地质雷达超前预报技术在盾构工程中的应用

地质雷达超前预报技术在盾构工程中的应用

南慧斌

铁二十五局集团有限公司盾构工程分公司

摘要：地质雷达超前预报技术在盾构工程中具有重要应用。地质雷达利用高频电磁波脉冲信号的反射原理，探测隧道前方地质情况，可以有效预测不良地质因素，保障施工安全和工程质量。本文以深圳地铁16号线二期工程三工区安良站~福坑站盾构区间为背景，在隧道盾构掘进过程中采用地质雷达规避地质风险，分析了地质雷达超前预报技术原理并介绍了其技术在盾构工程中的应用，希望能为相关从业者提供一定帮助。

关键词：地质雷达；超前技术；盾构工程

随着城市化进程的加速和基础设施建设的不断推进，隧道工程作为连接不同区域、改善交通状况的重要手段，在现代工程建设中扮演着越来越重要的角色。盾构法作为一种先进的隧道施工技术，以其安全、高效、环保等优势广泛应用于地下空间开发，尤其是在复杂地质条件下的长距离隧道掘进工程中，由于隧道施工的经济效益、安全效益有着重大意义，然而，盾构施工过程面临着诸多挑战，其中最为关键的是对前方地质情况的准确预判，不准确的地质信息常导致施工方案失误，进而引发工程事故或增加工程成本。

1概述

1.1工程概述

以深圳地铁16号线二期工程三工区安良站~福坑站盾构区间为背景，该区间采用土压平衡盾构施工，盾构左线长847米、右线长821米，区间依次穿越地层为片岩、砂质黏性土、全风化花岗岩、粉质黏土、含碎石粉质黏土、微风化大理岩、溶洞发育区；区间出安良站后，沿惠盐路先后下穿品优荟超市、安良股份大楼、横岗自来水厂，然后下穿安良加油站（侧穿安良加油站油库）及多栋旧厂房后到达福坑站。

1.2地质雷达施工技术概述

地质雷达超前预报技术是一种先进的物理探测方法，其核心原理在于利用高频电磁波脉冲信号的反射特性。该技术通过专门的发射天线，将高频电磁波以宽频带短脉冲的形式定向送入地下或物体内部。而由于地下各处石质、土质的密度、截面积不同，且折射率也存在差异，电磁波在遇到存在电性差异的地质界面或目标体时，会发生反射并返回地面，由接收天线进行接收。在盾构工程中，地质雷达超前预报技术利用这一原理，能够探测盾构机掘进前方未知的地质情况。通过对反射波的双程走时、振幅、波形、波速和频率等参数的测量与分析，可以推断出不良地质体的距离、性质以及空间分布特征。具体来说，反射波的双程走时用于计算不良地质体距盾构机前方的距离；而振幅、波形等参数则反映了地质体的物理性质和结构特征。

地质雷达超前预报技术，能够准确地预测隧道开挖面前方的地质情况，为施工提供关键的地质信息。在隧道施工中，地质灾害如岩爆、塌方、断层等时常发生，严重威胁施工安全和人员安全。通过超前预报，提前发现潜在的地质问题，为施工提供预警，技术还为隧道工程的设计和施工提供了科学依据。地质雷达能够探测到前方围岩的地质结构、性质、状态以及地下水、瓦斯等赋存情况，为调整和优化隧道设计参数、优化施工组织、制定施工安全应急预案提供了可靠的数据支持。地质雷达超前预报技术还具有操作简便、分辨率高、耗时短等优点。它能够在现场快速进行数据采集和分析，及时反馈掌子面前方一定范围内围岩的地质条件，为施工提供实时指导。

2地质雷达超前预报技术在盾构工程中的应用

2.1对衬砌混凝土厚度的检测

地质雷达能够实现对衬砌混凝土厚度的非接触式测量，避免了传统检测方法中可能对衬砌结构造成的破坏，保证了隧道结构的完整性和安全性。一是根据隧道的设计参数和施工情况，确定检测区域和测线布置，将地质雷达的发射天线和接收天线沿测线同步移动，逐点发射和接收电磁波。在电磁波遇到混凝土与围岩的界面时，部分电磁波会反射回来，被接收天线接收并记录。通过分析反射波的旅行时间和地质雷达在混凝土中的波速值，计算出混凝土的厚度。此外，根据反射波的振幅、频率和波形变化等资料，还可以推断出混凝土内部的密实性、空洞等缺陷情况。在盾构工程中，地质雷达超前预报技术的应用不仅限于衬砌混凝土厚度的检测。它还可以用于探测隧道前方的地质情况，如岩层分布、断层、岩溶等，为施工方案的制定提供重要依据。地质雷达还可以用于监测隧道的变形和稳定性，及时发现和处理潜在的安全隐患。然而，地质雷达超前预报技术的应用也存在一定的缺点。例如，电磁波在传播过程中会受到介质吸收、散射等因素的影响，导致信号衰减和失真。此外，地质雷达的探测深度和分辨率受到天线频率、介质介电常数等参数的制约。在实际应用中，需要根据具体情况选择合适的雷达天线和参数设置，以确保检测结果的准确性和可靠性。

