探地雷达(GPR)（精选10篇）
探地雷达(GPR) 篇1
引言
随着我国日新月异的发展和综合国力的不断提升, 陆地表面的可用面积正在不断缩小, 人们将目标放在地下空间的利用上。对地下空间的利用, 要以不损坏原有的地下设施为前提, 特别是管线设施。因此对地下管线进行探测是我们利用埋藏管线地下空间的前提。
1、探地雷达的基本工作原理
探地雷达顾名思义是建立在计算机的基础上的。由我们熟悉的信号发生接触器和A/D转换器两部分组成。包含了以控制单元为核心部分, 天线和界面为辅的三部分。它的工作原理相对简单, 是由地面的发射天线发射高频电磁波。该电磁波是以高频率短脉冲形式的。而后将其由一定的方向送入地下。在此过程中, 传播路径、电磁场强度等等会产生一定的变化。再对这些时域波形进行分析和处理, 进而确定地质结构及位置。这样的方法在实际工作中应用的比较多, 具体来说就是发射一定的电磁波, 然后接收电磁波遇阻时产生的回波。那么管线的深度可有公式:
求得。其中C为电磁波在空气中的介电常数, t为电磁波在衬砌介质中的双程旅行时间, r为介质的相对介电常数值。
其中雷达波在不同介质中的传播速度是有差异的, 所以为了能够得到管线深度的准确值, 不同介质需要设置不相同的雷达波速。因此在工作前我们通过对已知管线深度的地方进行实验来得出真实波速值。其中的原理就是依据波在介质中的往返走时的时间不变, 即H1/V1=H2/V2=△t, 其中, H1是管线实际埋深值, V1是所需求的雷达波速值, H2是在雷达图上显示的管线深度值, V2是预设的雷达波速。并且通过测量轮来准确测出管线的水平高度, 采用瑞典RAMAC/GPR探地雷达当中的现场回拉定位的功能, 当屏幕上显示出管线波形时便将天线回拉, 屏幕上将会出现一个光标, 当光标移动到抛物线顶点时其天线的中心位置也就是对应所求的的该管线的平面位置。
2、探地雷达的工作前提
在探地雷达的工作区域里, 其探测工作是否有效的前提是地下目标管线和周围介质之间是否存在足够的电性差异。影响雷达探测效果的主要物性参数是电导率与介电常数。城市管线大部分埋在车行道下, 其路面材料为混凝土或沥青。路面以下的介质多为杂填土和沙质土, 其含水量差别很大。对非金属管线而言, 外表面与内表面均为反向界面。由公式
可计算界面的反射系数R。外界面的反射系数为0.13-0.19, 内界面的反射系数为-0.56;在非金属管管壁厚度不大的情况下 (一般小于0.1m) , 内外界面反射波将会相互叠加, 反射波的波形视天线频率、管壁厚度和周围介质的介电常数等因素的不同会有图3-1雷达测线分析示意图图3-2雷达探测与实测比较示意图很大的差别。非金属管线与周围介质的介电常数差异的存在, 是探地雷达应用于非金属管探测的物性前提。
电导率是影响探地雷达效果的另一个物性参数。在探地雷达的工作频率范围内, 介质吸收系数β同电导率σ成正比。
介质电导率在不同地段不同季节差别往往会很大。如果以s=1/β定义为透深度, 当εγ=14, σ=0.002 (ρ=500Ωm) 时穿透深度约为10m, 而当σ=0.02 (ρ=50Ωm) 时, 穿透深度仅为1m。因此当介质电阻率很小时, 反射波在其反射路径上的衰减很大, 接收天线所接收的非金属管界反射波信号就会很弱, 甚至没有。在实际工作中发现, 有些地段地下介质的电性差异变化很大, 有时将剖面位置稍作移动, 雷达记录就会发生很大的变化。经验表明, 改变剖面位置, 多做几条剖面, 选择其中目标非金属管最清晰规整的剖面作为解释剖面是十分必要的。这将有利于提高剖面记录的有效性和解释结果的可靠性。
3、探地雷达在地下管线探测中的应用
3.1 项目概况
