岳全貴，張 楊，肖國強，周黎明

(1.中交第二公路勘察設計研究院有限公司 武漢中交巖土工程有限責任公司， 武漢 430056； 2.長江科學院 水利部巖土力學與工程重點實驗室，武漢 430010)

探地雷達的常見干擾和不良地質體的超前預報在隧道工程中的應用

岳全貴1，張 楊2，肖國強2，周黎明2

(1.中交第二公路勘察設計研究院有限公司 武漢中交巖土工程有限責任公司， 武漢 430056； 2.長江科學院 水利部巖土力學與工程重點實驗室，武漢 430010)

為了在隧道工程中準確應用探地雷達進行超前預報，針對可能遇到的常見干擾和典型不良地質體，探討了常見干擾的成因及其對資料解譯的影響，確定常見的干擾剖面圖，并分別對天線耦合干擾和金屬物干擾進行舉例分析，提出探地雷達在采集數(shù)據(jù)過程中避開干擾的注意事項。列舉3個工程實例，分別介紹了探地雷達對溶洞、斷層裂隙水、軟弱夾層等不良地質體的預報研究，通過分析其典型雷達剖面圖的波形、頻率、振幅等特征，依此推斷出隧道開挖掌子面前方潛在不良地質體的類型以及位置、構造走向等空間分布特征。該結果與實際開挖揭示的不良地質體的分布范圍基本一致，驗證了探地雷達在預報隧道常見不良地質體的可行性和有效性。通過總結分析常見雷達干擾圖像和典型不良地質體剖面圖，有助于物探工作者對復雜地質體進行更精確地解釋，確保隧道施工安全。

隧道超前預報；探地雷達；干擾因素；典型不良地質體；雷達干擾圖像特征

1 研究背景

在我國，隧道超前預報研究始于20世紀50年代末，隧道超前預報實際應用于隧道建設始于20世紀70年代[1]。掌子面地質超前預報方法按距離分為長距離預報和短距離預報。長距離預報(>100 m)方法包括：TSP地震預報法、VSP垂直地震剖面法、USP地下工程地震預報(角度偏移技術)等。短距離預報(<30 m)方法包括：GPR探地雷達法、BEAM法、HSP水平聲波剖面法等。其中，探地雷達法作為一種電磁手段的短距離探測手段，在國內外隧道復雜地質地段中得到了很好的應用。

代高飛等[2]在貴州省崇遵高速公路的風梅埡隧道利用探地雷達法成功預報出含水溶洞；蘇會鋒等[3]在渝懷鐵路利用探地雷達探測出穿過暗河的武隆隧道的溶蝕通道，成功查明隧道的涌水里程和位置。大量的資料表明了探地雷達在隧道超前預報的有效性、快捷性和重要性。

但是，由于隧道施工環(huán)境的復雜性，利用探地雷達進行超前地質預報受到各種因素(如掌子面不平整、隧道內金屬物、施工機具、電纜、側壁等)的干擾，以及掌子面前方不良地質體的復雜性帶來物探解釋的多解性，要求物探工作者有豐富的現(xiàn)場工作和后期解釋經(jīng)驗。本文主要就探地雷達現(xiàn)場工作過程中的技術要求、注意事項，和對于溶洞、斷層裂隙水等預報的成功案例進行分析研究。

2 探地雷達原理

探地雷達(Ground Penetrating Radar，簡稱GPR)是一種用于探測地下介質分布的廣譜電磁技術，探地雷達運用于短距離隧道超前預報，原理是通過發(fā)射機發(fā)射電磁波信號到隧道掌子面前方，當遇到存在電性差異的目標體如空洞、分界面時，電磁波便發(fā)生反射，返回到地面由接收天線接收。根據(jù)反射波的波形、振幅、頻率、時間等圖形和參數(shù)可推斷掌子面前方目標體的介電性質及空間位置、構造走向等幾何信息,達到對掌子面前方隱蔽目標體的探測(見圖1)[4]。

圖1 探地雷達工作原理圖Fig.1 Working principle of ground penetratingradar(GPR)

