地質(zhì)雷達(dá)法是應(yīng)用于工程勘探中比較成熟的一種物探方法，在施工地質(zhì)超前探測(cè)中主要用于掌子面地質(zhì)超前探測(cè)和隧道基底隱伏巖溶探測(cè)工作。

一、掌子面地質(zhì)雷達(dá)法原理

掌子面地質(zhì)雷達(dá)法(GPR)是由發(fā)射天線(xiàn)在掌子面向前方發(fā)射電磁波，當(dāng)電磁波向前傳播過(guò)程中遇到電阻抗差異的界面時(shí)會(huì)產(chǎn)生反射電磁波，通過(guò)掌子面上的接收天線(xiàn)接收反射電磁波，根據(jù)反射電磁波在介質(zhì)中的傳播速度，確定界面或目標(biāo)體的深度(到掌子面的距離);同時(shí)根據(jù)反射波的形態(tài)、強(qiáng)弱及其變化等因素來(lái)判定目標(biāo)體的性質(zhì)。

電磁波的傳播速度V計(jì)算通常是尋找一個(gè)已知點(diǎn)(鉆孔、露頭等)，通過(guò)已知目標(biāo)物的深度按下式計(jì)算，然后按V計(jì)算前方不良地質(zhì)體的深度D。

V=/t1(6-8)

式中：Z——已知物體的埋深;

A——T、R的距離;

t1——已知物體電磁波行程時(shí)間。

地質(zhì)雷達(dá)法資料處理是將接收的雷達(dá)記錄進(jìn)行振幅調(diào)整、頻譜分析等。

二、掌子面地質(zhì)雷達(dá)法應(yīng)用

(一)天線(xiàn)頻率選擇

天線(xiàn)頻率選擇根據(jù)地質(zhì)雷達(dá)的電磁特性(表6-4)和天線(xiàn)的大小結(jié)合掌子面的實(shí)際情況確定，因此只能選擇50MHz、100 MHz的天線(xiàn)進(jìn)行試驗(yàn)。

試驗(yàn)表明，地質(zhì)雷達(dá)天線(xiàn)以屏蔽天線(xiàn)為佳;采集前應(yīng)對(duì)掌子面進(jìn)行平整處理，應(yīng)清除施工機(jī)械，使天線(xiàn)與掌子面能有較好的耦合。

表6-4地質(zhì)雷達(dá)電磁特性表

(二)掌子面地質(zhì)雷達(dá)超前探測(cè)巖溶異常特點(diǎn)

反射電磁波的反射系數(shù)(r)主要由相對(duì)介電常數(shù)的變化決定。巖溶地下水、斷層破碎帶等不良地質(zhì)體同完整圍巖的相對(duì)介電常數(shù)均有較大的差異，如水的介電常數(shù)為81，空氣的介電常數(shù)為1，灰?guī)r的介電常數(shù)為6～7，當(dāng)灰?guī)r破碎含水或夾泥(溶洞)時(shí)，介電常數(shù)增加，對(duì)電磁波是高吸收。介質(zhì)含水量是決定介質(zhì)中相對(duì)介電常數(shù)的主要因素。

因此，界面反射信號(hào)的強(qiáng)弱是判讀空洞的依據(jù)，反射電磁波相位與直達(dá)電磁波相位的關(guān)系是判別含水界面的依據(jù)。

地質(zhì)雷達(dá)巖溶異常特點(diǎn)：巖溶裂隙異常主要是反射波振幅增強(qiáng)異常;巖溶溶洞異常主要是出現(xiàn)較強(qiáng)的反射波弧形異常，如溶洞含水含泥、反射電磁波頻率降低。

地質(zhì)雷達(dá)斷層異常特點(diǎn)：反射波組同向軸不連續(xù)，反射波振幅增強(qiáng)或減弱異常。

三、掌子面地質(zhì)雷達(dá)法適用性

(1)受施工干擾影響較大，受掌子面場(chǎng)地所限，地質(zhì)雷達(dá)天線(xiàn)應(yīng)采用50～100MHz的低頻天線(xiàn)，以屏蔽天線(xiàn)為佳;探測(cè)深度(探測(cè)距離)不大，采用50MHz天線(xiàn)時(shí)，探測(cè)距離一般小于40m，采用100MHz天線(xiàn)時(shí)，探測(cè)距離一般小于25m。

(2)地質(zhì)雷達(dá)法是近距離施工地質(zhì)超前探測(cè)效果較好的物探方法，圖像直觀(guān)明了。

(3)當(dāng)掌子面為高電導(dǎo)率的巖體如炭質(zhì)巖層或掌子面滲水時(shí)，電磁波反射系數(shù)很小，應(yīng)用效果不好。

(4)應(yīng)利用避車(chē)洞或超前鉆探揭露的地質(zhì)界面等求取地層的相對(duì)介電常數(shù)和地層電磁波速度，資料分析時(shí)應(yīng)注意鋼拱架等干擾異常。

(5)需要物探專(zhuān)門(mén)人員進(jìn)行超前探測(cè)。

四、掌子面地質(zhì)雷達(dá)法實(shí)例分析

在龍麟宮隧道出口DK231+093掌子面、DK231+068掌子面進(jìn)行了地質(zhì)雷達(dá)超前探測(cè)，掌子面采集數(shù)據(jù)經(jīng)雷達(dá)自帶處理軟件處理后，得雷達(dá)探測(cè)記錄圖像波形圖，如圖6-29所示。探測(cè)成果：DK231+090～+063段反射信號(hào)較強(qiáng)，在右側(cè)有明顯的溶洞反射異常;DK231+063～+033段反射信號(hào)較強(qiáng)，有明顯的溶洞反射異常。

超前鉆探驗(yàn)證和施工揭示DK231+090～+033段巖溶很發(fā)育，沿隧道洞身溶洞呈串珠狀，為充填溶洞。

圖6-29DK231+093掌子面、DK231+068掌子面地質(zhì)雷達(dá)波形圖