本次测量所用设备为瑞典MALA公司的Pro Ex主机、500MHz及250MHz屏蔽天线和GV采集及处理软件。这次雷达演示, 我们探测地点:园区苏茜路。
在苏茜路, 我们是横穿马路进行探测, 采用500兆天线做了两条剖面。
500兆天线探测时的参数设置:
采样频率:6074MHz;样点数:480;时间窗:79ns;叠加次数:自动叠加;道间距:3cm
3.2 探测结果分析
1) 苏茜路探测结果
对雷达测线示意图进行比较分析, 结合现场情况及实测数据, 从左到右六条管线依次为:雨水、给水、电信、燃气、给水、通信。分析结果如图3-1所示。
从图3-2中可以看出, 尽管雷达探测信号较弱, 现场判断难度较大。但与实测数据相比, 雨水、给水和燃气管探测效果明显, 平面和埋深偏差在可控范围之内, 满足要求。
4、结语
在探测地区, 雷达探测的结果和已知资料基本吻合, 证明探地雷达在管线探测方面能发挥一定的作用。任何工作都没有绝对的完美, 也会存在相互制约的关系。如果把探测深度假设成A, 分辨率假设成B, 那么在频率越高时, A跟频率成反比, B跟频率成正比, 反之亦然。那么我们所了解到的探测深度 (C) 和地质条件也有类似的制约关系, 管线周围介质对电磁波的耗散性的程度强弱的大小与管线的电磁特性与环境相比反差的大小, 将决定探测效果的好坏, 程度较弱且反差较大, 探测效果越好。反之则效果不好甚至完全不适用。对于如果解决以上问题, 需要进一步研究。
参考文献
[1]张鸿升、王万顺、杨凤召、王润怀等编.地下管线探测原理、方法与技术.北京:中国矿业大学出版社, 1998
[2]建设部地下管线专业委员会.CJJ61—2003城市地下管线探测技术规程[S].北京:中国建筑工业出版社, 2004.
[3]邹延延.地下管线探测技术综述[J].勘探地球物理进展, 2006, 29 (1) :14-20.
[4]曾昭发, 刘四新, 王者江, 等.探地雷达方法原理及应用[M].北京:科学出版社, 2006.
探地雷达(GPR) 篇2
解释可以有效提高解释的正确性.
作 者：石建平张志勇 邓居智 SHI Jian-ping ZHANG Zhi-yong DENG Ju-zhi 作者单位：石建平,SHI Jian-ping(湖南核工业地质局304大队,湖南,长沙,410003)
张志勇,ZHANG Zhi-yong(东华理工大学,江西,抚州,344000)
邓居智,DENG Ju-zhi(中国地质大学(北京)北京,100083)
探地雷达(GPR) 篇3
关键词: 探地雷达;非金属管线;探测
DOI:10.3969/j.issn.1672-8289.2010.09.009
1 前言
由于绍兴市近年来非金属管线特别是塑料管线的大量应用,使用传统的金属管线仪已无法完全满足现有的管线探测需要,所以近年国内引入了地质雷达这项新技术。利用雷达探测管线不仅能准确地提供管线的平面位置和埋设深度等情况,为施工或管理提供可靠参数,更重要的是对非金属管线的探测提供了有力的技术支持。
2 工作方法原理
地质雷达勘探是一种以地下不同介质的介电常数差异为基础的物探方法。它利用一个天线发射高频宽频带电磁波,另一个天线接收来自介质界面的反射波。电磁波在介质中传播时,其路径、电磁场强度与波形将随所通过介质的电性质及几何形态而变化(李大心,1994)。接收天线接收返回地面的反射波,将其传入仪器内进行显示和记录,利用资料的后处理便可得到地下不同介质的分布情况及介电常数变化面的位置等参数。地质雷达的观测方式有两种:一种是宽角法,发射天线固定不动,接收天线沿测线移动并逐点接收来自反射界面的反射回波,则回波走时与天线距之间满足(1)式(图l)
图1 地质雷达工作原理