在隧道空間這種非磁性介質中，探地雷達高頻電磁波在介質中的傳播速度取決于介電常數(shù)。電磁波速與介質的相對介電常數(shù)的關系可表示為

(1)

式中：V為電磁波速度；C為光速；εr為相對介電常數(shù)。

電磁波在傳播過程中，遇到不同的阻抗界面(介質分界面)時將產(chǎn)生反射波和透射波，其遵循反射與透射定律，反射波能量大小取決于反射系數(shù)。反射系數(shù)的數(shù)學表達式為

(2)

式中ε1和ε2為界面兩側介質的相對介電常數(shù)。

由式(2)可知，探地雷達高頻電磁波在2種不同介質的界面產(chǎn)生反射，反射系數(shù)的強弱主要取決于反射界面兩側介質相對介電常數(shù)的差異。

由此可知，介電常數(shù)差異是探地雷達的工作基礎。常見介質中，空氣的相對介電常數(shù)為1，巖石的相對介電常數(shù)為4～20，水的相對介電常數(shù)為81。因而，探地雷達對空溶洞、充水溶洞、斷層裂隙水等地質異常體有特別的敏感性。

3 探地雷達采集參數(shù)設置和數(shù)據(jù)處理

3.1 選取采集參數(shù)

由于探地雷達探測對象——掌子面前方地質體相當于一個復雜的濾波器，地質體的不均勻性導致對電磁波的吸收程度不同，電磁波脈沖經(jīng)過地質界面反射回到接收天線時，反射波與發(fā)射天線的原始波差別很大。因此，在預報測試工作前，應結合前期隧道工程勘察和地面地質調查資料，進行多參數(shù)實驗，對比擬合，確定最佳探測參數(shù)，確保預報結果更為精確可靠。

探測設備為加拿大Sensor&Software公司生產(chǎn)的EKKO型地質雷達，配備中心頻率為100MHz的地面耦合型天線。采用點測方式進行采樣，測點距為0.2m，天線間距為1m；記錄時窗為720ns；疊加次數(shù)為64次/道。

3.2 數(shù)據(jù)處理

在隧道現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境中，或多或少會受到隨機電磁噪聲和干擾，會對探測數(shù)據(jù)造成影響。有的噪音干擾甚至大于實際地質的電磁波反射信號，會壓制真實異常信號，形成假異常，對后期解釋造成困擾。因此，必須對接收的信號進行適當?shù)臄?shù)據(jù)處理，提高資料信噪比，以提供真實可靠、清晰易辨的圖像。

探地雷達采集的數(shù)據(jù)處理流程為：①輸入數(shù)據(jù)；②數(shù)據(jù)預處理，包括剔除異常道、歸一化、靜校正；③濾波處理和增益處理，包括道間能量均衡、自動時間增益控制、帶通濾波；④分析雷達電磁波異常，包括速度分析,單道振幅、相位、頻率的提取、頻譜分析；⑤時深轉換。

最后一步時深轉換是獲取不良地質體準確深度范圍的關鍵。由式(1)可知，由于不同巖性介質介電常數(shù)不同，不同巖性的圍巖電磁波速度不一樣，例如常見巖體中，灰?guī)r波速為0.11m/ns，頁巖波速為0.09m/ns，黏土波速為0.06m/ns，飽和水的砂巖波速為0.06m/ns，干砂巖的波速為0.15m/ns,花崗巖波速為0.13m/ns。

由此可見，不同構造、不同含水率的相同巖性的巖體，電磁波速度差異也很大。一般速度的拾取，首先依靠物探工作人員，依據(jù)觀察隧道掌子面巖性及其構造、成分，根據(jù)常見介質電磁波速度的資料查得探測對象的電磁波速度。對于地質情況復雜的掌子面，其巖性、構造、成分都不是單一的，一般可以采用已知目標體標定結合雙曲線擬合的方法判定介質的速度[5]。

圖2 探地雷達不同的接收波示意圖Fig.2 Schematic diagram of different receiving waves of ground penetrating radar

