地质雷达在贵阳轨道交通工程地质探测施工中的局限性探讨

智刚，杨志斌

（中铁隧道勘测设计院有限公司，天津　300000）

摘要：以贵阳市轨道交通2号线一期工程土建施工11标施工面地质雷达超前地质预报和地表地质雷达探测为例，通过对探测剖面的分析，并结合地勘设计资料进行了正确的解释，虽然基本探明了工程区不良地质的性质与规模，但也发现地质雷达在探测过程中所受到的一系列影响因素及其探测局限性。

关键词：雷达探测；轨道交通；地铁；超前地质预报；局限性

城市聚落，行以路先。城市的发展离不开通畅的交通，随着城市交通工程修建日益渐增，有些交通工程就不可避免地要修建在不良地质区域。不良地质会给工程前期施工和后期的安全运行带来巨大的安全隐患，易形成隧道坍塌、地面塌陷、路基沉降等极大的地质灾害。

目前，在城市轨道交通工程施工中，超前地质预报已成为施工过程中不可缺少的一环，而地质雷达作为超前地质预报中短距离预测手段之一，在探测隧道施工面前方不良地质体的分布和探测地表距隧道拱顶之间的不良地质情况方面，能有效减小地质灾害对施工人员、施工机械造成的安全危害，预测因不良地质体存在可能引发的地质灾害。但地质雷达作为物探科学技术的一种，它也同时存在着不确定性、片面性和多解性。

1　地质雷达在目前国内应用前景

我国从20世纪80年代开始引进地质雷达技术，地质雷达技术以其高分辨率、无损性、高效率及操作简单等优越性，迅速广泛地应用于路基路面质量检测、城市基础设施探测、隧道工程、地质调查、水利水电勘察、地质灾害与环境工程、考古、矿产探测等领域。特别是路基路面质量检测、城市基础设施探测、隧道工程检测这几个方面，取得了很好的实际成果。

2　地质雷达方法原理

地质雷达由主机、天线和配套软件等几部分组成，根据电磁波在有耗介质中的传播特性，发射天线向被测介质发射高频脉冲电磁波，当其遇到不均匀体（界面）时会反射一部分电磁波，其反射系数主要取决于被测介质的介电常数，雷达主机通过对此部分的反射波进行适时接收和处理，达到探测识别目标物体的目的。雷达可测量信号到达目标的传输时间，利用传播速率计算出目标的距离。当满足在天线信号范围内和信噪比条件适当时，隐蔽物可由雷达探出，如图1所示。

3　项目概述

3.1　工程概况

贵阳市轨道交通2号线一期工程土建施工11标位于贵阳市云岩区，起讫里程为ZDK28+420.989～ZDK31+575.151（YDK28+420.989～YDK31+507.051），全长3.154km，主要包括两段暗挖区间和一座半盖挖车站，分别为：三桥站—二桥站区间、二桥站—浣纱路站区间、二桥车站。区间采用暗挖法施工，左右线线间距13.8～18.6m，设计埋深16～18m。

3.2　工程地质特征

本标段出露地层以三叠系上统二桥组、三桥组以及侏罗系中下统自流井群碎屑岩层为主。砂岩、页岩、泥岩、白云岩、泥灰岩等岩石抗风化能力较弱，基岩上部多分布强风化层，厚薄不均，力学性质较差，灰岩、白云岩分布强风化岩溶带，力学性质较差。工程区分布的岩层多为薄至中厚层结构，发育有少量软弱泥化夹层，特别是软硬相间分布的地层内软弱夹层分布较多，其集合差，力学性质差，对地下线进出口、基坑开挖过程形成的顺层边坡稳定性不利。

标段内主要构造有黔灵湖向斜、F1断层和黔灵山逆断层。隧区南明河、市西河、黔春大沟等地表水系发达；上层滞水、孔隙水、岩溶裂隙水、基岩裂隙水、岩溶水等地下水系丰富。地质构造复杂，岩体破碎，不良地质发育，主要有涌泥涌水区域、背斜、断层、岩溶地层、煤层区域以及软弱夹层区域。特殊岩土主要为人工填土、红黏土。

4　应用案例

地质雷达在贵阳轨道交通工程施工中全隧施做，在隧道施工面超前地质预报、隧底雷达隐伏岩溶探测、初期支护质量无损检测及地表雷达探测等实际应用过程中，普遍效果良好，但也有不足之处。受篇幅及时间所限，本文就地质雷达在贵阳轨道交通工程地质探测施工应用中所受到的局限性进行列举探讨。

4.1　隧道施工面金属及地下水干扰特征

标段内隧道采用暗挖台阶法施工，每次施工面开挖后先行拱架支护，软弱破碎地层或高富水段更需在开挖前对施工面前方进行超前支护，如图2、图3所示。只有在确保施工面围岩稳定后我方地质雷达技术人员才能到施工面进行超前地质预报作业。图4～图7的成果图是采用瑞典MaLa公司的GPR-CUⅡ型地质雷达和配套的100MHz屏蔽天线在隧道施工面进行连续扫描得出的地质雷达分析成果剖面图。