式中:为发射天线与接收天线之间的距离(m); 为电磁波在地下介质中的传播速度(m/ns);z为反射点到地面的垂向距离(m);t为回波走时(ns)。另一种方式是剖面法,保持发射和接收天线距固定不变,逐步移动装置。对于零天线距的单置式天线而言,即天线距很小且固定时同时激发并接收,则自激自收时间为(图l)(区福邦,1998)
3 应用实例
3.1非金属给水、燃气管道异常的判别
在绍兴市管线普查过程中,所遇到的非金属管道主要包括塑料(PVC)给水管、水泥(砼)给水管、(PVC)燃气管,在以往的管线普查中面对这两种管线经常束手无策。在使用了RAMAC型地质雷达后,有效地解决了这一难题。
图2是水泥(砼)给水管和塑料(PVC)燃气管的地质雷达图像,从图中我们可以发现,其异常效果很明显,反射波组的同相轴都是为向下开口的双曲线,呈伞状。根据异常形态,我们可以确定,双曲线的中心位置即为管线的中心位置。另外,对比这两条管线的异常我们也发现,虽然都是非金属管线,但是它们的异常特征有很大的区别。给水管有明显的多次波,根据反复的试验并结合给水管物理特性和反射波振幅特征我们发现,给水管最上面的异常为其管顶异常,下面两个异常分别为给水管管底反射波和管底二次反射波;燃气管只有一个管顶异常。根据图像我们判断该给水管距起点1.21m,埋深为0.54m左右,燃气管距起点3.18m,埋深为1.01m,经现场开挖验证,给水管线平面误差为0.03m,实际埋深为0.52m,误差仅为0.02m;燃气管平面误差为0.04m,实际埋深为0.97m,误差为4cm。根据波速试验并结合地质雷达图像处理软件判断出给水管和燃气管直径分别为600mm和300mm,结合其他勘测结果,经验证这两个估算还是很准的。
由于地下杂质影响使得有些雷达图像图异常并不很明显,很难准却判断埋深,这就需要结合波形相位来判断反射体。图3是塑料给水管的地质雷达图像,由于地面凹陷和地下杂质影响,使其异常较为杂乱。雷达波由空气到介质和由介质到水波速都是由大变小,由水到介质波速由小变大,因此管顶反射波应和地面反射波相位相同,而管底反射波应该和地面放射波相位相反。从波形首先判断出最上面的是地面反射波,中间振幅最大的波为给水管頂反射波,最下面的振幅最大的波为管底反射波。由程序可读出管顶埋深为0.94m,根据水的波速可计算出给水管直径为300mm,经开挖验证,实际埋深为0.98m,误差为0.04m,管径估算的也很准。
图2 给水管道和燃气管道地质雷达剖面图
图3 给水管道地质雷达剖面图
3.2综合管沟地质雷达异常判别
管沟也是管线普查中常见的一种现象,它主要包括电信的管块和排水的沟渠。由于其形状相近,因此它们有着相似的地电特性,其地质雷达图像也十分接近:同相轴都是有限的平板,界面反射的中部为平板状,两端有绕射现象,表现为半支开口向下的双曲线。图4剖面探测目标为综台管沟。管沟位于马路的人行道下,规格为3500cm×1800cm,顶盖板为0.2m厚预制水泥板.水泥板上为硬化水泥路面.管沟内底存有0.05m左右稀泥水层。地质雷达剖面图上层异常为正向连续同相轴板状体异常,正向同相轴对应内部空间顶界面.按混凝土波速计算界面到地面厚度为0.50m 下部强反射异常及多次波异常对直为薄泥水层.从顶界面同相轴到下层强反射反向同相轴双程走时为11.4ns.按空气波速0.3m/ns计算,管沟净空高为1.71m与实际的1.80m对比,偏高0.09m,这可能是由于封闭空间内水气较大,实际波速略小于0.3m/ns的原故。
图4 综合管沟的地质雷达剖面图
3.3强干扰情况下的塑料管线探测
a,填土不密实的情况下
当目标管线周围是疏松介质时,雷达断面上的波形表现得杂乱无章。目标管线的反射波形基本被掩盖,以致无法对图像正确分析(如图5)。
