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陈剑飞1 梁 栋2（1.长江工程地球物理勘测武汉有限公司,湖北 武汉 430010；2.贵州省交通科学研究院有限责任公司,贵州 贵阳 550008）
摘 要：岩溶隧道因地质情况复杂多变,易出现突泥、涌水等突发性灾害,因此超前地质预报是其不可或缺的辅助手段.文章介绍了探地雷达的原理、数据处理流程及注意事项,并结合工作实例讨论了探地雷达超前地质预报的各项具体工作及注意事项,对从事隧道超前地质预报的技术人员有一定借鉴作用.
关键词：超前地质预报；探地雷达；岩溶隧道；数据解释
中图分类号：U452 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）31-0043-02
隧道超前地质预报是利用钻探以及各种现代物探等手段,探测隧道开挖面前方的地质情况,力图在施工前掌握前方的岩土体结构、性质、状态以及地下水、瓦斯等的赋存情况、地应力情况等地质信息,为进一步的施工提供指导,以避免施工及运营过程中发生涌水、瓦斯突出、岩爆、大变形等等地质灾害,保证施工的安全和顺利进行.特别是岩溶发育地区的山岭隧道,因为隧道前方岩溶分布情况,极大地影响到施工安全和施工进度,所以超前地质预报的地位更为显著,在探明前方地质概况后,可以事先做好相应施工准备,避免岩溶酿灾,同时还能确保经济、快速施工.
1. 探地雷达原理简介
探地雷达是地球物理探测手段的一种,其地球物理前提是待测目标的物理性质和周边介质存在差异,这里所说的物理性质主要是介质的介电性质,探地雷达的工作原理可以表述为：主机控制发射天线向目标体发射电磁波,电磁波在目标介质中传播,当遇到电性分界面的时候,电磁波被反射回来,地质雷达接收天线接收反射回来的电磁波,并传回主机记录.主机记录到的电磁波在能量、波形、波相、传播时间等都会根据介质的物理性质的不同而变化,通过识别这些变化就能推测出介质中的界面位置、形态等信息.原理图如图1所示.在隧道短距离超前地质预报中,探地雷达具有分辨率高、操作简单、检测时间短、对正常施工影响小、具备实时数据处理功能等优势,因而深得人心.
2. 探地雷达数据处理步骤
探地雷达原始数据的好坏直接影响后期处理乃至地质解释等环节,因此,清晰、真实、高信噪比的原始数据是一切解释工作的前提.为此,在测量过程中需要严格做到如下三点：（1）对可能对探测带来干扰的干扰源进行处理,如台车、交流电线等,不能进行处理的要详细记录其所处的位置及形态等,以便在探测结果中能正确识别；（2）雷达天线要与掌子面围岩密切贴合,采用连续测量时,天线移动速度要尽可能均匀,并在掌子面及数据体中对应打标记.若掌子面平整度差,需采用点测,则要注意天线每次移动的距离不应过大,以保证横向采样能充分覆盖探测目标；（3）测试结束后要回放数据,对数据进行预判,对于存在疑虑的异常点,可重复测量,验证一致性,同时判断是否是现场干扰.
得到原始记录后,通常并不能直接进行解释,为了解释成果的尽可能准确,需要对原始数据作一系列处理,以达到去伪存真,提高数据信噪比的目的,常规处理过程如下：（1）信息挑选,测量中并非所有采集到的数据都能被有效利用,如测量开始前及测量结束后被意外采集的空白数据、天线被架空时的纵向干扰带、在同一位置重复的采集数据等都需要去除,否则会给后续处理带来影响；（2）确定地面反射时间,其目的是为了准确确定反射目标的深度位置；（3）确定增益参数,适当的增益可以使反射目标更加清晰,易于辨别,但需要特别注意到：增益过大或使用不当可能给原始数据带来各种假象或异常体局部特征被放大,不利于整体目标的识别；（4）压制各种背景数据及干扰,这一过程通常通过滤波来实现,从而提高原始数据的信噪比,达到突出异常反射的目的；（5）偏移处理,由于发射天线和接收天线之间存在距离,因此电磁波在探测目标中的孤立异常体周围会发射绕射,对孤立异常体形态的识别带来干扰,偏移能让绕射波归位,让孤立异常体形态变得清晰可循,有利于对目标体的识别；（6）深度转换,野外获取的探地雷达数据是电磁波随时间变化在目标体中的传播展示,而后期解释需要的是异常目标体的具体深度位置,因此,准确的深度转换是非常重要的,这涉及到准确提取探测目标体速度的问题.
