地質(zhì)雷達(dá)超前預(yù)測預(yù)報(bào)技術(shù)

地質(zhì)雷達(dá)超前預(yù)測預(yù)報(bào)技術(shù)1．概述

隨著社會(huì)的發(fā)展，工程項(xiàng)目建設(shè)中逐步引入“以人為本”的建設(shè)理念，如何保證隧道施工安全，改善作業(yè)環(huán)境，減少地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生及降低災(zāi)害損失，加強(qiáng)預(yù)防制定必要的預(yù)案是一項(xiàng)重要手段。隧道施工中做好超前地質(zhì)預(yù)測預(yù)報(bào)，提前發(fā)現(xiàn)隧道前方的地質(zhì)變化，為施工提供較為準(zhǔn)確的地質(zhì)資料，及時(shí)調(diào)整施工工藝，是規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)，確保隧道施工順利進(jìn)行的重要保證。2．主要方法

目前國內(nèi)超前地質(zhì)預(yù)測預(yù)報(bào)主要采取物探與鉆探相結(jié)合的辦法，物探手段主要有地震波反射法、HSP法、地質(zhì)雷達(dá)法、紅外探水等，鉆探方法主要指超前水平地質(zhì)鉆孔、超長炮眼等。本文主要講述地質(zhì)雷達(dá)在隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中的應(yīng)用。3．地質(zhì)雷達(dá)（GPR）

本文以意大利IDS公司生產(chǎn)的K2型地質(zhì)雷達(dá)為例，在隧道超前地質(zhì)預(yù)測預(yù)報(bào)工作中主要使用的是40M、80M非屏蔽天線。該設(shè)備具有掃描速度快、操作簡便、重量輕、分辨率高、圖像直觀等優(yōu)點(diǎn)，在隧道超前預(yù)報(bào)中得到廣泛的應(yīng)用。

近二十年來，意大利IDS公司一直潛心研究優(yōu)于普通雷達(dá)的多功用、高分辨率的雷達(dá)系統(tǒng)，整套雷達(dá)系統(tǒng)由三部分組成：主機(jī)

天線軟件最新一代博泰克雷達(dá)數(shù)據(jù)記錄單元和K2控制單元K2天線控制單元尺寸:22x17x5.5cm重量:1.2Kg功耗：8W推薦使用的軍工級筆記本電腦輕便便攜；防震防水；超長待機(jī)時(shí)間；高亮度顯示屏?注：用戶可用自備的筆記本電腦RISK2控制單元技術(shù)參數(shù)掃描速率：850掃/秒脈沖重復(fù)頻率：400KHz(高速的脈沖重復(fù)頻率使數(shù)據(jù)收集更快)時(shí)窗：9999nsec采樣點(diǎn)數(shù)：128-8192疊加數(shù)：1-32768分辨率：5psec工作溫度：－10～40℃A/D轉(zhuǎn)換：16bit環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)：IP65動(dòng)態(tài)范圍：>160dB信噪比：>160dB最多至8個(gè)通道，可連接8對單天線同時(shí)測量RIS-K2系統(tǒng)主要特征輕質(zhì)便攜，單人輕松操作，是目前世界上最小和最輕的雷達(dá)極高的發(fā)射速率和掃描速度天線屏蔽好，頻帶寬，信號穩(wěn)定性強(qiáng)，高分辨率，高靈敏度防水、防塵、防爆設(shè)計(jì)，適應(yīng)井下及惡劣的工作環(huán)境單通道主機(jī)可升級為多通道主機(jī)，單天線可升級為天線陣靈活配置，主機(jī)與所有RIS天線及天線陣兼容，最大限度地節(jié)約成本具備指示燈報(bào)警功能，隨時(shí)報(bào)告雷達(dá)電池電量、溫度、電纜連接等情況雷達(dá)可直接與GPS連接，探測成果自動(dòng)生成GIS格式文件，方便信息化管理天線齊全，頻率從25MHz～2500MHz，包含地面耦合天線、空氣耦合天線、井中天線及各種天線陣，可滿足最廣泛的探測需求精確定位及測量：時(shí)間、測量輪、測線盒以及GPS方式可精確定位目標(biāo)，多極數(shù)據(jù)使得目標(biāo)形狀識別更加準(zhǔn)確處理軟件功能強(qiáng)大，自動(dòng)三維成像和三維切片處理，自動(dòng)生成ACCESS數(shù)據(jù)庫，自動(dòng)生成厚度報(bào)表，自動(dòng)繪制探測結(jié)果的CAD三維立體圖，自動(dòng)進(jìn)行巖性分類天線種類齊全：25MHz～2500MHz4．地質(zhì)雷達(dá)應(yīng)用

什么是探地雷達(dá)(GPR)?