2.2对衬砌混凝土内部胶结度的探测

衬砌混凝土作为盾构隧道的主要结构支撑材料，其内部胶结度是衡量混凝土质量、强度和耐久性的关键指标之一。良好的胶结度意味着混凝土内部颗粒间结合紧密，能够有效抵抗外部荷载和侵蚀，保障隧道的长期稳定性和安全性。当混凝土内部胶结良好时，颗粒间空隙小，电磁波传播路径相对连续，反射信号较强且波形清晰；反之，若混凝土内部存在胶结不良、空洞或裂缝等缺陷，电磁波在传播过程中会发生更多的散射和吸收，造成反射信号减弱，波形变得复杂。在实际工程应用中，地质雷达对衬砌混凝土内部胶结度的探测过程通常包括以下两个步骤：①根据隧道的设计参数、施工记录以及地质条件，确定检测区域和测线布置。测线应尽可能覆盖整个衬砌截面，确保探测结果的全面性和准确性。②选择合适的雷达天线和参数设置。天线频率的选择需考虑混凝土的介电常数、探测深度和分辨率要求。一般来说，较高频率的天线能够提供更高的分辨率，但探测深度较浅；较低频率的天线则探测深度较大，但分辨率相对较低。因此，在实际操作中，需要根据具体情况进行权衡，选择最合适的天线和参数组合。

为了进一步量化混凝土内部的胶结度，研究人员通常会采用更复杂的信号处理技术，如频谱分析、小波变换等，来提取反射信号中的更多有用信息，此技术能够更精确地分析反射信号的频率成分、相位变化等特征，值得注意的是，地质雷达在探测衬砌混凝土内部胶结度时也存在一定的局限性。例如，电磁波在混凝土中的传播特性受到多种因素的影响，包括混凝土的介电常数、含水量、孔隙率等。以上因素的变化将使得反射信号的失真和误判现象加剧。

2.3在盾构工程中对地下障碍物的识别

在钢筋的探测中，地质雷达展现出了极高的敏感性。由于钢筋具有良好的导电性和较高的介电常数，电磁波在遇到钢筋时会产生强烈的反射信号。通过分析这些反射信号的特征，如波形的突变、信号的强度增强等，可以准确判断钢筋的位置、直径乃至排列方式，对于盾构机在掘进过程中避开钢筋、防止刀具磨损和机械故障具有重要意义。对于地下管道的探测，地质雷达同样表现出色。无论是金属管道还是非金属管道，只要其内部或外部存在介质差异，都能被地质雷达有效识别。金属管道由于导电性好，电磁波在其表面反射强烈，形成清晰的反射界面；而非金属管道，如PVC管，虽然导电性差，但其与周围土壤的介电常数差异也能使电磁波发生反射，尽管信号较弱，但通过精细的数据处理和分析，同样可以准确识别管道的位置和走向。此外，地质雷达还能有效探测其他类型的地下埋藏物，如旧隧道、地下洞穴、废弃基础等。埋藏物往往对盾构施工构成重大挑战，它们会对盾构机姿态失控、地面塌陷等安全事故构成威胁，恰恰地质雷达通过捕捉这些埋藏物与周围介质的界面反射信号，结合地质背景信息，可以较为准确地勾勒出埋藏物的轮廓和位置，为施工方案的调整提供重要依据。

3结束语

综上所述，地质雷达超前预报技术在盾构工程中的应用，不仅极大地提高了施工的安全性和效率，还为工程质量的保障提供了强有力的技术支撑。随着技术的不断进步和应用实践的积累，地质雷达超前预报技术将在未来盾构工程中发挥更加重要的作用，为城市地下空间的安全、高效开发贡献更大的力量。

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[3]刘英,于立宏,张旭柱,等. SIR-4000型地质雷达在隧道工程中的应用[J]. 云南水力发电,2024,40(8):188-190. 作者简介：南慧斌，男，1996.01，汉，山东潍坊，中铁二十五局集团有限公司盾构工程分公司，本科，城市轨道，广东深圳 518000