超前预报(地质雷达)

目录1 概况 .................................................................. - 1 -2物探方法基本原理....................................................... - 1 -2.1 基本原理....................................................................................................................... - 1 -2.2 探地雷达在勘查中的基本参数................................................................................... - 2 -2.2.1 电磁脉冲波旅行时.......................................................................................... - 2 -2.2.2 电磁波在介质中的传播速度.......................................................................... - 3 -2.2.3 电磁波的反射系数.......................................................................................... - 3 - 2.3 数据处理方法......................................................... - 3 -2.3.1 距离归一化.............................................................................................................. - 3 -2.3.2确定波速................................................................................................................... - 3 -2.3.3 水平和垂直滤波...................................................................................................... - 4 -3 设计文件描述的预报段地质条件........................................... -4 -4 掌子面地质编录及地质分析............................................... - 4 -5 探底雷达测试与结果分析................................................. -6 -5.1 测线的布置....................................................... - 6 -5.2 数据处理结果..................................................... - 7 -5.3解译分析......................................................... - 8 -6.结论和建议 ............................................................ - 9 -附件一：掌子面地质编录表................................................ - 10 -1 概况××隧道为××××高速公路××标段的在建隧道。

隧道位于××市××县××村××沟右岸。

隧址区属后龙门山推覆构造带，围岩岩性主要为钙质千枚岩、凝灰千枚岩、石英千枚岩。

因受构造影响，岩体局部（一般为不同岩性接触带）片（劈）理极发育，岩石呈薄片状、碎片状结构，岩质极软，破碎。

该破碎带为地表水入渗、地下水储存、运移的通道。

受××××高速公路有限责任公司委托，通过公开竞标的方式，××××承担了××××高速公路××××合同段的超前地质预报工作。

我单位组织相关人员于2010年1月7日对××××高速公路××××标段××××隧道进口右线进行了现场探测工作。

探测的掌子面里程桩号为K20+262，预测前方30米的不良地质情况。

本次现场测试方法采用探地雷达电磁波反射法，采用设备为美国GSSI公司生产的SIR-20 GPR 地质雷达，采用天线频率为100MHz。

2物探方法基本原理2.1 基本原理探地雷达是一种用于确定地下介质分布情况的高频电磁技术，基于地下介质的电性差异，探地雷达通过一个天线发射高频电磁波，另一个天线接收地下介质反射的电磁波，并对接收到的信号进行处理、分析、解译。

其详细工作过程是：由置于地面的天线向地下发射一高频电磁脉冲，当其在地下传播过程中遇到不同电性（主要是相对介电常数）界面时，电磁波一部分发生折射透过界面继续传播，另一部分发生反射折向地面，被接收天线接收，并由主机记录，在更深处的界面，电磁波同样发生反射与折射，直到能量被完全吸收为止(见图1、2)。

反射波从被发射天线发射到被接收天线接收的时间称为双程走时t，当求得地下介质的波速时，可根据测到的精确t值折半乘以波速求得目标体的位置或埋深，同时结合各反射波组的波幅与频率特征可以得到探地雷达的波形图像，从而了解场地内目标体的分布情况。

图1 探地雷达电磁波传播示意图a图2 探地雷达电磁波传播示意图b一般，岩体、混凝土等的物质的相对介电常数为4—8，空气相对介电常数为1，而水体的相对介电常数高达81，差异较大，如在探测范围内存在水体、溶洞、断层破碎带，则会在雷达波形图中形成强烈的反射波信号，再经后期处理，能够得到较为清晰的波形异常图。

在众多地质超前预报手段中，使用探地雷达预报属于短期预报手段，预报距离与围岩电性参数、测试环境干扰强弱有关。

一般，探地雷达预报距离在15~35米。

2.2 探地雷达在勘查中的基本参数2.2.1 电磁脉冲波旅行时 v z v x z t 2422≈+=式中：z-勘查目标体的埋深； x-发射、接收天线的距离（式中因z>x,故X 可忽略）；v-电磁波在介质中的传播速度。