采用無線電波探測的一種技術(shù),頻率一般在5-2000MHz,

對地下結(jié)構(gòu)和埋藏物以及人造結(jié)構(gòu)成像.

它不是所謂的“黑匣子”,直接告訴你地下異常體的位置.

最早的脈沖雷達(dá)系統(tǒng)是Melton于1937年提出的。

三種基本模式:反射,速度探測,層析成像.地質(zhì)雷達(dá)是利用超高頻窄脈沖電磁波探測介質(zhì)分布的一種地球物理勘探方法，其工作原理是發(fā)射天線向隧道掌子面前方發(fā)射電磁波信號（106～109HZ）,在電磁波向掌子面前方傳播的過程中，當(dāng)遇到電性差異的目標(biāo)體（如空洞、裂隙、巖溶等）時(shí)，電磁波便發(fā)生反射，由接收天線接收反射波。在對地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)雷達(dá)波形、電磁場強(qiáng)度、振幅和雙程走時(shí)等參數(shù)便可推斷掌子面前方的地質(zhì)構(gòu)造。目標(biāo)體到掌子面的距離d=v△t/2(△t為電磁波的雙程走時(shí)，ns；v為磁波的傳播速度，cm/ns）。介質(zhì)中電磁波的傳播速度v=C0/ε2/1，（C0為電磁波在空氣中的傳播速度，30cm/ns；ε為介質(zhì)相對介電常數(shù)，對空氣為1，對水為81對石灰?guī)r為6～7，對花崗巖為4～9）。實(shí)際上，電磁波在介質(zhì)界面產(chǎn)生反射就是因?yàn)閮蓚?cè)介質(zhì)的介電常數(shù)不同，差異越大反射信號越強(qiáng)烈，反之反射信號越差。4.1地質(zhì)雷達(dá)工作原理攜帶方便GPR是無損探測技術(shù)與其它地球物理方法相比，數(shù)據(jù)采集速度非常快水平和垂直位置精度高高分辨率地下圖像GPR的優(yōu)點(diǎn)

探測深度和目標(biāo)體的分辨能力依賴于土壤（或地下介質(zhì)）特性

.高導(dǎo)電率介質(zhì)會(huì)使

GPR方法無效（如海水、鹽堿地、金屬礦、粘土層等）.

目標(biāo)體和周圍介質(zhì)要有足夠的電性差異（介電常數(shù)和電阻率）

GPR數(shù)據(jù)的解釋因人而異，

解釋者的經(jīng)驗(yàn)非常重要.GPR的局限性

不同天線的穿透深度上述穿透深度是理想條件下的數(shù)值.天線(MHz)土壤中(m)

25 25 4050 20 30100 12 20200 8 3.5 580023.51000 1.5 3巖石中(m)

用電磁波穿透地下介質(zhì)

穿透深度取決于介質(zhì)的介電常數(shù)和電導(dǎo)率

記錄反射時(shí)間

速度一般在50-150m/μs

三種模式:反射,速度,層析成像

基本原理

雷達(dá)探測的95%是用偶極反射模式

從原理上將，GPR類似于聲納設(shè)備

發(fā)射機(jī)發(fā)射一“列”電磁脈沖，

該脈沖在介質(zhì)中傳播

在地下介質(zhì)的電特性有變化的地方發(fā)生反射(即散射)

接收機(jī)拾取“背散射”信號，記錄它

并將其顯示在計(jì)算機(jī)屏幕中

GPR方法–

反射GPR方法-反射4.2測量方法：4.2.1天線頻率的選擇隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，一般采用50M或100M非屏蔽天線（50M非屏蔽天線預(yù)測范圍一般在30～50m，100M非屏蔽天線預(yù)測范圍一般在20～30m）。4.2.2測線布置和信號觸發(fā)方式對于采用上、下導(dǎo)坑法開挖的隧道（包括多臺(tái)階法開挖的隧道），由于工作面相對比較狹窄，一般布置一條測線即可；對于全斷面開挖的隧道，一般布置兩條測線，即起拱線一條、距隧底2m高處一條，或“井”字型布置四條測線。其原則就是盡可能靠近掌子面軸心位置，測線距離盡可能長，盡可能多采集數(shù)據(jù)，以便于后期數(shù)據(jù)的分析處理。在隧道的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作中，由于掌子面的工作環(huán)境通常比較惡劣，所以地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)采集的時(shí)候，觸發(fā)方式最好采用手動(dòng)觸發(fā)方式。4.2.3雷達(dá)圖像的判讀

