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1、3.1.14 地质雷达超前地质预报1前言地质雷达又称 GPR（ Ground Penetrating Radar）,它是利用电磁波在介质中传播时，其路径、电磁场强度和波形随着通过介质的电性性质和几何形态不同而发生变化的性质进行地下勘探、工程检测的一种物探方法。在我国上个世纪八十年代就引进这一先进技术，并用于地面地质勘察、隧道超前地质预报、结构物质量检测等，到目前已有二三十年的应用历史。在隧道超前地质预报方面，地质雷达最初应用在岩层单一、地质条件简单的隧道中，且每次预报距离很短，随着仪器设备不断改进，处理软件不断升级，地质雷达预报距离逐步增大，预报精度、准确度不断提高。目前，地质雷达已成为地质短
2、期预报最主要的方法，被大量应用于岩溶隧道、地下水探测。2地质雷达超前地质预报概述2.1 适应范围地质雷达适用于对断层及其影响带、溶洞、裂隙发育带、软弱夹层，以及地下水的预测预报。2.2 技术特点地质雷达用于隧道超前地质预报具有适用范围广、操作简单、现场测试环境要求低、预报距离短但准确度高、提交结果及时，以及预报成本低，对施工干扰小等特点。2.3 基本原理地质雷达是利用发射天线将高频电磁波以宽频带短脉冲的形式传入围岩，电磁波在遇到地质反射面时被反射回来，再被接收天线接收。通过测得反射波的双程走时，计算不良地质距离掌子面的距离，通过分析反射波的振幅、波形、波速、频率等来判断不良地质的性质。地质雷达
3、探测原理图根据地质雷达探测原理图求得电磁波在围岩中的旅行时间为： （1）VXZt /24式中：Z-探测目标体距掌子面的距离；X-发射、接收天线间的距离；V-电磁波在介质中的传播速度。当 时 ,上式即为：ZX2t = 2 Z / V （2）电磁波在介质中传播与弹性波一样遵循波动方程，电磁波速度V 与相位系数 的关系为：V=/。 当 、=1 时1 （3）rcV/式中： c-电磁波在真空中的传播速度； r-介质的相对介电常数；-相位系数；-电磁波角频率；-介质磁导率；-介质介电常数；-介质电导率。由式（2） 、 （3）可求得反射面距掌子面距离 Z 的表达式为：（4）rtcZ2式中：t-反射电磁波的双
4、程走时；c-电磁波在真空中的传播速度； r-介质的相对介电常数。地质雷达天线发射的电磁波，一部分被介质吸收，一部分发生反射，一部分发生透射。反射波遵循反射定律，反射波的能量大小由反射系数决定，对非磁性介质，当电磁波垂直入射时，反射系数的表达式为：（5）)/()(2121R式中： 1、 2分别表示反射界面两侧介质的相对介电常数。由式（5）可知， 1、 2相差越大，即反射界面两侧介质相对介电常数差异越大，反射系数越大，接收天线接收到的信息越丰富，地质异常在图像上表现得越明显，越利于结果的分析解释。水、岩溶、破碎带等异常的相对介电常数与完整围岩的相对介电常数存在较大差异，这是地质雷达用于隧道超前地质
5、预报的物理基础。在隧道超前地质预报中，地质雷达天线发射电磁波的频率越高，电磁波衰减越快，探测距离越短，但分辨率越高；电磁波频率越低，电磁波衰减越慢，探测距离越长，但分辨率越低。实际应用中，常选用 100MHz 雷达天线，这主要是综合探测深度和隧道内掌子面可操作性两方面因素决定的。2.4 仪器设备及主要参数目前国内使用最多的是美国 GSSI 公司生产的 SIR 系列地质雷达，下面以 SIR20 型地质雷达为例，介绍其主要参数。用于隧道超前地质预报的地质雷达仪器设备主要包括 SIR20地质雷达主机、100MHz 天线（根据天线探测深度和天线、隧道断面净空尺寸确定）和数据处理软件三部分。该雷达具有轻
