地質(zhì)雷達(dá)超前預(yù)報(bào)技能在隧道中的應(yīng)用

PAGE地質(zhì)雷達(dá)超前預(yù)報(bào)技術(shù)在隧道中的應(yīng)用1．概述地質(zhì)雷達(dá)因具有掃描速度快、操作簡(jiǎn)便、重量輕、分辨率高、屏蔽效果好、圖像直觀等優(yōu)點(diǎn)而在隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中得到廣泛的應(yīng)用。別巖槽隧道位于重慶市萬(wàn)州區(qū)新田鎮(zhèn)，隧道全長(zhǎng)3721m，地質(zhì)結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜，洞內(nèi)分布溶洞和斷層，涌水量400m3/h，給施工帶來(lái)困難。2004年宜萬(wàn)鐵路指揮部在集團(tuán)公司范圍內(nèi)首次引進(jìn)地質(zhì)超前預(yù)報(bào)技術(shù)用于別巖槽隧道，經(jīng)過(guò)一年多的使用，取得了較好的效果，也摸索出了一套現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)和圖像分析判定的有效方法，為施工生產(chǎn)的順利進(jìn)行奠定了基礎(chǔ)。2．地質(zhì)雷達(dá)超前預(yù)報(bào)工作原理地質(zhì)雷達(dá)是利用超高頻窄脈沖電磁波探測(cè)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(xiàn)向隧道周?chē)l(fā)射電磁波信號(hào)（106～109Hz），在電磁波向掌子面前方傳播的過(guò)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(xiàn)接收反射波。在對(duì)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(chǎng)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=vΔt/2其中：Δt為電磁波的雙程走時(shí)，ns；V為電磁波的傳播速度，cm/ns。介質(zhì)中電磁波的傳播速度v=c0/ε1/2。其中C0為電磁波在空氣中的傳播速度，30cm/ns；ε為介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)，空氣為1，水為81，石灰?guī)r為6～7，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(hào)越強(qiáng)烈，反之反射信號(hào)越差。3、測(cè)量方法3.1天線(xiàn)頻率的選擇天線(xiàn)中心頻率的選擇需要兼顧目標(biāo)體深度、目標(biāo)體最小尺寸以及天線(xiàn)尺寸是否適合場(chǎng)地要求。一般在滿(mǎn)足分辨率且場(chǎng)地條件許可時(shí)，盡量采用中心頻率低的天線(xiàn)。如要求的空間分辨率為x(m)，圍巖相對(duì)介電常數(shù)為ε，則初步選定天線(xiàn)中心頻率f=150/xε1/2MHZ，。隧道超前預(yù)報(bào)一般可采用中心頻率為50MHz左右的天線(xiàn)進(jìn)行測(cè)量，預(yù)報(bào)范圍一般能夠達(dá)到掌子面前方20～50m。3.2測(cè)線(xiàn)布置和信號(hào)觸發(fā)方式選擇地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)采集時(shí)的信號(hào)觸發(fā)方式一般有三種，即測(cè)量輪觸發(fā)、時(shí)間觸發(fā)和鍵盤(pán)觸發(fā)。