常用工程勘探法：掌子面地质雷达法

地质雷达法是应用于工程勘探中比较成熟的一种物探方法，在施工地质超前探测中主要用于掌子面地质超前探测和隧道基底隐伏岩溶探测工作。

一、掌子面地质雷达法原理

掌子面地质雷达法(GPR)是由发射天线在掌子面向前方发射电磁波，当电磁波向前传播过程中遇到电阻抗差异的界面时会产生反射电磁波，通过掌子面上的接收天线接收反射电磁波，根据反射电磁波在介质中的传播速度，确定界面或目标体的深度(到掌子面的距离);同时根据反射波的形态、强弱及其变化等因素来判定目标体的性质。

电磁波的传播速度V计算通常是寻找一个已知点(钻孔、露头等)，通过已知目标物的深度按下式计算，然后按V计算前方不良地质体的深度D。

V=/t₁(6-8)

式中：Z——已知物体的埋深;

A——T、R的距离;

t₁——已知物体电磁波行程时间。

地质雷达法资料处理是将接收的雷达记录进行振幅调整、频谱分析等。

二、掌子面地质雷达法应用

(一)天线频率选择

天线频率选择根据地质雷达的电磁特性(表6-4)和天线的大小结合掌子面的实际情况确定，因此只能选择50MHz、100 MHz的天线进行试验。

试验表明，地质雷达天线以屏蔽天线为佳;采集前应对掌子面进行平整处理，应清除施工机械，使天线与掌子面能有较好的耦合。

表6-4地质雷达电磁特性表

(二)掌子面地质雷达超前探测岩溶异常特点

反射电磁波的反射系数(r)主要由相对介电常数的变化决定。岩溶地下水、断层破碎带等不良地质体同完整围岩的相对介电常数均有较大的差异，如水的介电常数为81，空气的介电常数为1，灰岩的介电常数为6～7，当灰岩破碎含水或夹泥(溶洞)时，介电常数增加，对电磁波是高吸收。介质含水量是决定介质中相对介电常数的主要因素。

因此，界面反射信号的强弱是判读空洞的依据，反射电磁波相位与直达电磁波相位的关系是判别含水界面的依据。

地质雷达岩溶异常特点：岩溶裂隙异常主要是反射波振幅增强异常;岩溶溶洞异常主要是出现较强的反射波弧形异常，如溶洞含水含泥、反射电磁波频率降低。

地质雷达断层异常特点：反射波组同向轴不连续，反射波振幅增强或减弱异常。

三、掌子面地质雷达法适用性

(1)受施工干扰影响较大，受掌子面场地所限，地质雷达天线应采用50～100MHz的低频天线，以屏蔽天线为佳;探测深度(探测距离)不大，采用50MHz天线时，探测距离一般小于40m，采用100MHz天线时，探测距离一般小于25m。

(2)地质雷达法是近距离施工地质超前探测效果较好的物探方法，图像直观明了。

(3)当掌子面为高电导率的岩体如炭质岩层或掌子面渗水时，电磁波反射系数很小，应用效果不好。

(4)应利用避车洞或超前钻探揭露的地质界面等求取地层的相对介电常数和地层电磁波速度，资料分析时应注意钢拱架等干扰异常。

(5)需要物探专门人员进行超前探测。

四、掌子面地质雷达法实例分析

在龙麟宫隧道出口DK231+093掌子面、DK231+068掌子面进行了地质雷达超前探测，掌子面采集数据经雷达自带处理软件处理后，得雷达探测记录图像波形图，如图6-29所示。探测成果：DK231+090～+063段反射信号较强，在右侧有明显的溶洞反射异常;DK231+063～+033段反射信号较强，有明显的溶洞反射异常。

超前钻探验证和施工揭示DK231+090～+033段岩溶很发育，沿隧道洞身溶洞呈串珠状，为充填溶洞。

图6-29DK231+093掌子面、DK231+068掌子面地质雷达波形图