图5,填土不密实的情况下塑料管线雷达断面图
由图5可以看见在塑料燃气管线处有明显的扰动波形,但是并看不出有平滑的双曲线。我们把平面定在该异常的中心位置即x=2.9m的地方,定深度z=1.2m。后经开挖知道x=2.85m,z=1.4m。而在该位置,当挖到1.0m以后土壤与周围比起来明显疏松、多空隙。由此我们可以看出,在探测开挖敷设且回填土没有压实情况的管线时,得到的雷达断面图像极易让我们在分析图像时发生错误。但却可以利用开挖沟槽中回填土与周围土壤的差异探测出管线的大致位置,然后结合钎探等方法探测出管线深度。
b,地下长条形、椭圆形物体的干扰
有些时候,在我们布设的雷达断面上,目标管线附近有一些能够产生类似管线异常的物体,使我们得出错误的结论。在分析如图6这个断面图时,会将卵石产生的异常定为了燃气管线.结果开挖后才知道实为一长椭圆形卵石。所以在这种情况下,应该在附近的地方重新布设雷达断面,以消除此类物体的影响。
图6,地下椭圆形物体干扰时塑料管线雷达断面图
以上几种情况是我们在使用地质雷达探测管线常碰到的现象,为尽量避免这些情况给我们的探测带来错误,我们就需要在不同的地方多做些雷达断面,以及在情况允许的条件下适当开挖验证。
4 结语
探地雷达方法具有速度快、探测精度高、可获得连续结果等特点,是一项应用十分广泛的近地表地球物理探测技术,其应用领域在不断扩展。但是,要充分发挥这一技术手段的优势和潜力,必须将地质与工程问题的特点与探地雷达技术自身特点结合起来加以考虑,采用合适的工作方法,选择正确的工作参数。本文通过工程实例说明了该方法对探测地下目标体具有良好的效果,弥补了钻探勘探范围小的不足,节约了施工成本,提高了工程进度。
参考文献
1、李大心.1994.地质雷达方法与应用[M].北京:地质出版社,1
2、区福邦.1998.城市地下管线普查技术与应用[M].东南大学出版社,12
作者简介:
探地雷达(GPR) 篇4
某高速公路由于软基较多, 车流量及重型车辆明显增大等因素影响, 全线水泥路面已出现了裂缝、板底脱空、翻浆、错台等病害。为防止和减缓水泥路面病害进一步扩展, 营运单位对部分水泥路面段板底、基层脱空病害进行了“浅层灌浆”稳板处理。为检验施工效果, 采用探地雷达 (GPR) 、落锤式弯沉仪 (FWD) , 并结合路面钻芯等手段对该高速公路水泥路面板底灌浆后工况进行了检测, 检测内容主要包括灌浆后路面承载能力、板底基层状况, 以及水泥面板脱空现象的消除程度等。
1 路面结构及施工方法
检测段路面结构为26cm水泥混凝土面板+20cm6%水泥稳定石屑基层+15 (18) cm4%水泥稳定粒料底基层。
浅层灌浆深度为0.26m~0.46m, 若底基层出现破坏, 灌浆深度增加到0.61m。灌浆孔布设在一块板上, 灌浆孔的数量为5个 (沿板块四周边在距离砼板角50cm~70cm的位置各布孔1个, 另外在砼板块中心再设1个孔) , 浆液灌注压力不高于2.0MPa。
灌注浆液为水泥砂浆, 配合比为:水:325R硅酸盐水泥:3mm细砂:MX2000+MX2001复合外加剂=0.5:1:0.75:0.098。
2 检测方法及频率
本次检测采用探地雷达 (GPR) 扫描、落锤式弯沉仪 (FWD) 分级加载等手段对路面进行探测, 并结合路面钻芯情况, 综合分析确定板底和基层脱空情况。检测方法和频率如下。
2.1 探地雷达 (GPR) 检测
采用探地雷达进行检测时, GPR安装雷达天线两个, 即1#和2#天线, 其中1#天线为靠近硬路肩一侧, 2#天线靠近超车道一侧, 如图1。每个路段检测两次, 综合分析两次测试结果得出GPR检测最终结论。
2.2 落锤式弯沉仪 (FWD) 检测