图4是在有钢拱架支护、较破碎的富水灰岩地层中测得的施工面地质雷达剖面图，有效信号20m；图5是在无钢拱架支护、较破碎的富水灰岩地层中测得的施工面地质雷达剖面图，有效信号30m；图6是在有钢拱架支护、富水泥质白云岩地层中测得的地质雷达剖面图，有效信号15m；图7是在有钢拱架支护、干燥无水的泥质白云岩地层中测得的地质雷达剖面图，有效信号20m。

通过对软岩和硬岩、有钢拱架支护和无钢拱架支护、富水和不富水等不同地层中，不同的地质雷达剖面成果图对比分析，可看出软岩、钢拱架、地下水对地质雷达信号造成的衰减以及电磁波波形紊乱、同相轴不连续等干扰。

4.2　ZDK29+433～ZDK29+436段地表沉陷雷达探测图像特征

三—二区间ZDK29+390～ZDK29+490段位于三桥南路主交通干道，该段隧道顶板埋深5.6～11m，隧道围岩为侏罗系下统自流井群（J1zl）～三叠系上统二桥组（T3e）、三桥组（T3sq）及三叠系中统改茶组（T2gc）地层，处于可溶岩与非可溶岩接触带，岩性为泥岩、页岩和泥灰岩，围岩软弱、破碎，自稳能力差，极易产生坍塌，并导致地表变形甚至塌陷，且地下水位位于隧道拱顶以上，极有可能发生涌水现象。

2016年11月20日，地质雷达技术人员采用瑞典MaLa公司的GPR-CUⅡ型地质雷达和配套的100MHz屏蔽天线，对ZDK29+250～ZDK29+440段进行地表雷达探测，从图8中可看出ZDK29+436处附近虽有明显的物探异常，但电磁波波形紊乱，同相轴分布毫无规律，能看到明显的多次反射现象，再结合地表测线范围内有较多井盖、地下管道、车流及围挡等干扰因素，难以判定ZDK29+436处物探异常是干扰因素影响还是确有空洞。因此，ZDK29+390～ZDK29+440段6～20m深物探异常判释为裂隙带、富水。

2016年12月22日上午11：00，ZDK29+433～ZDK29+436地表发生路面塌陷，路面塌陷尺寸约为3m（长）×5m（宽）×6.5m（深），且路面塌陷处发现有地下管线，见图10。路面塌陷时，左线大里程施工面里程为ZDK29+437，右线大里程施工面里程为YDK29+358，路面塌陷位于区间隧道左线拱顶右上方，路面塌陷处左线隧道拱顶埋设约16m，距离施工面距离为1m。

2016年12月22日下午，地质雷达技术人员对ZDK29+250～ZDK29+460段再次进行地表雷达扫描、数据成图，从图9中可看到ZDK29+436处附近电磁波反射信号幅值明显较强，频率由高频向低频剧烈变化，伴随有较明显的震荡现象，结合地质资料，判定ZDK29+425～ZDK29+440段0.5～4m深范围内，物探异常，判释为空洞；4～15m深判释为裂隙带、富水。

通过上面前后两次地表雷达扫描对比，结合现场探测过程中存在的车流、管盖及管盖混凝土护层中的钢筋网、覆土层、地下管线、管道中的排水、金属物体、金属栏杆、高架桥等种种旁侧电磁、地下不均匀介质及各种反射界面的干扰，产生了假异常，尤其是金属体产生的全反射波，严重干扰了地下空洞等地质体产生的反射波信息，甚至掩盖了这些地质体信息，对后期的数据分析也造成了严重的影响，影响了数据成图后的准确性判析。

4.3　空中铁路高架桥干扰图像特征

在图8和图9地质雷达剖面图中，在ZDK29+390里程点25m深处附近，可看到明显的双曲线异常，该异常反射波能量强，并伴随多次波产生，其影响范围覆含ZDK29+320～ZDK29+420段。

通过对该段开挖前和开挖后的地表雷达扫描数据成图显示，结合该段开挖过程中的地层岩性以及地勘设计资料，初步判定该段无异常，剖面图中的异常是由处于线路（YDK29+365～YDK29+400）上方侧穿的贵广高铁高架桥引起的物探异常，见图11。当地表雷达测线通过该铁路高架桥时，天线的极化方向与高架桥方向平行，高架桥引起的干扰掩盖了地下目标体相对较弱的反射信号，将高架桥引起的干扰信号投射在了地表雷达扫描剖面结果图中。

5　结语

地质雷达作为物探探测手段之一，除了它科学性的一面，同时也存在着局限性、多解性、片面性。地质雷达仪器本身的探测深度和分辨率就是相悖的关系，天线中心频率越高，探测深度越浅，探测精度越高；天线中心频率越低，探测深度越深，探测精度越低。当地质条件和探测环境理想的情况下，通过地质雷达可采集到清晰、易于解释的雷达信号，但在条件不好的情况下，地质雷达在接收有效信号的同时，也不可避免地接收到各种干扰信号。

在地质雷达探测应用中，如何把地下介质的电性准确转化为地质情况，除了针对不同的工程情况选择合适的天线频率、选择恰当的工作参数，还必须依赖丰富的工作经验。只有消除干扰，识别干扰引起的各种物探异常特征，才能正确解译探地雷达成果资料，才能更好地发挥地质雷达在工程探测中的作用。

参考文献

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