摘要：隨著交通和能源建設(shè)的投資力度的加大株依，近年來叉存，每年修建的公路和鐵路隧道達(dá)數(shù)百公里阎曹，還有大量的水工隧洞和大型地下廠房及其它大型地下工程在修建雕拼。地下工程是施工高風(fēng)險(xiǎn)的工程纵东，施工中充滿了未知數(shù)，許多已知的啥寇、不清楚的偎球、未知的地質(zhì)災(zāi)害源在等待工程建設(shè)者們。近幾年辑甜，一些正在施工的隧道衰絮，特別是長(zhǎng)大鐵路隧道，施工時(shí)穿過老窯磷醋、軟弱破碎帶猫牡、巖溶區(qū)，或者煤與瓦斯突出的危險(xiǎn)區(qū)域邓线，若事先未能探查清楚往往造成塌方淌友、涌水或煤與瓦斯突出等事故，影響安全生產(chǎn)骇陈。在地面工程地質(zhì)勘探中震庭，要求實(shí)施大面積、高密度精查勘探缩歪，這就對(duì)地質(zhì)探測(cè)手段提出了高的要求归薛。實(shí)踐證明，應(yīng)用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行探測(cè)匪蝙，簡(jiǎn)便快捷主籍，機(jī)動(dòng)靈活，能較好而準(zhǔn)確地提供資料逛球，取得較好效果千元。實(shí)際工程應(yīng)用過程中，復(fù)雜的巖溶通過地質(zhì)雷達(dá)預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性受到相關(guān)單位歡迎颤绕，值得研究及推廣幸海。
關(guān)鍵詞：地質(zhì)雷達(dá)；鐵路隧道奥务；超前預(yù)報(bào)物独；
1.地質(zhì)雷達(dá)基本原理
地質(zhì)雷達(dá)（Ground
Penetrating Radar簡(jiǎn)稱GPR）是一種高科技的地球物理探測(cè)儀器，目前已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于高速公路氯葬，機(jī)場(chǎng)的路面質(zhì)量檢測(cè)挡篓；隧道，橋梁，水庫(kù)大壩檢測(cè)官研；地下管線秽澳，地下建筑的檢測(cè)等諸多的工程領(lǐng)域。
地質(zhì)雷達(dá)由發(fā)射部分和接收部分組成戏羽，利用一個(gè)天線發(fā)射高頻寬頻帶電磁波担神，另一個(gè)天線接受來自地下介質(zhì)界面的反射波。發(fā)射部分由產(chǎn)生高頻脈沖波的發(fā)射機(jī)和向外輻射電磁波的天線(Tx)組成始花。通過發(fā)射天線電磁波以60°～90°的波束角向地下發(fā)射電磁波妄讯，電磁波在傳播途中遇到電性分界面產(chǎn)生反射。反射波被設(shè)置在某一固定位置的接收天線（Rx）接收衙荐，與此同時(shí)接收天線還接收到沿巖層表層傳播的直達(dá)波捞挥，反射波和直達(dá)波同時(shí)被接收機(jī)記錄或在終端將兩種顯示出來。電磁波在介質(zhì)中傳播時(shí)忧吟，其路徑、電磁場(chǎng)強(qiáng)度與波形將隨所通過介質(zhì)的電性質(zhì)及幾何形態(tài)而變化斩披。因此溜族，根據(jù)接收到波的旅行時(shí)間（亦稱雙程走時(shí)）、幅度與波形資料垦沉，可推斷地下介質(zhì)的分布情況煌抒。
下圖1是地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)原理及工作方法。
2.數(shù)據(jù)采集及現(xiàn)場(chǎng)工作
在隧道超前預(yù)報(bào)探測(cè)中厕倍，根據(jù)圍巖和掌子面巖石構(gòu)造和巖性分析寡壮，來布置測(cè)網(wǎng)測(cè)線。
灰?guī)r地區(qū)開挖隧道讹弯，由于灰?guī)r地區(qū)巖溶非常發(fā)育况既，溶洞發(fā)育不規(guī)則，而且其尺寸和地下賦存狀態(tài)非常復(fù)雜组民，通常含有地下水棒仍，或者跟地下暗河連通，有時(shí)處于大山底部屬于承壓地下水臭胜，一旦承壓水從隧道掌子面涌出將非常危險(xiǎn)莫其。鑒于此就需要對(duì)掌子面前方的溶洞進(jìn)行精細(xì)探測(cè)，因此在巖溶發(fā)育地區(qū)尤其是地下水豐富的隧道內(nèi)耸三，需要在掌子面布置井字型測(cè)線乱陡，構(gòu)成密集的測(cè)網(wǎng)。
隧道開挖通常是采用全斷面開挖技術(shù)或者階梯狀開挖技術(shù)仪壮。對(duì)于全斷面開挖憨颠，可以利用100兆天線在隧道掌子面上多測(cè)幾條測(cè)線；對(duì)于階梯狀開挖睛驳，利用100兆天線在隧道掌子面的特定部位有針對(duì)性的進(jìn)行探測(cè)和預(yù)報(bào)烙心。