測(cè)量輪觸發(fā)方式一般要求測(cè)量表面比較光滑，保證測(cè)量輪正常滾動(dòng)，以使雷達(dá)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度能夠和實(shí)際測(cè)線(xiàn)長(zhǎng)度相符，一般用于隧道檢測(cè)中；時(shí)間觸發(fā)方式是通過(guò)汽車(chē)均速前進(jìn)按相等的時(shí)間間隔按下鍵盤(pán)觸發(fā)而采集數(shù)據(jù)；鍵盤(pán)觸發(fā)方式是通過(guò)電腦鍵盤(pán)發(fā)送指令給雷達(dá)控制系統(tǒng)，按一下鍵盤(pán)采集一道數(shù)據(jù)，天線(xiàn)按固定間距移動(dòng)，移動(dòng)一次采集一道數(shù)據(jù)，這種信號(hào)觸發(fā)方式非常適合掌子面惡劣的工作條件，隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中一般采用這種信號(hào)觸發(fā)方式。隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)一般測(cè)線(xiàn)布置有以下兩種，見(jiàn)圖一。a）兩橫兩豎式（b）一橫三豎式圖一測(cè)線(xiàn)布置圖3.3現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量3.3.1測(cè)量準(zhǔn)備（1）先將電池裝到主機(jī)和天線(xiàn)上，將光纖分別與主機(jī)和天線(xiàn)相連，將并口數(shù)據(jù)線(xiàn)與主機(jī)和計(jì)算機(jī)相連。（2）打開(kāi)主機(jī)和天線(xiàn)上的電源開(kāi)關(guān)。鈔（峰3雜）運(yùn)錦行完Gro貧und攔vis盲io廣n砍軟件頂（淋4哀）當(dāng)軟奸件孩的亡F摟5帝為紅點(diǎn)考時(shí)，表課明系統(tǒng)鏡已經(jīng)連嚷接好，績(jī)按照F沫5都進(jìn)入?yún)⒁邤?shù)選擇白界面。碌（共5疏）選擇霸文件要萌保存的慕子目錄匪，取文就件名。畜選擇使占用的天斜線(xiàn)，觸執(zhí)發(fā)方式駁，點(diǎn)擊勾”甜set吼tin蜜g及”碌進(jìn)行參膀數(shù)設(shè)置蠢。一般臂情況下濟(jì)天線(xiàn)主姨頻選港擇眨50M脈H詳z存；觸發(fā)走方式選裹擇鍵盤(pán)阿觸發(fā)。巡（僅6豪）設(shè)置擊采樣頻鳥(niǎo)率、樣蝶點(diǎn)數(shù)、猶迭加次陷數(shù)、采碌樣間距繞等參數(shù)誤。距采樣頻湖率棋995顧MH摸z努，采樣趕點(diǎn)數(shù)鼓為蓮51防2終，天線(xiàn)砍間罰隔尾1.0丙m維，采樣涂間許隔冤0.1鞠m研。資（神7鼻）魄按伶“貨O伍K悔”透，再度按目“欣Sta蹈rt秘mea良sur冤eme槍n露t稈”茶進(jìn)行數(shù)老據(jù)采集注。單（承8涂）在掌番子面用折油漆劃想出預(yù)先文確定的保測(cè)線(xiàn)，扶并按照歲采樣間省隔標(biāo)出噸天線(xiàn)停澇留位置雀（街每沒(méi)0.1呢m皮一個(gè)點(diǎn)炎）。嘉（殲9雙）隧道刑超前預(yù)憶報(bào)的掌貴子面應(yīng)齡盡量平巾整。牧（站1顏0亮）掌子嶄面附近乞３０米構(gòu)范圍內(nèi)悠的機(jī)械超和臺(tái)架價(jià)等應(yīng)移福走，避搏免對(duì)雷茄達(dá)數(shù)據(jù)胃造成干因擾。絕3.3叉.雹2芬探測(cè)過(guò)獎(jiǎng)程粥做超前社預(yù)報(bào)時(shí)能一般至譽(yù)少需要并３人，鐮兩人持杠天線(xiàn)，熟一人背坐主機(jī)并各用兩手仗平端筆斃記本電朗腦。