2.2.1 板中弯沉检测
采用落锤式弯沉仪 (FWD) 对水泥路面每块板的板中弯沉进行检测, 以分析灌浆对路面整体承载能力的提高效果。板中弯沉测试位置横向为右侧轮迹带中央 (离板边约30cm) , 纵向为板中部, 每测点用5t荷载加载读3次。
2.2.2 板角弯沉检测
采用落锤式弯沉仪 (FWD) 对水泥路面每块板的板角弯沉进行检测, 以分析水泥板的接缝传荷能力和板底脱空情况。板角弯沉测试位置横向为右侧轮迹带中央 (离板边约30cm) , 纵向为受荷板距横缝30cm, 见图2。每测点采用3级荷载 (5t、7t、9t) 分别加载读3次。
3 检测结果及分析
3.1 K32+125~195右幅方向主车道 (共16块板)
3.1.1 探地雷达检测结果
从探地雷达扫描图3、图4可知:该段水泥路面靠硬路肩一侧压浆后状况不甚理想, 深度36cm处均有不同程度的脱空。靠超车道一侧局部有脱空, 深度约36cm。
3.1.2 落锤式弯沉仪 (FWD) 检测结果
注:板底脱空情况根据弯沉值大小 (>200um) , 多级加载下弯沉的变化斜率和截距 (>50um) , 并结合接缝传荷系数综合进行判断。
从表1可知, 该段水泥路面板中和板角弯沉均较小, 除第9、10块板接缝传荷能力等级为中等外其它均为优良, 且在多级加载下板角弯沉变化斜率和截距均较小, 可见大部分板底注浆后状况较好, 脱空的可能性不大。
3.1.3 路面钻芯情况
根据探地雷达扫描情况和落锤式弯沉仪 (FWD) 检测结果, 对该水泥路面段第7块板进行了现场钻芯, 见图4-3。从钻芯情况来看, 该处未取出完整的基层芯样, 表明该水泥板下的基层胶结情况不太理想。
3.1.4 综合分析小结
综合上述检测结果可知, K32+125~195段右幅方向主车道水泥路面压浆后的承载能力大部分较好, 但局部板底存在脱空或基层松散现象。
3.2 K43+875~800左幅方向主车道 (共15块板)
3.2.1 探地雷达检测结果
从探地雷达扫描图6、图7可知:该段水泥路面两侧均在第2、5、7~12、13块板有脱空现象。
3.2.2 落锤式弯沉仪 (FWD) 检测结果
注:板底脱空情况根据弯沉值大小 (>200um) , 多级加载下弯沉的变化斜率和截距 (>50um) , 并结合接缝传荷系数综合进行判断。
从表2可知, 该段水泥路面大部分板中和板角弯沉都较小, 且接缝传荷能力等级除第13块为中等外其它均为优良, 表明该段大部分水泥板承载能力较好, 但第4块板的板角弯沉较大 (>200um) , 且第4块板在多级加载下板角弯沉变化斜率和截距也较大, 可判断为该板板角脱空。
3.2.3 路面钻芯情况
根据探地雷达扫描情况和落锤式弯沉仪 (FWD) 检测结果, 对该水泥路面段第2块板进行了现场钻芯, 见图8。从钻芯情况来看, 该处取出了完整的基层芯样, 且面层与基层间有一明显的注浆材料夹层 (厚约6mm~7mm) , 表明注浆达到了预期的效果, 消除了板底脱空现象。
3.2.4 综合分析小结
综合上述检测结果可知, K43+875~800段左幅方向主车道水泥路面压浆后的承载能力均较好, 注浆效果较为明显, 但第4块板板角底部仍存在脱空现象。
4 结论
总体来说, 水泥路面压浆效果较好, 达到了预期的效果。虽然仍存在局部脱空现象, 可通过加强施工工艺、材料设计或改进施工机械来改善存在的问题。
采用探地雷达 (GPR) 扫描和落锤式弯沉仪 (FWD) 检测相结合的方式可以基本查明水泥路面板底脱空或基层松散情况, 为水泥路面病害处治设计和处治效果检验提供有力的参考依据。
参考文献
[1]曾昭发, 刘四新, 冯晅.探地雷达原理与应用[M].电子工业出版社, 2010.
