美國GSSI地質雷達隧道超前預報介紹與資料處理(共41頁)

1、精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上美國地質雷達隧道超前預報工作介紹目前我們國家地下隧道建設工作量大，地質條件復雜，有灰?guī)r地區(qū)、花崗巖地區(qū)、黃土高原、第四季覆蓋等等。隧道開挖中常常遇到巖溶發(fā)育、出現大的空洞，充水或者充泥，有時地下暗河發(fā)育；也會遇到構造帶，或者巖石破碎，同時地下水發(fā)育，這給隧道開挖和建設造成很多困難，同時也給隧道運營造成一定的隱患。因此需要采用一定的手段對這些地質構造和地質災害進行探測和預報，提前采取措施來排除災害。工作任務為了能夠探明隧道開挖面(俗稱掌子面)前方的地質構造，通常采用多種方法進行綜合分析、探測、預報。常見的方法有：地質分析，地球物理探測(聲波法、直流電法、電磁波方法)，鉆

2、孔方法，或者超前導洞等等。采用各種地球物理方法進行探測，分別給出探測結果，綜合地質構造情況，進行綜合解釋，給出掌子面前方的地質構造和可能的地質災害信息。探測前提條件隧道開挖中遇到的地下材料或者介質，主要有石灰?guī)r、花崗巖、大理巖、砂巖、第四季覆蓋、沙土、黃土，還有地下水、空洞等等。由于這些材料的物理性質有很多種，比如密度、導電率、介電常數、磁導率等等。聲波超前預報。由于密度不同、聲波傳播速度不同，可以采用聲波法進行探測，出現了地震波超前預報。直流電法超前預報。根據導電率的差異采用直流電法，預報掌子面前方材料的導電率差異，尤其是含鹽份的地下水表現為良導體、而空氣為高阻體；地質雷達預報。根據導電率、

3、介電常數、磁導率的差異，采用地質雷達高頻電磁波方法進行探測，獲取掌子面前方材料的介電常數差異信息，瞬變電磁預報。由于巖石、土壤、水、空氣的電磁響應不同，采用瞬變電磁方法探測材料的差異。目前這4種方法在隧道超前預報中都有使用，尤其是地質雷達超前預報方法得到了普遍使用，利用地質雷達方法在隧道掌子面上進行探測，對隧道開挖超前預報，下面介紹這部分內容。探測儀器地質雷達方法通常采用高頻電磁波發(fā)射法工作，頻帶范圍為幾兆赫茲到幾千兆赫茲，不同的頻率探測深度不同，低頻電磁波探測深度較大，因而出現了不同中心頻率的天線，商業(yè)地質雷達通常采用窄脈沖寬頻帶電磁波信號工作，一般情況下100兆天線在土壤、破碎的巖石、基巖

4、上探測深度范圍從幾米到十幾米甚至30米左右。目前隧道開挖地質超前預報距離正好是要求在十幾米到30米左右，并且要求能夠精確預報，這與地質雷達100兆天線的探測正好吻合。鑒于掌子面的工作面比較窄，通常從幾米到十幾米寬。而100兆天線本身僅僅不到1米長，也不需要把天線埋入地下進行非常緊密的接觸，因而探測方便。經過多年的探測試驗研究，目前地質雷達100兆天線在隧道超前預報中得到了廣泛使用。常見的地質雷達系統有美國GSSI公司的SIR系列地質雷達系統、加拿大Sensor&Software公司的EKKO系列地質雷達系統、瑞典Mala公司的地質雷達系統等等。GSSI公司的SIR系列地質雷達系統在國內使用普遍

5、，主機型號有專業(yè)型SIR-10A,10B,10H，SIR-20，便攜式SIR-2,SIR-2000,SIR-3000。主機兼容所有天線。目前使用較多的是SIR-20和SIR-3000兩款主機，都兼容100兆赫茲天線。采用地質雷達主機、電纜、天線和電池就可以進行超前預報。SIR-20主機SIR-3000主機100兆天線數據采集與現場工作測線布置：在隧道超前預報探測中，根據圍巖和掌子面巖石構造和巖性分析，來布置測網測線。對于構造簡單的圍巖，而掌子面巖石完整，同時已經開挖的幾十米甚至幾百米隧道內巖石完整，都為基巖，比如沉積巖，通常建議在掌子面上布置一條測線。灰?guī)r地區(qū)開挖隧道，由于灰?guī)r地區(qū)巖溶非常發(fā)育

6、，溶洞發(fā)育不規(guī)則，而且其尺寸和地下賦存狀態(tài)非常復雜，通常含有地下水，或者跟地下暗河連通，有時處于大山底部屬于承壓地下水，一旦承壓水從隧道掌子面涌出將非常危險。鑒于此就需要對掌子面前方的溶洞進行精細探測，因此在巖溶發(fā)育地區(qū)尤其是地下水豐富的隧道內，需要在掌子面布置井字型測線，構成密集的測網。由于隧道開挖通常是采用全斷面開挖技術或者階梯狀開挖技術。對于全斷面開挖，可以利用100兆天線在隧道掌子面上多測幾條測線；對于階梯狀開挖，利用100兆天線在隧道掌子面的特定部位有針對性的進行探測和預報。由于目前地質雷達系統多數天線多設計為貼地耦合式，建議天線盡量緊貼被測物體的表面，接觸約好探測效果約理想，一般建

