地质雷达在隧道超前地质预报中的研究与应用

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1、２０１６年第３期（总第１８０期）江西建材交通工程地质雷达在隧道超前地质预报中的研究与应用１２■牟友兵，王智文■１．四川公路桥梁建设集团有限公司，四川成都６１００４１；２．深圳高速工程顾问有限公司，广东深圳５１８０４０摘要：在隧道工程施工过程当中，对隧道掌子面前方不良地质情况的掌握除了前期地质勘探提供的资料外，目前最重要的手段是超前地质预报。地质雷达以其独特的优越性，越来越普遍应用于隧道超前地质预报中。本文阐述了地质雷达的工作原理，及其在南溪隧道超前地质预报中的应用，并对其波形影响因素和用Ｒｅｆｌｅｘｗ２Ｄ软件处理后的波形对应的地质特征进行详细论述。关键词：地质雷达电磁波Ｒｅｆｌｅｘｗ２Ｄ超前

2、地质预报图１ＧＰＲ工作原理示意图１前言Ｆｉｇ．１ＳｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆＧＰＲ由于我国交通建设事业的迅猛发展，隧道技术得到了广泛使用。隧道是建筑在地下的隐蔽工程，地下地质条件复杂，有许多潜在的、无法预知的地质因素，因此精确的预知前方的地质情况，为选择正确的开挖方式，避免和减少工程事故的发生和提高隧道掘进速度，提供了极大的指导和帮助。地质雷达（ＧＰＲ）是一种不影响施工的超前跟踪探测技术，它对溶洞、断层、地下暗河、破碎带和瓦斯等不良地质条件有较好的探测结果，本文介绍了地质雷达隧道超前地质预报的设备工作原理及其探测方法。通过在宜宾某公路隧道工程中的应用实践展开探讨与研究，为以后类似的工

3、程的开展提供参考。图２电磁波在介质中传播示意图２预报原理Ｆｉｇ．２Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｗａｖｅｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎｉｎｔｈｅｍｅｄｉｕｍ电磁波是磁场与交变电场相互激发在空间传播的波动，地质雷达式中：ｒ—界面电磁波电场反射系数；ε１—第一层介质的相对介电是一种用于确定介质分布状况的高频电磁技术。工程介质中电磁波的常数；ε２—第二层介质的相对介电常数。传播满足麦克斯韦方程。岩土做为常见的工程介质，电磁波在其传播采集到的波形图像经后期软件处理，能够得到较为清晰的波形异的麦克斯韦方程为：常图，然后结合各反射波的波幅与频率特征，从而了解隧道掌子面前方(×

4、Ｅ＝－μＨｔ介质的分布情况。(×Ｈ＝εＥｔ’＋σＥ（１）２．２雷达反射波的影响因素(·Ｅ＝０在工程介质中雷达反射脉冲信号的强度，与界面的反射系数和穿通常介质的磁导率μ、介电常数ε都是电磁波频率的函数。其中透介质的波吸收程度有关，垂直界面入射的反射系数Ｒ的模值和幅角Ｅ为电场强度矢量，Ｈ为磁场强度矢量，σ为介质的电导率。由［１］知的关系式，由［１］知：满足上述麦克斯韦方程的、沿Ｘ方向传播的频率为ω的平面电磁波，２２２２２２｜Ｒ｜＝槡（ａ－ｂ）＋（２ａｂｓｉｎφ）／（ａ＋ｂ＋２ａｂｃｏｓφ）其电场强度与磁场强度的表达式为：－１－１Ｅ（ｘ，ｔ）＝Ｅｏｅ－αｘ＋ｉ（βｘ－ωｔ）（２）ＡｒｇＲ＝φ＝ｔａ

5、ｎ（σ２／ωε２）－ｔａｎ（σ１／ωε１）（６）－αｘ＋ｉ（βｘ－ωｔ）２Ｈ（ｘ，ｔ）＝Ｈｏｅ（３）式中，α＝μ２／μ１，ｂ＝槡μ２ε２槡１＋（σ２／ωε２）／电磁波是横波，电场强度Ｅ、磁场强度Ｈ和波矢量Ｋ三者互相垂２槡μ１ε１槡１＋（σ１／ωε１），μ和ε、σ分别为介质的导磁系数、相对介电直，组成右手螺旋关系。描述电磁波传播特性的波矢量ｋ为复数：ｋ＝常数和电导率。在本式中角标１和２分别代表入射介质和透射介质。β＋ｉα，β描述波传播的相位，称为相位常数；α描述波幅的衰减，称为由关系式可以看出，反射系数与界面两边介质的电磁性质和频率ω（＝衰减系数，它们是介质本身的性质。２πｆ）有关。很明显，电

6、磁参数差别大者，反射系数亦大，反射波的能量２．１电磁波在工程介质中的传播过程也大。对于斜入射情况，反射系数将因波极化性质而变，反射系数还与在隧道工程中，地质雷达利用高频电磁波通过天线Ｔ送入进深方入射角大小有关。介质的含水量一般会对σ、ε值有所影响，含水多者向，经目的体反射后返回表面，被另一天线Ｒ所接收（图１）。电磁波行σ、ε值变大，相应地，反射系数也会不同。假设介质介电常数和电导率程需时：均为实数，由［１］知：２２ｔ＝槡４ｚ＋ｘ／Ｖ（４）２１／２１／２α＝ω槡ωε｛［１＋（σｅ／με）］／２－１｝（７）当工程介质中的波速ｖ为已知时，可根据测到的精确的ｔ值，因此当σｅ／ωε＜＜１，即电导率σｅ

7、很小时，可求出反射体的深度。式中ｘ值在隧道掌子面探测中是固定的，ｖ也１／２α≈σｅ［（μ／ε）］／２（８）可以根据ｖ≈ｃ／槡ε近似算出（当介质的导电率很低时），其中ｃ为光速，衰减系数与σ成正比，与ε１／２成反比；当σ／ωε＞＞１，即电导率ｅｅε为地下介质的相对介电常数值。σｅ很大时，高频电磁波在工程介质传播过程中，当遇到相对介电常数明显变１／２α≈（σｅωμ／２）（９）化的地质现象时，如断层、破碎带、含水层和