1、地质雷达在隧道施工地质超前预报中的应用摘要：文中通过对高速公路隧道施工地质超前预报多年工作总结阐述地质雷达信号处理过程中除应关注雷达信号本身外应充分考虑隧道所处地质地貌环境，只有结合隧道围岩地质情况才能完全掌握地质雷达的使用 关键词：地质雷达；溶岩地区；滤波；信号处理分析 中图分类号：F407.1 文献标识码：A 文章编号： 1 概述 随着国内基础建设的投入加大，我国自上世纪 90 年代以来引入国内的地质雷达技术亦得以快速发展，在公路、水电、铁路等行业的各种勘察及无损探测中均能见到地质雷达的身影，本文以瑞典 RAMAC 雷达为实列，列举地质雷达在公路隧道施工地质超前预报中的应用介绍。你看看 2
2、 地质雷达工作原理 地质雷达法是一种宽带高频电磁波信号探测方法，它利用电磁波信号在物体内部传播时电磁波的运动特点进行探测。 探地雷达(Ground Penetrating Radar，简称 GPR)依据电磁波脉冲在地下传播的原理进行工作。发射天线将高频(100800MHz 或更高)的电磁波以宽带短脉冲形式送入地下，被地下介质(或埋藏物)反射，然后由接收天线接收，系统组成如图 1 所示。 图 1 雷达工作原理及其基本组成 根据电磁波理论，当雷达脉冲在地下传播过程中，遇到不同电性介质交界面时，由于上下介质的电磁特性不同而产生折射和反射。 电磁波的传播取决于物体的电性，物体的电性中有电导率 和介电常
3、数 ，前者主要影响电磁波的穿透(探测)深度，后者决定电磁波在该物体中的传播速度，因此，所谓电性介面也就是电磁波传播的速度介面。不同的地质体(物体)具有不同的电性，因此，在不同电性的地质体的分界面上，都会形成电性介面，雷达信号传播到电性介面时产生反射信号返回地面，通过接收反射信号到达地面的时间和信号强弱就可以推测地下介质的分布及变化情况。 电磁波在介质中传播时，其路径、电磁场强度和波形将随所通过介质的电性差异及集合形态而变化，由此通过对时域波形的采集、处理和分析，可确定地下界面或目标体的空间位置或结构状态。 地质雷达的工作前提是探测对象与周围介质间存在着明显的电性差异，雷达波在介质中的传播速度
4、V 与介质的电磁性参数有（1）式近似关系2： （1） 式中 V 为介质中的电磁波速度；为真空中的光速（m/ns） ；r 为介质的相对介电常数；r 为介质的导磁率。 雷达波反射脉冲信号的强度，与界面的反射系数和穿透介质的吸收程度有关。垂直界面入射的反射系数 R 的模值与幅角，分别可由（2）和（3）关系式表示2： R= （2） ArgR=（3） 式中 =2/1；b=； 为介质的导磁系数； 为相对介电常数； 为电导率；下标 1 表示入射介质；下标 2 表示透射介质。 由关系式可以看出，反射系数与界面两边介质的电磁性质和频率（=2f）有关。当介质的电磁参数差别大时，反射系数也大，因而反射波的能量也大，
5、对于倾斜入射情况，反射系数还与入射角有关。介质的含水量一般也会对 和 值有所影响，含水量大， 和 值也变大，反射系数也相应有所变化。 在不同的介质中，电磁波的吸收程度也有所差异，介质的吸收系数 有（4）式关系， = （4） 当介质的电导率很低时，电磁波的吸收随 的增大而增大，随 的增大而减小；当介质的电导率很高时，吸收系数 与 、 有关，而与 几乎无关。 3 地质雷达数据处理与解释 探测的雷达图形常以脉冲反射波的波形形式记录。由于地下介质相当于一个复杂滤波器，介质对波不同程度的吸收以及介质的不均匀性，使得脉冲到达接收天线时，波幅减小，波形变得与原始发射波形有较大的差异；另外，不同程度的各种随机
6、噪声和干扰，也影响实测数据。因此，必须对接收信号实施适当的处理，以提高数据的信噪比，为进一步解释提供清晰可辨的图像。图像处理包括消除随机噪声压制干扰，进行自动时变增益或控制增益以补偿介质吸收和抑制杂波，进行带通滤波处理除去高频、低频信号，突出目标体。降低背景噪声和余振影响。对数据文件进行了预处理、增益调整、滤波和成图等方法的处理。最终得到各测线的成果图，并据此进行探测对象的地质判释。 4 工程实例 4.1 地质雷达在黎洛高速顿洞隧道施工地质超前预报的应用 顿洞隧道场区位于黎平县雪峰山脉西南端与云贵高原的东缘，地势整体北高南低，属浅切中低山构造侵蚀-剥蚀型地貌类型,隧道围岩板岩为主。 受贵州高速
7、公路开发总公司委托，于 2010 年 9 月 1 日我公司对顿洞隧道出口 ZK38+008 掌子面进行地质雷达探测。图 2 为顿洞隧道 ZK38+008掌子面地质雷达探测成果图。隧道原设计断层出露位置为 ZK37+957，在本次预报中隧道 ZK38+008 掌子面挤压构造明显，推断为断层影响带。该雷达数据在前方 15 米见一明显强反射信号，因断层带多富含水，我方大胆推断当前掌子面 ZK38+008 前方 15 米后进入断层带。后经开挖证实ZK37+990 提前进入断层带，施工方及时变更支护参数，避免重大安全事故的发生保证了隧道的安全掘进工作。 图 2 ZK38+008 掌子面雷达成果图 4.2
8、 地质雷达在普翁隧道施工地质超前预报探测溶洞的应用 普翁隧道位于贵州省毕节地区织金县普翁乡境内，隧道区为炭质泥岩、灰岩、白云岩等组成。 受贵州高速公路开发总公司委托，于 2012 年 10 月 16 日我公司对普翁隧道出口 YK54+840 掌子面进行地质雷达探测，推断掌子面前方地质情况,为隧道下一步的施工提出建议。图 3 为普翁隧道 YK54+840 掌子面地质雷达探测成果图及其波形情况图，从雷达图像分析可见在掌子面前方15m 至 17 米见一明显强振荡反射，且该反射信号振幅基本未衰减。推断该隧道继续开挖将揭露一溶蚀空腔，且无任何填充物，因为空气中雷达传播速度约为围岩波速的 3 倍，故该溶洞
9、轴向宽度约为 6 米左右且靠近隧道掌子面左半幅。隧道继续开挖至 YK54+830 处揭露一空溶腔，溶腔发育段为 YK54+830YK54+825 段。 图 3 普翁隧道地质雷达图像及单道雷达波形记录 5 结语 在实际工作运用中合理有效的分析解释雷达数据是需要大量经验的工作，在上述两个隧道中地质雷达信号相似度极高，但因岩性不同解释结果却完全不同。究其原因在我们进行地质雷达探测前首先应熟悉现场地质情况，建立有效的物探模型，在断层探测中往往需要寻找富水信号或同相轴错断的杂波型号，在溶蚀探测中我们需注意的是富水反射信号、空气震荡反射信号及岩性分界面反射信号。综合运用频率域分析能大大提高我们地质雷达探测工作结果准确率。 参考文献 1 李大心.探地雷达方法与应用M.北京：地质出版社，1994. 2 王惠濂，李大心.脉冲时间域探地雷达讲座J.国外地质勘探技术，1989.