2.2.2 电磁波在介质中的传播速度 r r r c c v εμε≈=式中：c —电磁波在真空中的传播速度（0.29979m/ns ）;r ε—介质的相对介电常数，r μ—介质的相对磁导率（一般r μ1≈）2.2.3 电磁波的反射系数电磁波在介质传播过程中，当遇到相对介电常数明显变化的地质现象时，电磁波将产生反射及透射现象，其反射和透射能量的分配主要与异常变化界面的电磁波反射系数有关：γ=(ε11/2-ε21/2)/(ε11/2+ε21/2)式中：r — 界面电磁波电场反射系数；1ε—第一层介质的相对介电常数；2ε—第二层介质的相对介电常数。

2.3 数据处理方法本次数据处理工作主要使用RADAN65软件进行，所作的处理工作如下：2.3.1 距离归一化在用探地雷达进行连续探测时，由于不可避免的因素，天线移动的速度很难做到匀速，导致每米扫描线数不同，需要使用标记功能测算出天线移动的距离，通常是每2米1个标记，在后期处理中根据选择每米扫描数，增补或删除一些扫描线，使得测线内的扫描线均匀。

2.3.2确定波速由于探地雷达记录的是反射波的双程走时t ，需要用波速计算出目标体的位置，这关系到深度解释的问题，是一项非常重要的工作，波速计算可通过以下公式进行：sc v =其中：v 是电磁波波速；c是真空中电磁波波速；s是相对介电常数；2.3.3 水平和垂直滤波雷达资料中水平波特别发育，它产生于雷达仪器本身。

即使将天线对空，也会记录到回波，这回波不是来自天空，而是来自于控制器、数据线、天线的相互作用，是难以避免的。

水平波具有时间相等的特点，水平滤波就是利用这一特性。

滤波过程中，可将相邻的一定数量的扫描线求平均，再与个别扫描线相比较，就可消除水平波。

水平滤波中选取的扫描线数越大，滤波效果越小。

相反选取的扫描线数越小，滤除水平波的效果越明显。

但如果水平滤波扫描线取得太少，可能会滤掉一些缓变界面信号。

因而在进行水平滤波时，要根据对象进行试验、调整，以求最佳效果。

垂直滤波中较为常用的方法有带通滤波，高通滤波，低通滤波，小波变换等。

垂直滤波的目的是为了消除杂散波干扰，这些杂散波是来自于外源，不是天线自身发出的，频率不在雷达天线频带内。

有时为了区分不同的地质体，选取不同的频带，都要用到垂直滤波。

垂直滤波是一种数学变换，有时会带来较大的失真，滤波的频带越窄，失真越大，应用中要认真选取方法和参数。

因为雷达天线的发射与接收都设定了带宽，也就是说雷达信号本身已经过滤波，所以一般资料处理中的滤波处理改善并不明显。

3 设计文件描述的预报段地质条件设计文件描述的预报段（K20+262—K20+292）地质特征为：表层为块石，松散结构，白云岩为厚层状，质硬，节理较发育；钙质千枚岩节理、裂隙发育，片理间结合较差，岩质软，顺层，且顺层以上白云岩厚度薄，与钙质千枚岩接触带具软弱夹层，开挖后白云岩易顺层滑塌。

设计为Ⅴ级围岩。

4 掌子面地质编录及地质分析为做好本次隧道超前地质预报工作，我们对K20+262掌子面进行了相应的地质编录和素描（详见附件一：掌子面地质编录表）。

通过现场调查，掌子面岩性为白云岩与千枚岩互层交杂，右部和上部以千枚岩为主，左下部发育为千枚岩。

千枚岩产状为： S74°E /NE∠47°。

围岩主要发两组组节理，第一组节理产状为S25°W/SE∠65°，间距0.35-0.5m，可见长度1.5-3.0 m。