1.探地雷达技术简介

对盾构工作面前方不良地质情况(断层破碎带、岩溶洞穴、富水区等)实施超前预报是设计、施工部门共同关心的问题。因为突然出现的不良地质体会造成工作面塌方、涌水，轻则延误工期，增加施工费用，重则造成机毁人亡，后果不堪设想。因此，20世纪90年代以后，国内外都十分重视隧道工作面前方不良地质预报的技术研究，也由此产生了一系列预报方法，如隧道地震波超前预报、地质钻孔、水平声波剖面法、地电阻影像探测、GPR探地雷达超前预报等。

探地雷达(Ground-Penetrating Radar，GPR)是近几十年发展起来的一种对地下目标的有效探测手段，在国内外已经得到非常广泛的应用。与电阻率法、低频电磁感应法及地震法等常规地下无损探测方法相比，探地雷达具有探测速度快、探测过程连续、分辨率高、操作方便灵活、探测费用低、探测范围广(能探测金属和非金属)等优越性。因此，近年来探地雷达一直是国际学术热点之一。

探地雷达的工作原理如图14-36所示。一般情况下，天线都是尽可能地贴近地表。GPR发射电磁波进入土壤，土壤中任何电参数(介电常数、磁导率和导电率)的不连续都会引起电磁波的后向散射。在实际中，基本上都是介电常数的不连续导致电磁波的反射。土壤基本上都是非磁化材料，所以其磁导率和自由空间的磁导率相等，μr=1。导电率基本上影响媒质对雷达波能量的吸收，介电常数的变化对媒质特征阻抗的变化影响最大，所以土壤中介电常数的变化会导致电磁波的反射。后向散射的电磁波被接收天线接收，然后在接收机中进行采样处理。

图14-36　探地雷达的工作原理

图14-37是一个典型的GPR接收回波，第一个最大的回波是空气与土壤的界面引起的，在时间上稍微靠后出现的回波是目标回波或浅地层杂波。通过在地面移动天线的位置，可以得到二维或三维的图像。

图14-37　探地雷达的典型信号

2.探地雷达技术的应用

近十几年来，探地雷达已经被广泛应用到隧道工作面前方的超前预报中，也出现了大量的雷达监测设备和机构(图14-38)。但传统的GPR前向探测要么是在盾构开挖前在地面进行大面积探测，复杂地基与复杂环境条件下很难获得理想结果；要么是在停工状态，即盾构机停止工作，到盾构机掌子面的前方进行实地测量，这样影响工程进度，增加工程成本，对操作人员的人身安全也构成隐患。如何将探地雷达应用到盾构前向在线实时探测中是目前工程界的重点和难点。

(www.daowen.com)

图14-38　车载探地雷达(左)和人工手持探地雷达(右)

同济团队在智能信息化盾构施工辅助系统技术研究课题中研究了将探地雷达应用到盾构施工前方超前地质探测中，应用探地雷达对不同条件下的土质进行探测试验，并对雷达探测数据进行分析研究，主要内容如下。

(1)对探地雷达系统进行分析研究，结合圆周探测原理及电磁波的传播特性，提出在盾构刀盘前方应用探地雷达进行实时超前地质探测。在将单个探地雷达应用到盾构刀盘前方的基础上，提出运用天线阵技术，并对天线阵布置提出了两种可行性方案。

(2)搭建模拟盾构刀盘的实验平台，利用探地雷达进行了大量的室内和现场模拟探测试验，收集了大量的探地雷达试验数据。

(3)在研究探地雷达信号模型的基础上，分析探地雷达的数据结构，并在此基础上对探地雷达模拟探测试验所获取的原始数据进行去除直达波、去除背景噪声以及偏移等处理。

(4)对探地雷达资料的图像识别技术进行研究。在研究小波神经理论和BP神经网络模型的基础上，对基于MATLAB的小波神经网络图像识别技术进行研究，并绘制了MATLAB小波神经网络识别的程序框图，对盾构前方探地雷达所获图像的三维可视化进行了初步研究和探讨。

智能信息化盾构施工辅助系统技术研究的目的是实现盾构掘进机施工的智能化和信息化。技术原理如图14-39所示，希望实现盾构掘进过程中姿态测量的自动化、开挖面地质情况探测的专家系统化，通过对专家库的处理，为盾构姿态控制的智能化提供依据，通过自动化测量的数据和地质探测的专家库分析结果得出正确的盾构姿态，同时将相关数据和信息以文字、表格或图像形式通过网络进行传输，实现全程和实时监控，即数据信息网络化。

图14-39　探地雷达在盾构施工中应用

盾构前方的地质情况直接影响盾构姿态的变化，因此必须利用有效的手段探测出盾构前方的地质情况，建立不同地质情况引起盾构姿态变化大小的数据库，以及不同地质条件须要对盾构进行多大调整的分析库，将遇到的地质情况与已掘进施工过程中所记录的数据作对比，以确定控制系统中所需的参数。利用探地雷达进行地质情况探测，确定地质情况，根据已建立的地质条件数据库系统，分析相关地质条件对盾构姿态的影响程度，并将其作为制订姿态控制的依据，可有效消除盾构机偏向风险，降低盲目施工造成的损失，节约资金及社会资源，带来巨大的社会综合经济效益。

【案例14-2】 2018年4月，同济大学课题团队在济南地铁R3号线裴家营—王舍人区间进行探地雷达盾构施工质量机载式双自由度检测方法及检测平台的安装和数据采集(图14-40)。该平台可以实现盾构壁后注浆的实时监测和反馈，现场的盾构操作人员可以实时进行二次注浆的补注浆，从而控制地层沉降，保障工程安全。