4 探地雷達在隧道探測中的主要干擾源和避免假異常的作業(yè)方法

4.1 探地雷達接收波的種類

如圖2所示，Tx為發(fā)射機，Rx為接收機。探地雷達接收的波主要種類為：①空氣直達波；②沿空氣界面?zhèn)鞑サ闹边_波；③掌子面前方和后方不同界面的反射波；④臨界面折射波；⑤外場電磁波[6]。

在隧道檢測環(huán)境中，探地雷達接收到的信息不僅來自掌子面前方，而且來自掌子面后方、隧道兩側墻干擾物所產(chǎn)生的電磁波，掌子面后方、隧道兩側墻的電磁反射波在雷達圖像中作為一種假異常，給資料處理、解釋帶來困難。

圖3 天線耦合效應干擾剖面圖Fig.3 GPR image interfered by antenna coupling effect

4.2 探地雷達天線耦合效應

探地雷達在隧道超前地質預報中，工作面是隧道開挖掌子面，采用點測方式布置測線，探地雷達天線是在隧道掌子面沿測線平行移動，但是當掌子面凹凸不平的時候，當天線移動到掌子面較寬的凹處時，天線不能與掌子面有效耦合，以最大能量入射電磁波，會出現(xiàn)散射現(xiàn)象或者假異常，可能會掩蓋有效波[7-8](見圖3)。耦合效應引起的干擾波有振幅強、頻率低的特征，在雷達圖像上，沿垂向時間剖面延續(xù)長、沿橫向測距剖面延續(xù)短，呈現(xiàn)出多條連續(xù)、整齊的呈矩形分布的同相軸。

圖4 隧道掌子面后方金屬物的干擾剖面圖Fig.4 GPR image interfered by metal behind tunnel working face

4.3 隧道中金屬物的干擾

電磁波在金屬物表

面會產(chǎn)生全反射[9]，反射波能量強，電磁波中心頻率不會降低。在探地雷達剖面上反映波形振幅變強，同相軸連續(xù)性好(見圖4)。由于電磁波能量變強，反射波會在金屬物和接收天線之間發(fā)生多次反射，在時間剖面上表現(xiàn)為強振幅、相似的連續(xù)性好的同相軸垂向延續(xù)時間長。這些強反射覆蓋了真實地質體的波形，造成嚴重的干擾。

4.4 雷達測試過程中消除假異常的作業(yè)方法

探地雷達天線沿掌子面布置測線移動時，應當根據(jù)掌子面巖石的凹凸情況改變天線位置和放置方向，探地雷達工作時，天線盡量緊貼掌子面，使天線與掌子面耦合最佳，盡量消除由于耦合效應造成的干擾。

在探地雷達探測作業(yè)之前，應和施工現(xiàn)場技術員溝通，提前清除掌子面測線附近的金屬物；當不能清除或避開時應在現(xiàn)場記錄中注明，并標出位置，以便后期資料解釋過程中準確識別出假異常，避免造成誤判。另外，應該引起注意的是，探地雷達的探測存在一個有效范圍。由于這個有效范圍的底部橢圓像一個腳印，因為又被稱為“足印”，也就是說雷達波反射有一定張角，因此有時在隧道兩側墻1～2m外的地質情況也會有所反映，并且一般在剖面圖測線的兩端會有繞射波干擾形成，在資料解釋時應該引起注意。

掌子面表面如果裂隙水發(fā)育，有裂隙水滲出，導致天線的發(fā)射機、接收機或者儀器主機進水，也會影響測試工作。在測試工作進行之前，跟現(xiàn)場技術人員溝通好，在掌子面采取排防水措施，再進行測試作業(yè)。

5 典型地質災害體的探地雷達圖像特征

在水利、公路、鐵路等隧道施工中常見的不良地質情況有：斷層破碎帶、溶洞、節(jié)理裂隙密集發(fā)育的強風化破碎帶、涌水、突泥等。結合隧道施工實際情況，本文展示了利用Sensor&Software公司生產(chǎn)的EKKO型探地雷達探測的幾種典型不良地質體的雷達剖面圖，并對其作出解釋，與實際開挖揭示情況對比驗證。