目前地質(zhì)雷達(dá)系統(tǒng)多數(shù)天線多設(shè)計(jì)為貼地耦合式膜廊，建議天線盡量緊貼被測(cè)物體的表面，接觸約好探測(cè)效果約理想淫茵，一般建議離開地面的距離控制在1/4波長(zhǎng)以內(nèi)爪瓜，100兆天線建議距離被測(cè)物體表面的距離控制在10厘米以內(nèi)，天線最好能夠緊貼其表面匙瘪。
地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)有3種觸發(fā)方式铆铆，分別為時(shí)間方式連續(xù)測(cè)量、手動(dòng)點(diǎn)測(cè)方式丹喻、測(cè)量輪觸發(fā)距離測(cè)量方式薄货。鑒于隧道開挖掌子面通常凹凸不平整，天線不方便在掌子面上快速移動(dòng)碍论，因此建議采用點(diǎn)測(cè)法進(jìn)行超前探測(cè)谅猾，點(diǎn)距控制在10厘米；在適當(dāng)?shù)牡胤绞謩?dòng)做標(biāo)記鳍悠，如下圖3税娜。在非常平整的掌子面上可以結(jié)合手動(dòng)點(diǎn)測(cè)方式和時(shí)間方式連續(xù)測(cè)量相結(jié)合的來進(jìn)行探測(cè)。
3.資料處理與解釋
地質(zhì)雷達(dá)超前預(yù)報(bào)在掌子面現(xiàn)場(chǎng)采用手動(dòng)觸發(fā)方式點(diǎn)測(cè)取得探測(cè)結(jié)果一般情況下都比較理想藏研，因而在后期室內(nèi)資料處理和解釋就相對(duì)比較簡(jiǎn)單敬矩，一般包括以下幾個(gè)步驟，
資料整理蠢挡、圖像顯示弧岳、資料編輯、增益處理业踏、一維頻率濾波禽炬、高級(jí)濾波、圖像輸出堡称、資料對(duì)比與地質(zhì)解釋瞎抛。
資料整理：對(duì)現(xiàn)場(chǎng)所測(cè)資料進(jìn)行整理，包括測(cè)量測(cè)網(wǎng)資料整理却紧，野外記錄表格的電子化錄入工作桐臊，工作照片整理，備份野外探測(cè)數(shù)據(jù)晓殊。
圖像顯示断凶，利用專門的處理軟件打開數(shù)據(jù)，采用線掃描方式巫俺、波形加變面積方式认烁、波形圖等方式顯示測(cè)量數(shù)據(jù)。
資料編輯剔除強(qiáng)烈的干擾信息，把一條測(cè)線上相鄰的幾個(gè)數(shù)據(jù)剖面連接在一起組成長(zhǎng)剖面數(shù)據(jù)文件却嗡。
增益處理舶沛，采取整體增益，對(duì)整個(gè)數(shù)據(jù)剖面的振幅信息進(jìn)行放大窗价，或者采用指數(shù)增益函數(shù)對(duì)某一個(gè)深度區(qū)間的振幅信息進(jìn)行局部放大如庭，便于數(shù)據(jù)顯示。選做撼港。
一維頻率濾波坪它，如果在探測(cè)資料中出現(xiàn)了低頻信號(hào)干擾，請(qǐng)采用頻率濾波方法濾除低頻干擾信號(hào)帝牡。通常情況下不做此處理往毡。
高級(jí)濾波，在探測(cè)資料中如果出現(xiàn)多次波干擾信息靶溜，需要利用反褶積方法消除多次波干擾开瞭，恢復(fù)地下真正的地質(zhì)構(gòu)造剖面。
輸出探測(cè)圖像罩息，并且對(duì)各幅探測(cè)圖像進(jìn)行比較惩阶，尋找差異，同時(shí)結(jié)合地質(zhì)資料扣汪，進(jìn)行地質(zhì)推斷和資料解釋工作。給出地質(zhì)剖面圖锨匆。也需要結(jié)合各里程樁號(hào)地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)剖面信息崭别，組成一幅隧道剖面圖。
4.應(yīng)用實(shí)例
本文實(shí)例采用美國(guó)勞雷公司SIR-20型地質(zhì)雷達(dá)恐锣，以100MHZ為天線主頻對(duì)某復(fù)雜巖溶且長(zhǎng)大的鐵路隧道地質(zhì)進(jìn)行超前預(yù)報(bào)茅主。
4.1裂隙發(fā)育的雷達(dá)圖像