6、便、操作简单、预报精度高等特点，其天线为屏蔽天线，受外界干扰小，非常适合在隧道内工作。下面是 SIR20 地质雷达主要技术指标。增益范围：-20+100dB 可调垂直滤波：时间域滤波。无限脉冲响应（IIR） 、有限脉冲响应（FIR） 、矩形和三角型高低通滤波器。 叠加:2 到 32768 个扫描 背景消除:2 到 32768 个扫描 通道数：4 个天线：适配所有的 GSSI 天线 记录长度：0-8000ns 可选 输出数据格式：8 位或 16 位可选 扫描样点数：256、512、1024 和 2048 可选扫描速率：2 到 800 扫描/秒可选 时基精度：0.02% 工作温度：-10-40 工
7、作相对湿度：95% 2.5 劳动力组织2.5.1 劳动组织体系项目负责人技术负责人检测工程师 检测工程师数据采集小组2.5.2 劳动组织人员配置及分工人员 人数 主要任务项目负责人 1 全面负责测试工作的协调、组织、安排工作技术负责人 1 全面负责地质预报技术相关工作检测工程师 2 负责数据采集、数据分析处理和报告编写工作工人 3 负责天线的移动、稳定和现场辅助工作2.6 地质预报流程图测线布置仪器连接参数设置另一测线数据采集数据处理数据解释提交地质预报报告3地质预报前的准备工作3.1 资料收集检测前应将隧道工程概况、隧道地质纵断面图、隧道地质平面布置图、掌子面里程桩号等资料和数据收集齐，以备
8、数据处理和解释时用。3.2 测试台架准备、测试环境清理采取全断面开挖的隧道，由于断面净空大，用地质雷达开展地质预报工作一般无法对掌子面上部的测线进行测试，因此在数据采集前需准备工作台架。通常可采用隧道开挖时掌子面附近的工作台架。在测试前，还需将掌子面、顶部上松动的石块，掌子面前方的乱石、障碍物清除掉，以免影响测试效果，发生安全事故。4现场数据采集4.1 参数设置数据采集前通常要对时间窗、采样速率、增益大小等参数进行设置。设置前，将主机与天线通过电缆线连接起来，打开主机，进入数据采集状态，将天线贴在掌子面较平整的面上固定不动，然后开始采集参数的设置。时间窗的大小取决于期望探测的深度和天线能探测的
9、深度，一般可适当取大些，目的是为获取更多的信息，也可采用现场试验，通过观测地质雷达图像来确定。采样速率是单位时间内雷达电磁波扫描的次数，该值过大过小都不利于对地质异常的判断，测试现场一般根据天线移动的速度来确定。增益大小应根据反射信号的强弱来调节，一般可先通过自动功能，由系统自动调节，然后用手动调节功能对个别值进行调节，调节的原则是突出异常反射层，压制干扰。4.2 数据采集数据采集前应根据工作现场和掌子面围岩情况确定测线的布置位置和数量，测线号与布置位置应通过平面图在记录本上记录下来。在条件允许的情况下，测线应尽可能均匀分别在整个掌子面，一般布置 35 条测线，重点部位或怀疑有异常部位可加密测
10、线，如在灰岩岩溶发育段有异常的部位。数据采集包括点测和连续测量两种，在测试面不大和掌子面明显凹凸不平的条件下采用点测，点测间距 20 cm40cm ，一般情况下都采取连续测量的方法进行测量。连续测量时，雷达天线由两名工作人员抬起，贴在掌子面围岩上，从每条测线的起始位置开始，缓慢移动到测线的末端，移动时雷达天线始终贴在围岩上，从而保证采集数据的质量。在测量掌子面纵向测线时，可将天线两端系上绳子，工作人员站在工作台架上将绳子拉住。测试时，将天线贴在掌子面上，同时下放两端绳子，天线在重力作用下下移，下移过程中，可派一名工作人员在工作台架下用一根棍子将天线往掌子面方向压住，目的是使天线在下移过程中与掌
11、子面始终相贴。每条测线测完后，需将数据保存的文件号与对应的测线号记录下来，备数据解释时用，以保证图像反映异常的部位与围岩实际部位对应上。测线布置示意图5数据处理及解释5.1 数据处理步骤先将采集的数据传输到计算机上，以便资料的处理与解释。地质雷达资料处理的目的是压制干扰、增强有用信号、提高信噪比、突出异常反射。处理前，应回放测试原始数据记录，一般要求原始数据记录完整、信号清晰。在资料处理过程中，可根据原始资料的波形特征和需要达到的目的选用不同的处理方法。一般情况下，地质雷达原始数据应做下面几步处理：（1）零点校正，在地质雷达图像中确定掌子面表面的位置。（2）颜色选取，以获得便于对反射层识别的图