7、議離開地面的距離控制在1/4波長以內，100兆天線建議距離被測物體表面的距離控制在10厘米以內，天線最好能夠緊貼其表面。地質雷達超前預報工作照片地質雷達探測系統有3種觸發(fā)方式，分別為時間方式連續(xù)測量、手動點測方式、測量輪觸發(fā)距離測量方式。鑒于隧道開挖掌子面通常凹凸不平整，天線不方便在掌子面上快速移動，因此建議采用點測法進行超前探測，點距控制在10厘米；在適當的地方手動做標記，如下圖。在非常平整的掌子面上可以結合手動點測方式和時間方式連續(xù)測量相結合的來進行探測。采集參數表格關于儀器參數設置請參考下面的表格，關于100兆天線參數，兩種儀器都建議采用點測模式point mode，工作天線名稱、發(fā)射率

8、、掃描速度、采樣點數、記錄長度、濾波范圍、疊加次數都一樣，首波延時和增益參數不同，不過都建議采用固定的相同的參數進行測試，便于對探測數據進行比較。而增益參數需要在現場進行調整，通常增益值都不大于60分貝。SIR-20地質雷達主機和100兆單體天線采集參數表格1100MHz Config Type測量對象geoConfig Name天線100MHzTransmit Rate發(fā)射率50KHzSamp/scan采樣/測點512/1024Scans/sec測點/秒15-30Scans/m 掃描/米10m/mark 米/標記5SIR-20地質雷達主機采集參數表格2100MHzPosition（ns）信號

9、位置46Range（ns）記錄長度100-200-300Gain增益NumberOfPoints增益點5Gain value增益值IIR H Low Pass平滑降噪3. IIR H High Pass 消除背景0IIR V Low Pass(MHz)低通300IIR V High Pass(MHz)高通25FIR Low Pass(MHz)低通0FIR High Pass(MHz)高通0Stacking 疊加100GSSI公司SIR-3000和100兆天線地質超前預報探測參數表1順序系統參數Parameters100MHz1*系統調用SYSTEM-SETUP-RECALL100met2顯示刻

10、度(豎直方向)SYSTEM-UNITS-VSCALETime/Depth天線COLLECT-RADAR-ANTENNA100mhz發(fā)射率COLLECT-RADAR-T_RATE50KHz6測量模式(水平方向)COLLECT-RADAR-MODETime/PointGPSCOLLECT-RADAR-GPSNone采樣點數COLLECT-SCAN-SAMPLES512/1024數據位COLLECT-SCAN-FORMAT(bits)164*記錄長度(納秒)COLLECT-SCAN-RANGE(ns)300-400-500介電常數COLLECT-SCAN-DIEL67掃描速度(掃描/秒)COLLEC

11、T-SCAN-RATE168測點(掃描/單位）距離COLLECT-SCAN-SCN/UNIT105*增益：類型-點數COLLECT-GAIN-AUTO-POINTSY-53-1信號位置：模式COLLECT-POSTION-MODEMANUAL3-2信號位置：延時COLLECT-POSTION- OFFSET-143-3信號位置：地面COLLECT-POSTION-SURFACE(%)0濾波COLLECT-FILTERS低通-無限響應濾波器- LP_IIR (mhz) 300高通-無限響應濾波器- HP_IIR (mhz) 25低通-有限響應濾波器- LP_FIR (mhz) 0高通-有限響應濾

12、波器- HP_FIR (mhz) 0疊加(掃描)COLLECT-FILTERS -STACKING3時間模式64-128點測背景去除(掃描)COLLECT-FILTERS-BGR_RMVL09-1顏色表OUTPUT-DISPLAY-C_TABLE9-2顏色變換表OUTPUT-DISPLAY-C_XFORM10保存參數SYSTEM-SETUP-SAVESETUP0111*數據采集RUN/SETUP12*數據傳輸OUTPUT-TRANSFER-FLASHY資料處理與解釋地質雷達超前預報在掌子面現場采用手動觸發(fā)方式點測取得探測結果一般情況下都比較理想，因而在后期室內資料處理和解釋就相對比較簡單，一般

13、包括以下幾個步驟，資料整理、圖像顯示、資料編輯、增益處理、一維頻率濾波、高級濾波、圖像輸出、資料對比與地質解釋。資料整理：對現場所測資料進行整理，包括測量測網資料整理，野外記錄表格的電子化錄入工作，工作照片整理，備份野外探測數據。圖像顯示，利用專門的處理軟件打開數據，采用線掃描方式、波形加變面積方式、波形圖等方式顯示測量數據。資料編輯剔除強烈的干擾信息，把一條測線上相鄰的幾個數據剖面連接在一起組成長剖面數據文件。增益處理，采取整體增益，對整個數據剖面的振幅信息進行放大，或者采用指數增益函數對某一個深度區(qū)間的振幅信息進行局部放大，便于數據顯示。選做。一維頻率濾波，如果在探測資料中出現了低頻信號干

