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1、 2005 年地质雷达技术及其在工程检测中的应用学术研讨会 北京鑫衡运科贸有限责任公司 BEIJING XIN HENG YUN SCIENCE V 为电磁波的传播速度，cm/ns） 。介质中电磁波的传 播速度 v=c0 /1/2， （C0为电磁波在空气中的传播 速度，30cm/ns；为介质相对介电常数，对空气 为 1， 对水为 81， 对石灰岩为 67， 对花岗岩为 4 9） 。实际上，电磁波在介质界面产生反射就是因为 两侧介质的介电常数不同， 差异越大反射信号越强 烈，反之反射信号越差。 2 测量方法 2.1 天线频率的选择天线频率的选择 天线中心频率的选择需要兼顾目标体深度、 目 标体最
2、小尺寸以及天线尺寸是否适合场地要求。 一 般在满足分辨率且场地条件许可时， 尽量采用中心 频率低的天线。如要求的空间分辨率为 x (m)，围 岩相对介电常数为，则初步选定天线中心频率 f=150/x1/2 MHZ， 。 隧道超前预报一般可采用中心 频率为 100MHz 左右的天线进行主要测量， 预报范 围一般能够达到掌子面前方 2050m； 另外还可以 选配一个中心频率在 500MHz 左右的天线做辅助 测量，准确查清掌子面前 35m 范围的地质情况。 2.2 测线布置和信号触发方式选择测线布置和信号触发方式选择 由于掌子面通常采用上、下导坑开挖，工作面 很狭小，根据掌子面的具体情况，在检测过
3、程中可 采用两横两竖或一横三竖的布线方式，见图 1。可 根据现场情况灵活布置测线， 其原则就是尽可能靠 近掌子面轴心位置，使测线距离尽可能长，尽可能 多地采集数据，以备后期数据的分析处理。 地质雷达数据采集时的信号触发方式一般有 三种，即测量轮触发、时间触发和键盘触发。测量 轮触发方式一般要求测量表面比较光滑， 保证测量 轮正常滚动， 以使雷达数据长度能够和实际测线长 度相符，因为隧道掌子面凹凸不平，所以一般不能 保证测量轮的正常工作， 因此不建议采用这种触发 方式； 时间触发方式是地质雷达系统按照一定的时 间间隔自动采集数据， 要求天线按照合适的速度匀 速前进，天线底部和测量表面允许一定的间
4、隙，一 般20cm，无论天线是否移动，系统都会按照设 定好的速度自动采集数据， 因此雷达数据长度会与 实际测线长度不符， 所以最好不要采用这种触发方 式； 键盘触发方式是通过电脑键盘发送指令给雷达 控制系统，按一下键盘采集一道数据，天线按固定 间距移动，移动一次采集一道数据，这种信号触发 方式非常适合掌子面恶劣的工作条件， 建议采用这 种信号触发方式。 （a）两横两竖式 （b）一横三竖式 图 1 布线方式 2.3 雷达图像的判读雷达图像的判读 地质雷达图像剖面是地质雷达资料解释的基 2005 年地质雷达技术及其在工程检测中的应用学术研讨会 108 北京鑫衡运科贸有限责任公司 BEIJING X
5、IN HENG YUN SCIENCE & TRADE CO.,LTD. 础，只要掌子面前方介质中存在电性差异，就可以 在雷达剖面图中找到相应的反射波与之对应。 根据 相邻道上反射波的对比， 把不同道上同一个反射波 相同相位连接起来的对比线称为同相轴， 雷达剖面 图的识别主要是确定具有相同特征的反射波组的 同相轴。 隧道超前预报主要是确定掌子面前方的构造 断裂、软弱夹层、岩溶洞穴等的分布位置以及掌子 面前方地下水状况， 岩溶洞穴填充物及其性质的预 报等。 构造断裂带在雷达剖面图上的波形反映一般 是与断裂带走势相同的一条曲线， 软弱夹层和岩溶 洞穴的波形反映一般是由许多细小的抛物线组成 的一块较
6、大区域，与周围的波形存在明显的差异。 实践证明，地质雷达对掌子面前方含水、溶洞、断 裂带等异常反映较好，但预报范围将会相对缩短。 因为水的介电常数=81，电磁波能量会被水大量 吸收，探测距离相对缩短。电磁波在地层中传播时 的能量消耗也很大，也会对探测距离有一定的影 响。 雷达图像的判读除了在雷达剖面图上发现明显 的信号异常之外， 最好还要注意观察掌子面施工现 场的地质情况， 结合地质方面的知识加以综合判断 会得到更准确的结果。 3 应用实例 图 2 是在宜万铁路某施工隧道进行超前预报 采集到的地质雷达数据， 测区属构造剥蚀溶蚀深 切割中山，基本地形配置为台原山地和深切峡谷。 地势北高南低，山顶