開(kāi)粘始探測(cè)勸后，拿酒天線(xiàn)的況兩人按排照油漆泰標(biāo)出的饅位置移征動(dòng)天線(xiàn)黨，待電夾腦操作壯人員發(fā)熔出采樣峽完成指搭令后方庫(kù)可移動(dòng)輩天線(xiàn)至嚷下一測(cè)臭點(diǎn)直至彼全部點(diǎn)叔采集完領(lǐng)成。數(shù)蠅據(jù)采集弄完成后孕，預(yù)按幣F員6蠻或黎ES追C販鍵結(jié)束奏數(shù)據(jù)采嫁集，退嫩出策”置Gro早und灶vis松ion附”識(shí)軟件，死最后關(guān)博閉主機(jī)俊和天線(xiàn)雅的電源荷開(kāi)關(guān)，芽關(guān)閉計(jì)時(shí)算機(jī)，巴將光纖管和數(shù)據(jù)喜線(xiàn)取下恰，探測(cè)姜過(guò)程中俊要注意錢(qián)使天線(xiàn)娃與掌子賽面圍巖晶密貼。犁4鍛、雷達(dá)趣圖像的波處理筆地質(zhì)雷則達(dá)圖像念剖面是婚地質(zhì)雷熔達(dá)資料乒解釋的島基礎(chǔ)，險(xiǎn)只要掌前子面前盈方介質(zhì)返中存在衰電性差論異，就軟可以在宰雷達(dá)剖回面圖中拒找到相須應(yīng)的反脾射波與純之對(duì)應(yīng)杯。根據(jù)受相鄰道幟上反射撐波的對(duì)糞比，把般不同道巡上同一萄個(gè)反射威波相同即相位連翼接起來(lái)糊的對(duì)比效線(xiàn)稱(chēng)為擦同相軸毅，雷達(dá)寇剖面圖遍的識(shí)別俘主要是瓦確定具遲有相同擱特征的乏反射波猴組的同獵相軸。挪一般雷憂(yōu)達(dá)數(shù)據(jù)謀采集完書(shū)成后，闖由于采蟲(chóng)集數(shù)據(jù)厘到的數(shù)盲據(jù)受到呼多種因授素的干數(shù)擾，需框要對(duì)圖譽(yù)像進(jìn)行花進(jìn)一步但的處理慰，使圖查像更能公反應(yīng)前鴨方圍巖腎的實(shí)際汽情況。偽4.淚1飾．雷達(dá)介圖像的嘉處理絕雷達(dá)圖術(shù)像的處職理一般勿是在室襯內(nèi)進(jìn)行縫的，用煮雷達(dá)自經(jīng)帶輔的大ref敞lex倚w付軟件進(jìn)菌行處理泛。首先逆進(jìn)貴入面ref圈lex赴w釣軟件，皇載入采欄集的原樸始數(shù)據(jù)搖，進(jìn)入怎濾波過(guò)掀程。屈4超.2壞濾波鎖根據(jù)雷右達(dá)圖像欺的質(zhì)量狗，可以顛使用不菌同的濾什波。用絲戶(hù)的知嚼識(shí)和經(jīng)書(shū)驗(yàn)決定萍了處理嘗圖像的泡時(shí)間。捧根據(jù)在毯別巖槽竄隧道超叫前預(yù)報(bào)安的經(jīng)驗(yàn)替，將常爭(zhēng)用的五玉種濾波種介紹如雜下（按殘照先后氏順序排犯列）組：伴應(yīng)4.2稈.鐵1扒接Sta呆tic歉Co闊rre獵cti掃on/榨Mov報(bào)es還tar艱tt從ime她(溝靜校陷正舌/滴移動(dòng)開(kāi)服始時(shí)間垮）逼（躬1控）作用冬：萌漲地該選項(xiàng)粘可以使志直達(dá)波妖的開(kāi)始插位置移帆到霧0眠點(diǎn)。杏（磨2戀）操作鈴過(guò)程（院濾波參波數(shù)選取內(nèi)見(jiàn)圖二饞）附①妖在衡Sta澡tic灘co丈rre世cti雁ons件/mu珍tin耐g略項(xiàng)中選眼擇象mo禍ve技sta服rtt睬im吐e皆；丈②券在制Mov尾es鹿tar霸tti蝕m迎e進(jìn)項(xiàng)選永擇仇man寫(xiě)ual型in傍pu派t惡；輔③耍在那Gro線(xiàn)upB疫o羞x眾中棄的貫mov幸eti遮m浙e陷選撥擇膠-8.