14、擾，請采用頻率濾波方法濾除低頻干擾信號。通常情況下不做此處理。高級濾波，在探測資料中如果出現多次波干擾信息，需要利用反褶積方法消除多次波干擾，恢復地下真正的地質構造剖面。輸出探測圖像，并且對各幅探測圖像進行比較，尋找差異，同時結合地質資料，進行地質推斷和資料解釋工作。給出地質剖面圖。也需要結合各里程樁號地質雷達探測剖面信息，組成一幅隧道剖面圖。具體案例專心-專注-專業(yè)GSSI地質雷達超前預報資料處理步驟美國地球物理測量系統公司美國勞雷工業(yè)公司2011年7月GSSI地質雷達超前預報RADAN資料處理步驟1. 打開軟件RADAN，選擇文件夾.視圖自定義文件目錄. 選擇文件夾設置工具欄與狀態(tài)欄坐標2

15、. 打開文件。文件打開(*.dzt)。文件顯示，換顏色。超前預報的雷達測點數、掃描數通常比較少。根據這個特點，超前預報的地質雷達圖像顯示方式，采用線掃描剖面，或者波形加變面積圖?；蛘邇烧呓Y合的方式。 線掃描模式波形顯示對于點測數據剖面，掃描數較少，建議采用波形加變面積方式顯示地質雷達超前預報剖面。軟件啟動后，打開雷達剖面默認為線掃描模式顯示方式。單擊顯示器按鈕圖標，打開對話框設置顯示參數，并且修改波形加變面積顯示參數，如下圖 雙擊WIGGLE波形加變面積圖，彈出對話框：比例：波形顯示時所占的像素數。間隔：波形中心線之間的像素數。疊加：幾個掃描信息疊加后，顯示為1個波形。在段剖面測量中強烈建議顯

16、示期間不做疊加。抽點：跳過幾個點后，顯示一個波形。用于剖面較長的情況。填充標準：正-表示填充正波，負-表示填充負波。通常默認為正波。填充大?。阂话憬ㄗh設置0.表示波形一起跳就填充。預覽：表示波形顯示效果。注釋：比例參數一般為間隔的2倍。波形加變面積參數設置完畢，返回顯示參數設置對話框，選擇保存按鈕以保存所有顯示參數，包括波形加變面積參數在內，從而下次可以直接調用顯示參數文件(*.pam)方便顯示地質雷達剖面；具體操作方法是：RADAN軟件啟動后，選擇顯示器圖標-打開顯示參數設置，選擇調用按鈕-打開pam參數文件。選擇保存按鈕，保存參數文件為100兆天線地質預報顯示參數.pam。而資料處理完畢最

17、后結果顯示參數可以保存為100兆天線地質預報出圖顯示參數.pam。3. 掃描信息預編輯：利用圖標編輯選擇, 選擇一段掃描剖面，切除多余掃描信息刪除，或者保存特定掃描剖面 保存。在隧道掌子面上做地質預報，表面不平整，天線難以靠近或者貼緊掌子面，另外干擾比較大，對于明顯的干擾采用直接剪切法。切除上圖中第164,、165個掃描。4. 文件測量方向掉轉。打開文件，文件另存為-方向反轉，打勾。5. 添加掌子面寬度信息。對于一定寬度的掌子面，一般建議10厘米測一個點；而實際施工中會略有差別，可以通過調整參數使得雷達剖面與掌子面寬度一致。6. 確定地面反射波信號位置編輯文件頭信號位置(納秒)，如 -2.5。

18、建議：數據采集時，主機中所用的參數保持固定：比如position/offset信號位置和延時。7. 設置和修改介電常數，計算深度信息編輯文件頭介電常數。介電常數深度剖面8. 信號振幅自動增益調整 處理增益調整自動增益，增益點數為5。指數增益參數設置：手動設置增益點數，調整增益值大小。對于超前預報，通常采用現場調整增益的方法，使得剖面、波形清晰；若波形振幅較小，則在剖面上點鼠標右鍵，選擇顯示增益，對整個剖面的振幅進行放大，而僅僅是顯示而已。9. 一維頻率濾波，消除低頻電磁干擾。 處理IIR濾波。一維頻率濾波包括3個部分：頻譜分析、判斷主頻信號與識別低頻干擾、頻率濾波。在地質雷達資料處理中，通常選擇高通濾波來消除低頻信號。頻譜圖與地質雷達原始記錄曲線頻譜分析圖左圖為原始記錄信號，右上圖為地質雷達單個測點波形，右下圖為其對應的頻譜。從頻譜圖中，可以看出地質雷達電磁波對應的主頻為75MHz，頻帶寬度為50-110MHz；頻