地質(zhì)雷達(dá)圖像剖面是地質(zhì)雷達(dá)資料解釋的基礎(chǔ)只要掌子面前方介質(zhì)存在電性差異，就可以在雷達(dá)剖面圖中找到相應(yīng)的放射波與之對應(yīng)。根據(jù)相鄰道上反射波的對比，把不用道上同一反射波相同相位連接起來的對比線稱為同相軸，雷達(dá)剖面圖的識別主要是確定具有相同特征的反射波組的同相軸。隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)主要是確定掌子面前方的構(gòu)造斷裂、軟弱夾層、巖溶洞穴等的分布位置以及掌子面前方地下水狀況，巖溶洞穴填充物及其性質(zhì)的預(yù)報(bào)等。構(gòu)造斷裂帶在雷達(dá)剖面圖上的波形反映一般是與斷裂帶走勢相同的一條曲線，軟弱夾層和巖溶洞穴的波形反映一般是由許多細(xì)小的拋物線組成的一塊較大區(qū)域，與周圍的波形存在明顯差異。實(shí)踐證明，地質(zhì)雷達(dá)對掌子面前方含水、溶洞、斷裂帶等異常放映較好，但預(yù)報(bào)范圍將會(huì)相對縮短。因?yàn)樗慕殡姵?shù)ε=81，電磁波能量會(huì)被水大量吸收，探測距離相對縮短。電磁波在地層中傳播時(shí)的能量消耗也很大，也會(huì)對探測距離有一定的影響。雷達(dá)圖像的判讀除了在雷達(dá)剖面圖上發(fā)現(xiàn)明顯的信號異常之外，最好還要注意觀察掌子面施工現(xiàn)場的地質(zhì)情況，結(jié)合地質(zhì)方面的知識加以綜合判斷會(huì)得到更準(zhǔn)確的結(jié)果。4.3GPR應(yīng)用實(shí)例地質(zhì)雷達(dá)實(shí)際采集圖片地質(zhì)雷達(dá)實(shí)際采集圖片

下圖是某隧道進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)采集到的地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)實(shí)例，測區(qū)屬三疊系嘉陵江組第三段（T1J3），巖層產(chǎn)狀為310～350°∠7～30°，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖溶發(fā)育。40M非屏蔽天線地質(zhì)雷達(dá)處理后圖像上圖是地質(zhì)雷達(dá)40MHZ主頻非屏蔽天線采集的雷達(dá)數(shù)據(jù)，采樣頻率1084MHZ，采樣點(diǎn)數(shù)512，天線間隔1m，采樣間隔0.1m。從圖中明顯看出，在掌子面前方13m處，有一明顯的地質(zhì)異常，結(jié)合探測時(shí)掌子面大面積夾泥的情況分析，掌子面前方13m，巖性無明顯改變，依然為泥夾破碎石灰?guī)r巖塊，13m處有一強(qiáng)反射，推斷為巖性發(fā)生改變，后經(jīng)開挖證實(shí)為炭質(zhì)灰?guī)r，與判斷一致。40M屏蔽天線地質(zhì)雷達(dá)處理圖像

上圖是某隧道隧底巖溶普查采集的雷達(dá)數(shù)據(jù)，采用的是地質(zhì)雷達(dá)40MHZ屏蔽天線，采樣頻6800MHZ，采樣點(diǎn)數(shù)512，采樣間隔0.5m。圖中0～15m、30～40m兩段為地面水的干擾，從圖像分析，該段隧底無地質(zhì)異常，后經(jīng)釬探證實(shí)此判斷無誤。5．超前預(yù)測的綜合判釋地質(zhì)雷達(dá)在中、短距離的地質(zhì)探測中，有很優(yōu)異的表現(xiàn)，如果使用地質(zhì)雷達(dá)與TSP相互論證，得到的結(jié)論一般就比較準(zhǔn)確了，即使在不良地質(zhì)條件下，對大型地質(zhì)異常的判斷準(zhǔn)確率也會(huì)在90%以上，對一般性地質(zhì)異常的判斷準(zhǔn)確率也可以達(dá)到70%。采用物探、鉆探等多種方法，并相互印證，預(yù)測的準(zhǔn)確性最佳，如何合理綜合利用各種物探手段，使之發(fā)揮最大的效率，得到最準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)成果，需要根據(jù)地質(zhì)情況和預(yù)測經(jīng)驗(yàn)的積累逐步調(diào)整。地質(zhì)超前預(yù)測預(yù)報(bào)技術(shù)中的物探手段是建立在對儀器采集數(shù)據(jù)的分析上，不同的人員對數(shù)據(jù)的