5.1 巖溶隧道中溶洞發(fā)育區(qū)域典型雷達波形特征

巖溶(喀斯特)地貌在中國分布廣泛，許多在建隧道都要穿過巖溶區(qū)。在隧道掘進過程中，隧道開挖改變了巖溶區(qū)的水文地質條件，在特殊的地質構造條件下，可能造成重大涌水、突泥事故，給隧道施工帶來重大損失。在隧道施工中，巖溶地質災害的種類有巖溶突水、突泥、塌方、隧道變形、地表塌陷。

以GS隧道勘察和地面地質調查為例，GS隧道起止樁號為K0+000—K1+421.144。巖性為奧陶系下統(tǒng)紅花園組(O1h)灰色、深灰色中厚-厚層生物碎屑灰?guī)r，弱-新鮮巖體，巖層緩傾右岸偏上游，傾角6°～10°。其中，預報洞段K0+130—K0+210段為微風化巖體，裂隙與層面組合在頂拱易形成不穩(wěn)定塊體，局部穩(wěn)定性差，為Ⅲ類圍巖。

圖5 掌子面前方有充填泥質的溶洞發(fā)育雷達剖面圖Fig.5 GPR image with karst cave filled with mud ahead of working face

探測結果見圖5。在深度2～6m(K0+136—K0+140)、水平位置0～6m處，有一條斜向延伸的能量較強的電磁波反射條帶；在深度為3.5～5m(K0+137.5—K0+139)、水平位置0～4m處，有3條彎曲呈弧形的電磁波反射條帶，并且弧形內有多次細小波形發(fā)育。結合地勘資料，推斷該范圍有溶洞發(fā)育，溶腔內可能有泥質充填或者孤石體發(fā)育。

圖6 探地雷達頻率特征Fig.6 Frequency characte-ristics of GPR

第4道數(shù)據(jù)的頻譜圖見圖6。其頻譜特征為振幅能量主要集中在3個頻率上，頻率較低，其值固定在200～300MHz范圍內。

實際開挖揭示，樁號K0+136—K0+141，掌子面從左至右0～6m范圍內，溶洞發(fā)育，且溶洞內有泥質、孤石夾雜其中(見圖7),與預報結果較一致。

圖7 開挖揭示的充填泥質、夾雜孤石的溶洞

5.2 斷層裂隙水發(fā)育區(qū)域典型雷達波形特征

斷層是隧道開挖施工期間導致災害發(fā)生的主要因素之一。由于斷層地段巖體破碎松散、自穩(wěn)能量差，破碎帶裂隙可能為地下水聚集、流通通道。在隧道開挖后的地質環(huán)境中，以上這些地質因素會很快發(fā)生變化，引發(fā)隧道施工地質災害。

以LQP隧道勘察和地面地質調查為例，LQP隧道坡表為第四系殘坡積粉質黏土夾碎礫石；坡腳溝谷內分布洪坡積塊石土，潮濕。下伏Pt1z云母石英片巖，局部夾黑云斜長片麻巖，灰黑、黃褐色夾灰褐色，全-強風化，巖體破碎；下為弱風化，為硬質巖，局部夾云母片巖，巖質較軟。巖層主要片理產(chǎn)狀：198°∠61°，節(jié)理發(fā)育，巖體多較破碎，局部節(jié)理密集發(fā)育地段巖體破碎。

圖8 掌子面前方為斷層裂隙水發(fā)育的雷達剖面圖Fig.8 GPR image of fault filled with fissure water ahead of working face

探測結果見圖8。深度8～12 m(H3DK0+233—H3DK0+228)、水平位置0～3.6 m處，有2條寬約0.5 m的斜向發(fā)育的同相軸，頻率變低。同相軸可連續(xù)追蹤，周圍波形較雜亂。結合隧道工程地質資料，推斷該區(qū)域內可能發(fā)育與掌子面走向斜交的斷層裂隙水區(qū)域，該范圍內巖體較破碎，裂隙水較發(fā)育。

實際開挖揭示出H3DK0+233—H3DK0+228范圍內發(fā)育與隧道走向斜交的小斷層破碎區(qū)域，并且有裂隙水滲出(見圖9),與預報結果較為相符。

圖9 開挖揭示的斷層裂隙水發(fā)育區(qū)域

圖10 掌子面前方為含泥區(qū)域的雷達剖面圖Fig.10 GPR image of mud filling zone ahead of working face