7、高程 15931100m，河谷切割 深度 200700m， 山脉一般沿NE 向和 EW向延伸。 地形条件对区内岩溶发育起明显控制作用， 岩溶发 育总体呈深切峡谷型特征。 测区地处亚热带温暖湿 润气候区，四季分明，冬季干冷少雨，夏季湿热多 雨，其气候条件有利于岩溶发育，形成丰富多彩的 岩溶形态。 图 2 左是使用瑞典 RAMAC/GPR 地质雷达 100MHz 主频天线采集的雷达数据，采样频率 995MHz，采样点数为 512，天线间隔 1.0m，采样 间隔 0.1m。从图上可以明显看出，在掌子面前方 5.97.8m 和 11.414.0m 之间分别各有一个明显 异常。后经开挖验证，第一处异常为
8、不同岩性的界 面，第二处异常是一夹泥薄层，并与隧道顶部的一 个大溶洞相通， 因该地区在预报检测之后发生过大 的降雨，在实际开挖时发生了突泥。由于事先采取 了有效的防范措施，所以未造成任何工程事故。地 质雷达的隧道超前预报工作为隧道安全施工起到 了保驾护航的巨大作用。 图 2 右是用瑞典 RAMAC/GPR 地质雷达 50MHz 主频天线采集的雷达数据，采样频率为 499MHz，采样点数为 480，天线间隔 1.0m，采样 间隔 0.1m。从图上可以看出，在掌子面前方 8.0 16.5m 处有一处明显异常。数据采集过程中，我们 发现隧道已开挖部分大多是碳质灰岩， 而在接近掌 子面的地段，碳质灰岩
9、中夹杂的方解石明显增多， 这是岩溶发育或裂隙发生的初步特征， 因此判断该 处异常可能富含水。经开挖验证，现场情况与预报 结果相符。 图 2 雷达剖面图 4 结束语结束语 地质雷达在隧道超前预报工作中具有快速、 分 辨率高、图像容易识别的优点，但对目标体深度的 判读上却有一定的误差， 这是因为掌子面前方的地 2005 年地质雷达技术及其在工程检测中的应用学术研讨会 北京鑫衡运科贸有限责任公司 BEIJING XIN HENG YUN SCIENCE & TRADE CO.,LTD. 109 质条件非常复杂，介质分布极不均匀，电磁波的传 播速度差异很大， 而地质雷达系统在后期数据处理 时却按照统一
10、的传播速度来处理， 因此目标体的深 度值会产生一定的误差。 但这并不影响地质雷达在 隧道超前预报中的使用， 它以其特有的优点得到现 场技术人员的钟爱并在各个隧道施工中得到广泛 的应用。 Application of Ground Penetrating Radar on Tunnel Forecast Wang Zheng-cheng, Tan Ju-gang, Kong Xiang-chun, Wang Gui-rong, Ji Yong-peng Abstract: It is a strong guarantee for the construction department to pr
11、eviously know the front geological condition of working face of tunnel. Ground penetrating radar is popular in this field as important nondestructive detection equipment for easy operation, high resolution and easy recognition etc. This paper is mainly discussing the principal and application skill of Ground Penetrating Radar on the tunnel forecast with the experience of RAMAC/GPR applications. Key Words: Ground penetrating radar；Tunnel forecast；Nondestructive detection；Working face of tunnel； Dielectric
