度，可采用宽角法直接测量，也可以根据公式近似求取： （2） 式中为光速，为岩体的相对介电常数，可以利用经验数据或实测获得。 2 参数选择 探测参数选择合适与否关系到探测效果，探测参数包括天线中心频率、时窗、采样率、测点点距与发射、接收天线间距、天线方向的取向等，在隧道超前地质预报探测中，应根据现场工程地质条件进行动态设置。 2.1 天线中心频率 天线中心频率的选择需考虑三个主要因素，即设计的空间分辨率、杂波的干扰和探测深度，一般来说，在满足分辨率且场地条件可行时，应该尽量使用中心频率较低的天线，可参照下式初步选定： (MHz) (3) 式中为要求的空间分辨率，为隧道围岩的相对介电常数。 2.2 采样时窗 探地雷达采样时窗是指数据采集开始到数据结束之间的时窗长度，它决定雷达系统对反射回来的雷达波信号取样的最大时间范围，直观地说，就是决定雷达的探测深度。雷达探测越深，其选用的时窗宽度应越长，探测越浅，则选用的时窗宽度越短，时窗主要取决于最大探测深度与地层电磁波速度，数据采集时所开的时窗可由下式估算： (4) 上式中为雷达波波速，为探测的最大深度，时窗增大30%是为介质内实际速度与目标深度的变化所留出的余量。 2.3 采样率(单位：MHz)，则采样率为 (5) 3 工程实例 羊角脑隧道为郴宁高速公路主要工程，隧道区内地层由上至下为第四系更新统亚粘土、碎石土、角砾土等和石炭系的白云质灰岩、灰岩等及泥盆系的砂质板岩、细粒石英砂岩、灰岩等，地下水主要为松散层类孔隙水、基岩类节理裂隙溶洞水两大类，该隧道左洞长2930m，第四系覆盖层厚度在0~22.8m之间，ZK151+147至ZK151+200段为亚粘土、强风化砂质板岩，其余为白云质灰岩、灰岩等，右洞长2870m，覆盖层厚度0~20m之间，YK151+134~YK151+205为亚粘土，强风化砂岩、灰岩，其余为白云质灰岩、灰岩等。 采用瑞典 MALA 地质雷达 (RAMAC/GPR)进行探测，主机为CUⅡ，采用的主要技术参数为： (1)