摘要：随着交通和能源建设的投资力度的加大，近年来，每年修建的公路和铁路隧道达数百公里，还有大量的水工隧洞和大型地下厂房及其它大型地下工程在修建。地下工程是施工高风险的工程，施工中充满了未知数，许多已知的、不清楚的、未知的地质灾害源在等待工程建设者们。近几年，一些正在施工的隧道，特别是长大铁路隧道，施工时穿过老窑、软弱破碎带、岩溶区，或者煤与瓦斯突出的危险区域，若事先未能探查清楚往往造成塌方、涌水或煤与瓦斯突出等事故，影响安全生产。在地面工程地质勘探中，要求实施大面积、高密度精查勘探，这就对地质探测手段提出了高的要求。实践证明，应用地质雷达进行探测，简便快捷，机动灵活，能较好而准确地提供资料，取得较好效果。实际工程应用过程中，复杂的岩溶通过地质雷达预报的准确性受到相关单位欢迎，值得研究及推广。
关键词：地质雷达；铁路隧道；超前预报；
1.地质雷达基本原理
地质雷达（Ground
Penetrating Radar简称GPR）是一种高科技的地球物理探测仪器，目前已经广泛的应用于高速公路，机场的路面质量检测；隧道，桥梁，水库大坝检测；地下管线，地下建筑的检测等诸多的工程领域。
地质雷达由发射部分和接收部分组成，利用一个天线发射高频宽频带电磁波，另一个天线接受来自地下介质界面的反射波。发射部分由产生高频脉冲波的发射机和向外辐射电磁波的天线(Tx)组成。通过发射天线电磁波以60°～90°的波束角向地下发射电磁波，电磁波在传播途中遇到电性分界面产生反射。反射波被设置在某一固定位置的接收天线（Rx）接收，与此同时接收天线还接收到沿岩层表层传播的直达波，反射波和直达波同时被接收机记录或在终端将两种显示出来。电磁波在介质中传播时，其路径、电磁场强度与波形将随所通过介质的电性质及几何形态而变化。因此，根据接收到波的旅行时间（亦称双程走时）、幅度与波形资料，可推断地下介质的分布情况。
下图1是地质雷达探测原理及工作方法。
2.数据采集及现场工作
在隧道超前预报探测中，根据围岩和掌子面岩石构造和岩性分析，来布置测网测线。
灰岩地区开挖隧道，由于灰岩地区岩溶非常发育，溶洞发育不规则，而且其尺寸和地下赋存状态非常复杂，通常含有地下水，或者跟地下暗河连通，有时处于大山底部属于承压地下水，一旦承压水从隧道掌子面涌出将非常危险。鉴于此就需要对掌子面前方的溶洞进行精细探测，因此在岩溶发育地区尤其是地下水丰富的隧道内，需要在掌子面布置井字型测线，构成密集的测网。
隧道开挖通常是采用全断面开挖技术或者阶梯状开挖技术。对于全断面开挖，可以利用100兆天线在隧道掌子面上多测几条测线；对于阶梯状开挖，利用100兆天线在隧道掌子面的特定部位有针对性的进行探测和预报。
目前地质雷达系统多数天线多设计为贴地耦合式，建议天线尽量紧贴被测物体的表面，接触约好探测效果约理想，一般建议离开地面的距离控制在1/4波长以内，100兆天线建议距离被测物体表面的距离控制在10厘米以内，天线最好能够紧贴其表面。
地质雷达探测系统有3种触发方式，分别为时间方式连续测量、手动点测方式、测量轮触发距离测量方式。鉴于隧道开挖掌子面通常凹凸不平整，天线不方便在掌子面上快速移动，因此建议采用点测法进行超前探测，点距控制在10厘米；在适当的地方手动做标记，如下图3。在非常平整的掌子面上可以结合手动点测方式和时间方式连续测量相结合的来进行探测。
3.资料处理与解释
地质雷达超前预报在掌子面现场采用手动触发方式点测取得探测结果一般情况下都比较理想，因而在后期室内资料处理和解释就相对比较简单，一般包括以下几个步骤，
资料整理、图像显示、资料编辑、增益处理、一维频率滤波、高级滤波、图像输出、资料对比与地质解释。
资料整理：对现场所测资料进行整理，包括测量测网资料整理，野外记录表格的电子化录入工作，工作照片整理，备份野外探测数据。
图像显示，利用专门的处理软件打开数据，采用线扫描方式、波形加变面积方式、波形图等方式显示测量数据。