鹽3,胞(牙用鼠標(biāo)屠移到右嚷上側(cè)波磚形的直吩達(dá)波開(kāi)餓始位置激，即可櫻得底到鞠8.3夕n榨s煌）；爪④旅將湯Pro米ces除sin胳gl縫abe拖l熟框內(nèi)選末擇與0三(課以后依隸次增加幕）；厘⑤驗(yàn)點(diǎn)背擊笨Sta拿rt,淚乖完成后翠點(diǎn)搭擊莊Clo賢se舍⑥井點(diǎn)擊選堪項(xiàng)批處山理諸（逃Seq盾uen牙ceP付roc逝.哭），出退現(xiàn)批處合理菜單廈，將實(shí)親際濾波跪步驟加或到處理遍流程中衰。業(yè)⑦稼濾波后累的數(shù)據(jù)微顯示在碌第二窗稈口亂中可,洲關(guān)塘閉洗(cl倉(cāng)ose第)嚼濾波窗壩口洋,四必須進(jìn)械入選蒙項(xiàng)育Fil睜e/C幫han住geS曲eco皂ndT點(diǎn)oPr片ima病ry子(斑文訊件屯/糖將第二圾窗口改駕到第一宮窗者口如)啄或點(diǎn)杏擊良2匆→吧1朗,賣(mài)以便把牢濾波后揚(yáng)的數(shù)據(jù)病用做下男一步處師理。孫圖二犬浪Sta桌tic缺Co場(chǎng)rre筍cti截on痕不濾波參覺(jué)數(shù)選取憑4.2晃.展2采慧1D-蒼Fil別ter順/Su豪btr沾act細(xì)-DC拌-Sh棕ift奶(廣1使維濾痰波飾/筋去直流券漂移）槍?zhuān)ㄘS1允）作用閘：該濾賄波分別泥作用于省每一道棋，它是芒所謂的例零平均伙，即去典除時(shí)間遲常數(shù)漂玻移。蜘（散2搬）操作嚼過(guò)程（呢濾波參繼數(shù)選取停見(jiàn)圖三藥）截①歐Fil牙ter偷sp憑eci站fic蘇ati曠o姿n嚴(yán)選柄Sub饑tra婚ct-消DC-訂shi穩(wěn)f劫t產(chǎn)肥Fil寬ter兩pa令ram存ete拳r衰中選擇果1t挨ime垂n萬(wàn)s映和徑2t勞ime田ns考(腰原則：床時(shí)間一匹在時(shí)間鏟窗口的扇約三分急之二處緊，時(shí)間漁二在離陷最后樣井點(diǎn)役約盆5喇個(gè)樣點(diǎn)件處；閉②廈Pro秘ces蔑sin退gl匠abe艦l慣窗口增富為革1皂。淹4.2貫.呀3斗駁AGC吼-Ga約in慕(錫自動(dòng)增榆益控制卡）傲（吳1政）作用真：該增冠益是用臥預(yù)先指賀定的窗喪口吐在綁y訊方向?qū)盘?hào)振時(shí)幅進(jìn)行奸放大。呈（外2悼）操德作過(guò)程厘（濾波寺參數(shù)選顆取見(jiàn)圖產(chǎn)四）苗①紐梢在殼Gai爭(zhēng)n青項(xiàng)選戲擇估AGC筒-Ga樂(lè)in挖圖三丑換Sub炎tra換ct-將DC-劑Shi緊f吹t疤濾波參磁數(shù)選取框②班得Win帝dow吹le杠ngt瓶h茄選整個(gè)自窗口普的明1/緣8舉左右曲，踩Sca瓶le掏val棄u礎(chǔ)e宅選取1云左右（處越大放病大倍數(shù)錄越大，秋反之亦病然）攻③統(tǒng)游Pro拖ces柏sin最gl仁abe各l繞舅增罷為美2災(zāi)圖四暗求AGC風(fēng)-Ga偏i敘n醬濾波參剛數(shù)選取橋4.2鋪.赴4洞模2D-濫Fil縣ter沾/Ba喂ckg鴿rou波nd都rem孝ova讀l塘（背景荒去除）掌（之1拋）作據(jù)用：該華處理功圓能去除狡圖像中假的水平睜部分隙（沃2好）操作勉過(guò)程（邁濾波參挎數(shù)選取亡見(jiàn)圖五秧）斑①再進(jìn)鄰入船2D-撥Fil衛(wèi)ter弊sp失eci累fic推ati兼o精n業(yè)中烏選翻bac責(zé)kgr維oun藏d課慢Rem課ova過(guò)l猶；憂(yōu)②情Ran盜ge水spe畜cif死ica紋tio作n去選積who僅le慈lin賓e灶(凈即全部稿道，也孟可選一遞部分道脊）；耽③抵少將丟Fil苗ter巨pa嶺ram扎ete吳r憂(yōu)中巨的購(gòu)sta師rt挨tim耕e睡秒為孝0虎，阿end膀ti曲m歸e塵按自動(dòng)準(zhǔn)選的值企即可；復(fù)④朽稼Pro凝ces蹄sin原gl辯abe言l橫增郊為屆3絲圖五矩氏Bac創(chuàng)kgr爐oun擋dr豪emo用va牙l庫(kù)濾波參捏數(shù)選取譜4.2券.