12、像。（3）输入介电常数或电磁波波速。（4）距离规一化，将相同距离的雷达扫描因采集速度不同而造成的扫描不均一处理成均一相等。（5）水平、垂直滤波，消除表面波和多次波。（6）增益调整，压制干扰，提高信噪比。（7）时深转换，将时间剖面转换为深度剖面。根据需要，有时还需做其它处理，如频谱分析、希尔伯特变换、背景滤波等。常见介质相对介电常数与电磁波在介质中的传播速度介 质 相对介电常数 r 速度(m/ns)水 81 0.033空 气 1 0.3花 岗 岩 4 0.15石 灰 岩 7 0.11大 理 岩 6 0.11灰 岩 7 0.11湿 粘 土 812 0.060.115.2 数据解释原则数据解释包括对
13、断层、破碎带、岩溶、地下水等异常的判断，地质雷达地质预报数据解释应遵循以下原则：（1）数据解释前要求对测区内的围岩类别、岩体性质有充分认识，解释时要结合区域地质地貌、前期地质勘察资料、野外地质踏勘和隧洞已开挖段地质情况进行综合分析。（2）在做出结果判断时，应根据现场记录，区分有效异常与干扰异常，排除环境影响和假异常。（3）对不同地质异常雷达反射波的波形特征、电磁波各种参数的变化规律熟练掌握。a、断层、破碎带地质雷达图像特征：反射波同相轴错断、高频成分衰减厉害、振幅增大。b、溶洞地质雷达图像特征：空溶洞会出现强振幅、多次反射，小溶洞还会出现双曲线图像；充填溶洞内部反射波图像与破碎带相似，但界面反
14、射一般较破碎带强。c、地下水地质雷达图像特征：反射波表现为强反射、相位反相。6地质预报质量控制要点（1）测线位置布置要合理，测线数量要适量。（2）数据采集前地质雷达参数设置要合理。（3）采用连续测量方式时，雷达天线移动时要保证与围岩相贴。（4）选用合理的数据处理方式提高信噪比，突出异常反射。（5）坚持跟踪地质观测，积累地质资料和预报经验。（6）数据解释必须结合前期地质勘察资料、野外地质踏勘和隧洞已开挖段地质情况。7安全注意事项（1）所有工作人员进入隧道必须戴安全帽。（2）数据采集前必须将掌子面和拱顶的松动岩石清除。（3）利用台架测试时，台架上的工作人员必须系安全绳，台架下除有一名工作人员稳定天
15、线外，不得再有其他人员。（4）仪器必须安放在围岩相对较完整、稳定性相对较好部位的下面。（5）测试时保证隧道内的通风和照明。8工程实例8.1 工程简介富宁广南公路高速公路是国道主干线（G275）衡阳南宁昆明公路滇境中的一段，该路线经广西白色市进入云南省富宁县，经砚山、弥勒、石林等县至昆明，是云南省出省通往广西壮族自治区及沿海港口的运输大动脉，是交通部发展战略规划中“五纵七横”国道主干线公路系统中重点改造路段，也是云南省高等级公路网规划“三纵三横” 、 “九大通道”的重要组成部分。富广高速公路老鹰咀隧道是一座双洞四车道分离式隧道，位于广南县境内，全长一千七千多米。隧址区属滇东南中低山区地貌，地势北
16、高南低，最高海拔 1756 米，最低海拔 882 米。地形起伏较大，山势较陡，坡面植被较发育。地层主要由泥盆系中泥盆系中统灰岩、泥质灰岩、泥岩和硅质岩，夹泥灰岩、碳质页岩、煤矸岩和第四系坡、残积物。第四系全新统坡、残积物：主要分布于山体表层，主要为混合土，成分以亚粘土与角砾为主，揭露厚度 1.35-13.50m，呈稍湿，稍密。灰岩：主要分布于 K133+020 以西，灰色，微晶致密结构，中厚层厚层状构造，主要矿物为方解石。泥质灰岩：主要分布于进口段，浅灰色，泥晶结构，薄层状构造，主要矿物成分为方解石，次为泥质矿物。泥岩：主要分布于进口段，褐黄色，泥晶结构，薄层状构造，主要矿物成为泥质矿物。硅质岩：主要分布于进口段与隧道中部、黑灰色