5.3 隧道淺埋段中軟弱夾層的典型雷達波形特征

在隧道淺埋段，由于巖石風化作用強烈，表現(xiàn)為強-全風化，通常表層覆蓋物為粉質黏土;粉質黏土為軟弱巖體，表現(xiàn)為抗壓強度小、遇水膨脹、易風化等特點。隧道施工開挖過程中，掘進到淺埋段，地表有農田，掌子面前方圍巖有斷裂通道，遇到雨水天氣經(jīng)過地表滲水，黏土物質通過雨水沖刷，會發(fā)生突泥等危險事故，它對隧道施工影響大。

以SYT隧道勘察和地面地質調查為例，SYT隧道表層為粉質黏土，褐黃色，硬塑，厚0.5～1 m；下伏基巖為砂巖，全風化，紫紅色，呈砂土狀，厚5～20 m；其下為強風化，巖體破碎，呈塊狀-碎塊狀，厚3～20 m；其下為弱風化，DK36+980—DK37+010段為節(jié)理密集帶，施工時應注意支擋、頂板加固措施。

探測結果見圖10 。在深度19～21 m(DK36+509—DK36+511)、水平位置1～4 m處，有1條寬約為3 m的同相軸，同相軸彎曲呈弧形，頻率變低、振幅較大。結合隧道工程地質勘察資料，該區(qū)域巖性為砂巖，且從掌子面前方15 m(DK36+505)開始進入淺埋段，最淺埋深3 m，地表為農田。推斷該區(qū)域范圍內可能為含泥或含

水發(fā)育區(qū)域，圖10中紅色虛線為含泥區(qū)域頂界面，由于軟弱巖體對電磁波能量的吸收作用較強，導致含泥區(qū)域的底界面不明顯。圖10中，其余的 “正常信號”同相軸連續(xù)性差，波形雜亂，沒有推斷含泥頂界面的同相軸彎曲弧度大、振幅沒有含泥區(qū)域強，且未進入淺埋段，資料解釋劃歸為巖體破碎區(qū)域，與實際開挖揭示結果一致。

實際開挖揭示情況：DK36+509—DK36+511范圍內，掌子面左邊墻拱腰至拱頂處發(fā)生突泥事故(見圖11),與預報結果完全一致。

圖11 開挖揭示的隧道淺埋段的突泥情況Fig．11 Mudburstatshallowburiedsectionoftunnelrevealedbyexcavation

6 結論與建議

(1) 探地雷達在施工現(xiàn)場采集過程中，由于施工現(xiàn)場環(huán)境復雜，會受到金屬物、天線耦合效應等電磁干擾的影響，嚴重時會導致干擾波形完全壓制有效波形，這種假異常會對后期成果解釋造成困擾，嚴重時甚至造成誤判、漏判。筆者列舉不同典型的干擾剖面圖，結合多年實際工作經(jīng)驗，建議物探工作者要提前與現(xiàn)場施工相關技術人員溝通，在現(xiàn)場采集作業(yè)時，盡量提供平整、整潔、干燥的掌子面，確保測線布置良好,確保掌子面后方無大型金屬施工機具(挖機、臺車、鉆機等)，避免金屬物造成的電磁干擾。

(2) 探地雷達處理解釋過程中，對原始數(shù)據(jù)的偏移、濾波、時深轉換是處理的關鍵步驟。對于大部分噪音干擾可以通過偏移、濾波處理，使得真實不良地質體歸位、提高數(shù)據(jù)信噪比。在對不同圍巖巖性的隧道的預報過程中，不要盲目、慣性地參考常見介質的電磁波速度，針對巖性較復雜的地質體，建議通過采用標定已知目標體深度結合雙曲線擬合的方法獲取介質的電磁波速度，以拾取準確的巖體電磁波速度，避免時深轉換后造成的深度誤差。

(3) 多個隧道工程中成功預報典型不良地質體的實例，證明在隧道施工超前地質預報中，探地雷達能快速、準確地識別掌子面前方短距離范圍內的如溶洞、斷層裂隙水、軟弱夾層(含泥區(qū)域、含水體)等不良地質體，并且能夠掌握不良地質體的類型、位置、構造走向等空間分布特征。通過分析、總結典型不良地質體的雷達圖像的特征，有助于為物探工作者對復雜地質體進行更精確地解釋提供參考，確保隧道施工安全。

[1] 葉 英. 隧道施工超前地質預報[M].北京：人民交通出版社,2011.