超前地质预报:20120730绵阳地质灾害天气预报
上面仅简单列举了地质雷达超前地质预报数据的常规处理过程,根据原始数据品质的不同以及实际需要的差异,通常还有增加里程标识及高程信息、静校正、数据测量方向反转、反褶积等处理手段.
3. 探地雷达超前地质预报实例
3.1 预报工作面地质概况
拟预报段落隧道围岩为灰岩,根据前段施工经历,该隧道岩溶十分发育,掌子面整体较完好,基本平整,细微节理发育,延伸短,掌子面略显潮湿,但未见明显出水.现场测试采用100MHz屏蔽天线,相对介电常数设置为7,测量时窗为350ns,采用点测方式测量,测线布置于掌子面中下部,如图2所示,测点间距控制在10～15厘米每点,测线长度约10米.
3.2 掌子面前方地质解释
图3所示为预报结果,其中左图为灰阶谱图,其特点是反射波同相轴连贯（若存在）,有利于识别异常体形态,适合追踪界面以及勾勒异常体轮廓；右图为波形图（又称Wiggle图）,波形清楚地展示了反射波的波形、波相以及能量的变化情况,有利于推测反射目标体的物理性质.
结合图3左侧灰阶谱图可以看出深度2.5～6米、横向2～5.5米范围内电磁反射回波能量异常增强,呈团状反射,上部包络依稀呈双曲线状,后续多次反射波发育；从图3右侧Wiggle图对应位置可以看到反射波多以较“锋锐”的中高频为主,偏“胖”的低频回波发育较少；基于以上认识,推测对应位置为小型空洞.在图3中下部位置,有斜向右上角发育的强反射同相轴,连贯性好,具界面特征,其频率中等,推测为裂隙或破碎夹层,少量掺泥.整个探测范围内,电磁回波频率都集中在中高频段,推测前方围岩受地下水影响相对较小.
3.3 开挖验证
为积累原始资料同时提高解释人员水平,超前预报后技术人员对开挖情况进行了跟踪.在开挖至前方2米时,掌子面左侧掘遇溶洞,形态与预报结果相当,但规模小于预报结果,纵横向尺寸约为2×2米,底部填少量泥质,微微润湿-干燥状；9～13米段落间陆续发现破碎夹层,厚度约20厘米,充填岩屑及少量泥质,微微润湿-干燥状.在预报范围内掘进中发现地下水影响较小.
4. 结语
探地雷达是隧道超前地质预报中准确有效、方便快捷的探测手段之一,但由于地下介质的复杂性,对探测结果进行准确的解释还需要解释人员注重经验积累：
（1）探测结果中异常体的尺寸以及位置是值得反复推敲的问题,应绕射现象的存在,异常体规模通常小于探测结果中规模,这在本次探测中是有体现的；另外,关于异常体的精确埋深,通常也不宜准确获取,因为现场测试中,围岩相对介电常数值通常不是一成不变的,也不易精确获取,数据解释中应予以注意.
（2）隧道超前地质预报应作为隧道建设必不可少的一环来做,从而降低施工的盲目性,提高高全系数；同时,也能从某种意义上加快施工进度,节约论文范文.
（3）物探手段因探测目标的不可见及复杂性而广泛存在多解现象,这一特点是不可以消除的,只能通过多种手段从不同角度去修正探测结果,提高准确率.如隧道超前地质预报通常辅以一定数目的超前钻孔或加深炮孔来对预报结果进行修正,同时,注意积累工程经验也是提高预报成功率的必经之路.
总结：本论文可用于地质预报论文范文参考下载，地质预报相关论文写作参考研究。
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