探地雷达(GPR) 篇5
探地雷达采用了先进的连续透视扫描无损探伤技术,能够快速而又非常简便地对隧道衬砌的实际情况进行检测.不同的`衬砌缺陷对电磁波具有不同的反射特性,表现在探地雷达图像上具有不同的图像特征.本文简要介绍了探地雷达隧道衬砌质量检测技术,数据采集过程中的测线布置和参数设置,系统研究了衬砌不同缺陷类型的雷达图像特征,据此提高隧道衬砌质量检测中探地雷达图像的解释精度.
作 者：胡晓 陈厚德 吴宝杰 作者单位：胡晓,陈厚德(舟山市交通工程质量监督局检测中心,浙江舟山,316000)
吴宝杰(浙江省建筑科学设计研究院,杭州,310012)
探地雷达(GPR) 篇6
渗漏水问题是运营隧道中普遍存在的问题之一,几乎所有的隧道都存在渗漏水的情况,不仅促进混凝土的风化,造成隧道衬砌变形破坏,降低衬砌混凝土强度,影响隧道附属设施的正常使用,减少隧道的使用寿命,而且使得隧道的正常运行存在安全隐患[1]。
隧道在运营过程中由于地质条件、水文条件、施工技术等存在不同,在隧道中存在的隐伏病害形式多种多样,对隧道的安全造成严重影响,在日常使用过程中如何及时、准确的发现和分辨不同类型的病害,是探测的难点。
对于隐伏病害的检测,目前主要有传统检测和无损检测两种方法。由于传统方法如钻孔取芯等对于运营隧道的结构具有一定的破坏性,在隧道中不能全面开展[2],从而使得对于隐伏病害的反映不够完全。随着科技的不断发展,在隧道病害检测中无损检测技术越来越广泛的受到重视。探地雷达技术以其探测速度快、连续、准确,能及时发现病害的位置与规模的特点,在病害检测中被广泛应用[3]。但是,针对不同病害的检测过程存在随意性,而且在数据解译方面,不同的专业人员对于同一种病害的认识存在差异,这也使得数据解译过程存在多解性,并且缺少整体研究。
本文主要就是要对隧道病害的探测过程进行整体分析,试图建立隧道无损检测的标准流程,构建不同病害的标准异常特征,以提高检测的精确度。
1隧道渗漏水成因分析
公路隧道大多修建于山区地带,地质条件复杂,渗漏多出现在埋深较浅、节理发育、围岩破碎、裂隙水发育的地段。在灰岩地区,裂隙水较发育,由于隧道的开挖,破坏了原有的地下水系统的平衡,造成水向开挖隧道转移,在转移过程中由于灰岩受到水的侵蚀,在岩层中易渗漏通道,从而在隧道附近形成新的储存点,当衬砌存在缝隙等薄弱区段时,就有可能造成隧道内部渗漏水的情况。除此之外,由于设计的过程中,选址的不当使得隧道通过断层破碎带,使得围岩松动,产生裂隙,形成渗漏水通道[4]。但是,最主要的原因还是人工造成的,由于在衬砌支护及隧道防水处理过程中存在不当的现象,隧道在运营过程中存在施工缝密封条老化、衬砌内排水管道破坏、衬砌钢丝网破坏等病害,为裂隙水形成渗漏通道提供了条件。要减少渗水的危害,关键是要找到隧道的隐伏病害并进行维护处理。
2隧道隐伏病害探测技术
2.1 探地雷达技术
探地雷达是一种用于探测地下目标体的无损检测技术,探地雷达将高频电磁波以宽频带短脉冲形式向探测目标体发射,由于不同介质体界面存在电性差异,一部分电磁波反射回来,通过记录反射波的反射时间和反射幅度判断目标体的结构和属性。电磁波的反射原理见图1。
介电差异是探地雷达检测的基础,在隧道病害中,一般情况下衬砌空洞、回填不密实、脱空及裂缝中都有水或者空气填充,与混凝土存在较大的电性差异,使得信号较明显,便于异常的判读。
2.2 隐伏病害雷达探测方案
在进行隧道隐伏病害检测时,前期的准备工作格外重要,可能使检测工作事半功倍。隧道病害无损检测系统的建立可以为检测工作的开展提供规范,针对病害类型建立一套系统的检测规程,提高工作效率。探测方案中的内容如下:
1)隧道设计资料和施工资料的收集。隧道资料中包含着丰富的可参考信息,包括各区段围岩等级、施工工艺、衬砌厚度、隧道高度等,为测线的布设和天线中心频率的选取提供数据支持。
2)天线中心频率的选择。天线中心频率的选取在工程应用中占据着相当重要的位置,直接决定着探测的准确性,天线中心频率主要受到探测深度、分辨率和探测区环境干扰因素三方面的影响。天线的选择必须兼顾目标体的尺寸大小和探测深度,在满足探测深度的条件下,为尽可能提高雷达分辨率,应选择高频率天线。
3)隧道内环境的记录。隧道中存在很多影响探地雷达信号解译的干扰源,如电线反射、金属反射、金属网布设等,如果没有记录,很可能会被误判成异常体,因此,现场记录有助于减少误判的概率,提高检测精度。
4)测线的布设。测线的布设对于探测能否达到目的起到了关键性的作用,如果测线布设不合理,就算做了大量的工作也可能找不到探测的目标体。对于衬砌裂缝等条状病害,测线应该垂直目标体,并平行布设多条。对于衬后空洞等片状病害,应当设定网状测线。测线布设见图2。
同时,还要根据病害的大小和要求的最小分辨率进行布线,以免布设的测线间距过大,造成病害的漏测。
3 不同类型病害的剖面异常特征
某位于灰岩地区的公路隧道,在运营过程中出现多处渗漏水情况,存在严重的安全隐患。为查明衬砌渗漏及路面冒水的原因,运用探地雷达主要对部分隧洞壁施工缝和病害位置进行了检测。施工缝的检测采用沿施工缝扫描的方式;渗漏病害位置检测采用多条相交测线的面积扫描方式。根据监测结果,对主要病害的雷达剖面异常特征进行如下总结分析:
1)衬后空洞。由于灰岩地区岩层含水量较大,当混凝土存在空洞时,会被水填充,水和混凝土之间存在较大的介电差异,在介电界面雷达波发生较强的多次反射,振幅较大,能量增强(见图3)。
2)衬砌裂缝。衬砌裂缝是衬砌内积水往外渗漏的通道,由于裂缝处的错断使得介电常数发生改变,在雷达剖面上显示为多次高频反射,同相轴出现错断(见图4)。
3)衬后充填不密实。在衬砌施工过程中,由于操作不当和施工工艺等问题,容易在衬砌中存在局部不密实现象,不密实处存在多个反射界面,在雷达剖面上显示为多个反射波,反射波振幅增强,同相轴杂乱(见图5)。
4)衬砌防渗层破坏。当衬砌防渗层破坏以后,由于渗漏水的作用防渗层易发生变形,使得防渗层和混凝土结构混在一起,雷达剖面显示为防渗层同相轴不连续(见图6)。
5)原岩破坏。由于隧道的开挖破坏了原岩的力学平衡,造成和初期支护相连的原状岩壁出现破坏现象,在雷达剖面上会显示为局部反射信号,被水充填后,散射信号增强(见图7)。
4 结语
本文从探测过程进行研究,通过归纳总结隧道病害检测中可能存在的干扰因素问题,提出了相应的注意事项,以及采取相应的措施,提高了工作效率,同时,通过对不同病害类型所反映的雷达剖面进行分析总结,为隧道病害检测提供了参考依据,增加数据解译的精度。说明了在灰岩地区隧道渗漏水问题与隧道隐伏病害的分布存在一定的关系。通过对隧道病害的无损检测能够准确找到病害的位置并进行相应处理,减少因为隧道渗漏水问题带来的危害。在隧道检测过程中,由于隧道衬砌表面凹凸不平,尤其是检测过程主要靠人工完成,天线的移动速度不均匀,使得检测结果存在一定误差[5]。因此,在检测过程中应该尽量保持天线移动匀速,并尽量使测线不应过长,每隔5 m～10 m做好标记,这样做不仅可以减少人为造成的误差,而且可以为数据解译提供便利。
摘要：介绍了隧道渗漏水原因,归纳总结了不同类型病害的剖面异常特征,并对隧道病害的探测过程进行了整体分析,以期建立隧道无损检测的标准流程,构建不同病害的标准异常特征,以提高检测精确度。