资料编辑剔除强烈的干扰信息，把一条测线上相邻的几个数据剖面连接在一起组成长剖面数据文件。
增益处理，采取整体增益，对整个数据剖面的振幅信息进行放大，或者采用指数增益函数对某一个深度区间的振幅信息进行局部放大，便于数据显示。选做。
一维频率滤波，如果在探测资料中出现了低频信号干扰，请采用频率滤波方法滤除低频干扰信号。通常情况下不做此处理。
高级滤波，在探测资料中如果出现多次波干扰信息，需要利用反褶积方法消除多次波干扰，恢复地下真正的地质构造剖面。
输出探测图像，并且对各幅探测图像进行比较，寻找差异，同时结合地质资料，进行地质推断和资料解释工作。给出地质剖面图。也需要结合各里程桩号地质雷达探测剖面信息，组成一幅隧道剖面图。
4.应用实例
本文实例采用美国劳雷公司SIR-20型地质雷达，以100MHZ为天线主频对某复杂岩溶且长大的铁路隧道地质进行超前预报。
4.1裂隙发育的雷达图像
图4中掌子面开挖露出中厚—厚层状白云岩，泥质充填层间，底部岩体比较破碎，节理、裂隙发育较好，拱顶处岩体保持一定的完整性。水渗入掌子面，岩体湿润程度高。这些深度探测为25米，从图2看到2至10米的范围里面，反射波与相轴错断，杂乱的波形、不连续的反射界面，局部雷达波振幅较强可以得出该地方节理、裂隙发育，岩体比较破碎，出现泥质充填的情况，而且局部的岩体相对介电常数变化较大，湿润程度高，使反射波振幅变大。现场掌子面出露情况与解释结果相吻合，并在开挖隧道中得到很好的验证。
图4雷达实测图像a
4.2溶洞发育的雷达图像
图5显示开挖掌子面后以薄至中厚层状大冶组灰岩为出露岩层。层间比较平直，大量粘土填充其中，岩体湿润、破碎，节理裂隙发育，方解石填充其中。
图中圈注的地方是4至15米的范围，显示雷达反射波强，杂乱无章的波形，异常非常明显，所以进行了多次测试，重复性良好。该地段地质情况差，大量泥质粘土充填掌子面，且处于灰岩地段，容易出现溶蚀，而前方异常区范围较大，通过雷达反射波图像及合现场地质情况来看，前方可能出现现溶洞。异常区波形杂乱无章，相对介电常数不稳定，推断为填充物不均匀的充填型溶洞。所以采用了短进尺、强支护等手段进行施工，后期开挖也验证推断结果，使事故的发生得到了避免。
4.3判别岩石完整性
图6显示测线掌子面开挖后以中厚层状白岩层为出露岩层，层与层之间结合较好，方解石脉填充其中，局部填充物为少量泥质，掌子面干燥，节理、裂隙发育。
上图可观测到2至9米的范围内，图像简单清晰，无明显的反射波信号，而10米后反射信号明显，该处信号减弱很明显不是强吸收导致的，推断该处为较完整的干燥岩体，因为该范围相对介电常数变化不大，电导率小。9米之后出现反射波同轴错断情况，波形杂乱无章，认为该处岩体破碎，裂隙较发育，由于没有在图像看到明显的强反射区，所以认为掌子面前方25米的岩体干燥，不会出现明显的含水。这一解释也在后期开挖中得到印证。
5.结束语
1）要现场进行数据采集工作，只有准确的数据才能为后面的分析处理提供依据，所以要对掌子面多次进行试验，使参数的选择合适，天线方向准确放置，多次重复测验异常的区域，以便形成精准的雷达图像。
2）由于隧道开挖掌子面参差不齐，连续测量不能保证雷达紧贴掌子面，后期图像成像质量差，所以最好选择点测的办法，如果一定选用连续测量方式就要尽量清平掌子面。
3）雷达图像具有多解性，对图像干扰因素要进行排除，结合实际的地质情况进行后期解释，使预报准确。很多技术人员片面地解释采集到的波形，让施工单位误解此技术不可靠，所以一定要提高技术人员的专业素质，将前人理论结合实际施工情况活学活用。同时利用多种探测工具、方法对比验证得到的结果，提高预测前方地质、水文情况的准确性，做好地质灾害预防工作，保证工程安全施工，提高企业效益。
参考文献：
【1】王贵明,彭涛.地质雷达在隧道超前地质预报中的应用.贵州工业大学学报[N].2007（3）.
【2】杜明玉，吕乔森.地质雷达在岩溶隧道短期超前地质预报中的应用.中国西部科技[J].2012.02(201).