殿5逃頑2D-禍Fil必ter響/Ru憤nni但ng貧ave嶄rag掌e具(讓滑動(dòng)平趟均）染（辰1衣）作用黨：該濾配波的作冷用是抑狠制噪聲槐（慚2微）操處作過(guò)程鄰（濾波翻參數(shù)選躺取見(jiàn)圖做六）觸①俘剃在宇2D-美Fil崇ter傅sp脹eci瓶fic掃ati偷o翅n錯(cuò)選江run嗽nin謝gAv草era阻g禾e卵。匪②甲戰(zhàn)將別Fil溜ter吸pa破ram計(jì)ete蜂r露的刻ave拉rag鄉(xiāng)et柔rac南e戲s蟻選咽4園，毫sta撤rt任tim圣e袋普和準(zhǔn)end捎ti累m漫e騰選缺省欄值即可腥。華③暢弟Pro猶ces獸sin釣gl孫abe筒l薄增攤為服4顛圖六癢擁Run杏nin杯ga師ver誓ag壯e絨濾波參啞數(shù)選取岡其它濾聽(tīng)波一般挨情況不庸使用，居在此不糾作介紹錦，濾波亡完成后樹(shù)，進(jìn)入牲圖像分頑析階段雖?？?絨、圖像逐的分析滔隧道超齡前預(yù)報(bào)鈴主要是觸確定掌泰子面前廉方的構(gòu)鑰造斷裂付、軟弱帖夾層、指巖溶洞矩穴等的角分布位療置以及最掌子面粘前方地臥下水狀隔況，巖膀溶洞穴沿填充物給及其性吹質(zhì)的預(yù)遮報(bào)等。夸構(gòu)造斷攝裂帶在國(guó)雷達(dá)剖業(yè)面圖上帶的波形熟反映一潮般是與悼斷裂帶智走勢(shì)相投同的一所條曲線(xiàn)終，軟弱池夾層和咽巖溶洞拜穴的波詢(xún)形反映芽一般是菜由許多仰細(xì)小的縫拋物線(xiàn)攔組成的悄一塊較扔大區(qū)域塑，與周列圍的波競(jìng)形存在住明顯的腎差異。四實(shí)踐證勢(shì)明，地字質(zhì)雷達(dá)關(guān)對(duì)掌子珍面前方失含水、些溶洞、處斷裂帶驢等異常悲反映較校好，但濤預(yù)報(bào)范嚷圍將會(huì)職相對(duì)縮匯短。因綁為水的眾介電常定數(shù)型ε才=8營(yíng)1辣，電磁釘波能量緊會(huì)被水淘大量吸控收，探王測(cè)距離鐘相對(duì)縮槽短。電調(diào)磁波在霧地層中見(jiàn)傳播時(shí)債的能量摩消耗也封很大，境也會(huì)對(duì)葡探測(cè)距屋離有一緩定的影艦響。雷咳達(dá)圖像羊的判讀旺除了在咽雷達(dá)剖憂(yōu)面圖上縫發(fā)現(xiàn)明較顯的信妻號(hào)異常蟲(chóng)之外，習(xí)最好還班要注意口觀察掌球子面施置工現(xiàn)場(chǎng)押的地質(zhì)叛情況，醫(yī)結(jié)合地潛質(zhì)方面廊的知識(shí)汪加以綜鏟合判斷渡會(huì)得到冶更準(zhǔn)確袍的結(jié)果角。松6餅、額賠應(yīng)用實(shí)下例光圖七是縣在宜萬(wàn)撒鐵路別夏巖槽隧挪道進(jìn)行房超前預(yù)政報(bào)采集胡到的地佩質(zhì)雷達(dá)辣數(shù)據(jù)，雁是使用詞瑞設(shè)典書(shū)RAM鑼AC/謙GP謠R波地質(zhì)雷呼達(dá)兵50M薄H占z說(shuō)主頻天衰線(xiàn)采集儲(chǔ)的雷達(dá)很數(shù)據(jù)，蕉采樣頻豈率堅(jiān)995梳MH騙z胞，采樣臣點(diǎn)數(shù)柿為抽51妥2造，天線(xiàn)毀間組隔慰1.0蜻m迎，采樣湊間均隔哭0.1挺m踢。從圖狹上可以學(xué)明顯看封出，在彈掌子面足前互方佛5.縣9砌～狠7.8盈m界和置11.脹4嶺～猜14.訓(xùn)0先m狗之間分粗別各有嶼一個(gè)明捉顯異常識(shí)。后經(jīng)閑開(kāi)挖驗(yàn)暈證，第悟一處異飾常為不聞同巖性貢的界面覺(jué)，第二辦處異常論是一夾訴泥薄層貪。階圖七予別巖槽底隧道地閣質(zhì)雷達(dá)頁(yè)超前