[2] 代高飛,夏才初,毛海河. 地質雷達在隧道超前預報中的應用[J]. 西部探礦工程,2004,16(9):116-118.

[3] 蘇會鋒,趙玉成,溫進芳. 探地雷達在武隆隧道巖溶、暗河探測中的應用[J]. 石家莊鐵道學院學報,2005,18(1):54-57.

[4] 李大心.探地雷達方法與應用[M].北京:地質出版社,1994.

[5] 蘇智光,廖建軍,錢東宏.探地雷達野外勘察數(shù)據(jù)干擾及其濾除方法[J].物探與化探,2011,35(3):427-430.

[6] 蘭樟松,張虎生,張炎孫,等.淺談地質雷達在工程勘察中的干擾因素及圖像特征[J].物探與化探,2000,24(5):387-390.

[7] 鐘世航,李術才,王 榮.探地雷達在隧道地質預報探水中的幾個問題[C]∥中國地球物理學會.中國地球物理學會第23屆年會論文集.山東青島：中國海洋大學出版社,2007:284-285.

[8] 周黎明，劉江平，劉天佑，等.復雜隧洞地質缺陷超前探測的綜合物探方法[J].長江科學院院報，2008,25(5):195-198.

[9] 趙憲堂,萬國普.地質雷達圖像中地面干擾的識別與去除[J].水文地質工程地質,2001,28(6):57-59.

(編輯：占學軍)

Common Interferences of Ground Penetrating Radar and AdvancedPrediction of Bad Geological Bodies in Tunnel Engineering

YUE Quan-gui1,ZHANG Yang2,XIAO Guo-qiang2,ZHOU Li-ming2

(1. Wuhan China Communications Geotechnical Engineering Co.,Ltd., CCCC Second Highway Consultant Co., Ltd.,Wuhan 430056,China;2.Key Laboratory of Geotechnical Mechanics and Engineering of the Ministry of Water Resources, Yangtze River Scientific Research Institute,Wuhan 430010,China)

In order to apply ground penetrating radar(GPR) to accurate advanced geological prediction in tunnel engineering, we discussed the causes of common interferences and their influences on data interpretation, and

determined the reflected interference information in profile of GPR image. Then, we gave examples of the antenna coupling and metal interferences and put forward precautions to avoid interference in the process of collecting GPR data. On the basis of three examples, we introduced the prediction of bad geological bodies such as karst cave, fault fissure water, and weak interlayer. Through analyzing typical characteristics of waveform, frequency and amplitude of the profile, we predicted the type of bad geological body as well as the spatial distribution characteristics like location and structure strike ahead of the working face of the tunnel. The prediction results are basically consistent with the distribution of bad geological bodies revealed by excavation, which proves that GPR is feasible and effective in the prediction of common bad geological bodies. By summarizing and analyzing the common radar interference images and the profiles of GPR images of typical geological bodies, we can provide references of interpreting complex geological bodies more precisely for geophysical workers and ensure the safety of tunnel construction.

advanced tunnel geological prediction；ground penetrating radar (GPR)；interference factor ；typical bad geological body；interfered radar image features

2017-01-04；

2017-03-14

岳全貴(1964-)，男，河南濮陽人，高級工程師，主要從事公路勘察設計工作和巖土工程研究，(電話)13507192110(電子信箱)329853065@qq.com。

張 楊(1991-),男，湖北荊州人，助理工程師，碩士，主要從事工程物探和巖石力學理論與應用研究,(電話)18271397203(電子信箱)297380421@qq.com。

10.11988/ckyyb.20170022

2017,34(8):36-40，63

P631

A

1001-5485(2017)08-0036-05