圖4中掌子面開挖露出中厚—厚層狀白云巖，泥質(zhì)充填層間土榴，底部巖體比較破碎诀姚，節(jié)理、裂隙發(fā)育較好玷禽，拱頂處巖體保持一定的完整性赫段。水滲入掌子面，巖體濕潤(rùn)程度高矢赁。這些深度探測(cè)為25米糯笙，從圖2看到2至10米的范圍里面，反射波與相軸錯(cuò)斷撩银，雜亂的波形给涕、不連續(xù)的反射界面，局部雷達(dá)波振幅較強(qiáng)可以得出該地方節(jié)理、裂隙發(fā)育够庙，巖體比較破碎恭应，出現(xiàn)泥質(zhì)充填的情況，而且局部的巖體相對(duì)介電常數(shù)變化較大耘眨，濕潤(rùn)程度高昼榛，使反射波振幅變大。現(xiàn)場(chǎng)掌子面出露情況與解釋結(jié)果相吻合毅桃，并在開挖隧道中得到很好的驗(yàn)證褒纲。
圖4雷達(dá)實(shí)測(cè)圖像a
4.2溶洞發(fā)育的雷達(dá)圖像
圖5顯示開挖掌子面后以薄至中厚層狀大冶組灰?guī)r為出露巖層。層間比較平直钥飞，大量粘土填充其中莺掠，巖體濕潤(rùn)、破碎读宙，節(jié)理裂隙發(fā)育彻秆，方解石填充其中。
圖中圈注的地方是4至15米的范圍结闸，顯示雷達(dá)反射波強(qiáng)唇兑，雜亂無章的波形，異常非常明顯桦锄，所以進(jìn)行了多次測(cè)試扎附，重復(fù)性良好。該地段地質(zhì)情況差结耀，大量泥質(zhì)粘土充填掌子面留夜，且處于灰?guī)r地段，容易出現(xiàn)溶蝕图甜，而前方異常區(qū)范圍較大碍粥，通過雷達(dá)反射波圖像及合現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)情況來看，前方可能出現(xiàn)現(xiàn)溶洞黑毅。異常區(qū)波形雜亂無章嚼摩，相對(duì)介電常數(shù)不穩(wěn)定，推斷為填充物不均勻的充填型溶洞矿瘦。所以采用了短進(jìn)尺枕面、強(qiáng)支護(hù)等手段進(jìn)行施工，后期開挖也驗(yàn)證推斷結(jié)果匪凡，使事故的發(fā)生得到了避免膊畴。
4.3判別巖石完整性
圖6顯示測(cè)線掌子面開挖后以中厚層狀白巖層為出露巖層，層與層之間結(jié)合較好病游，方解石脈填充其中唇跨，局部填充物為少量泥質(zhì)稠通，掌子面干燥，節(jié)理买猖、裂隙發(fā)育改橘。
上圖可觀測(cè)到2至9米的范圍內(nèi)，圖像簡(jiǎn)單清晰玉控，無明顯的反射波信號(hào)飞主，而10米后反射信號(hào)明顯，該處信號(hào)減弱很明顯不是強(qiáng)吸收導(dǎo)致的高诺，推斷該處為較完整的干燥巖體碌识，因?yàn)樵摲秶鄬?duì)介電常數(shù)變化不大，電導(dǎo)率小虱而。9米之后出現(xiàn)反射波同軸錯(cuò)斷情況筏餐，波形雜亂無章，認(rèn)為該處巖體破碎牡拇，裂隙較發(fā)育魁瞪，由于沒有在圖像看到明顯的強(qiáng)反射區(qū)，所以認(rèn)為掌子面前方25米的巖體干燥惠呼，不會(huì)出現(xiàn)明顯的含水导俘。這一解釋也在后期開挖中得到印證。
5.結(jié)束語(yǔ)
1）要現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集工作剔蹋，只有準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)才能為后面的分析處理提供依據(jù)旅薄，所以要對(duì)掌子面多次進(jìn)行試驗(yàn)，使參數(shù)的選擇合適泣崩，天線方向準(zhǔn)確放置赋秀，多次重復(fù)測(cè)驗(yàn)異常的區(qū)域，以便形成精準(zhǔn)的雷達(dá)圖像律想。
2）由于隧道開挖掌子面參差不齊，連續(xù)測(cè)量不能保證雷達(dá)緊貼掌子面绍弟，后期圖像成像質(zhì)量差技即，所以最好選擇點(diǎn)測(cè)的辦法，如果一定選用連續(xù)測(cè)量方式就要盡量清平掌子面樟遣。
3）雷達(dá)圖像具有多解性而叼，對(duì)圖像干擾因素要進(jìn)行排除，結(jié)合實(shí)際的地質(zhì)情況進(jìn)行后期解釋豹悬，使預(yù)報(bào)準(zhǔn)確葵陵。很多技術(shù)人員片面地解釋采集到的波形，讓施工單位誤解此技術(shù)不可靠瞻佛，所以一定要提高技術(shù)人員的專業(yè)素質(zhì)脱篙，將前人理論結(jié)合實(shí)際施工情況活學(xué)活用娇钱。同時(shí)利用多種探測(cè)工具、方法對(duì)比驗(yàn)證得到的結(jié)果绊困，提高預(yù)測(cè)前方地質(zhì)文搂、水文情況的準(zhǔn)確性，做好地質(zhì)災(zāi)害預(yù)防工作秤朗，保證工程安全施工煤蹭，提高企業(yè)效益。
參考文獻(xiàn)：
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