关键词：隧道渗水,隐伏病害,探地雷达
参考文献
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探地雷达技术在道路评估中运用 篇7
在斯堪的纳维亚半岛, 探地雷达运用地面耦合天线的首次测试是在20世纪80年代初的丹麦 (Berg, 1984) 以及瑞典 (Johansson, 1987) 进行的, 但是在那个时期, 这种方法没有被广泛接受。在芬兰, 首次测试实施是在1986年 (Saarenketo, 1992) , 在芬兰公路管理局下的拉普兰地区的道路部门于1988年购买了一个装置后, 这种方法已经成为了各种道路设计和维护方面的常规调查工具 (Saarenketo, 1992;Saarenketo and Maijala, 1994;Saarenketo and Scullion, 1994) 。在芬兰, 大部分公路应用的研究和开发工作中, 会运用到低频率 (100 MHz~500 MHz) 的地面耦合天线, 以评估路基土壤和夹层, 探测覆盖层的深度和调查道路的结构层。探地雷达技术也被应用到骨料的探测 (Saarenketo和Maijala, 1994) 。在20世纪90年代早期和中期, 高频率1.0 GHz~2.5 GHz空气耦合和地面耦合天线开始被运用到桥面测量 (Saarenketo and So¨derqvist, 1993;Maijala et al, 1994) 以及路面的设计和质量控制中 (Saarenketo and Roimela, 1998;Scullion and Saarenketo, 1998;Saarenketo, 1999) [1]。
探地雷达在美国公路调查中的测试要追溯到20世纪70年代中期, 是由Morey (1998) 做的, 联邦公路管理部门测试了雷达在隧道应用中的可行性, 后来也应用到了桥面上。第一辆公路车载探地雷达系统在1985年由联邦公路管理局研发出来 (Morey, 1998) 。此后, 大部分应用程序把重点放在路面厚度的测量 (Maser, 1994) , 检测混凝土板下的空隙 (Scullion et al, 1994) 和检测桥面恶化的区域上 (Alongi et al, 1992) 。这些调查主要是运用高频率 (1.0 GHz) 的空中发射天线 (see Scullion et al, 1992) 。
北美公路机构探地雷达在当前实践中的运用, 由Morey (1998) 给了一个很好的描述。发放给51个州的调查问卷结果是:波多黎各, 哥伦比亚地区和11个加拿大交通部门表明, 51个中的33个机构表示有用过探地雷达的经历。最常见的探地雷达的应用是路面层的厚度检测 (24个机构) , 空隙检测 (22个机构) 和桥梁的分层检测 (16个机构) ;随后的是分层检测 (11个机构) , 钢梢钉的深度检测 (8个机构) , 掩埋物检测 (8个机构) , 基石的深度检测 (8个机构) , 沥青的剥离检测 (7个机构) , 以及桥梁支撑处的冲刷检测 (6个机构) 。这些多种多样的探地雷达的应用中, 似乎最成功的是路面厚度的测量, 不过有些机构表示空隙探测的结果不令人满意, 以及沥青剥离的结构也是有争议的 (Morey, 1998) [1]。
本文给出了在斯堪的纳维亚半岛和美国的道路调查中, 探地雷达最先进的审查方法。本文不会解决探地雷达在桥梁测试的运用, 因为这是一个大区域, 需要一个单独的文章。在世界的其他地方, 探地雷达技术被20多个国家用于监测道路, 据作者所了解, 道路上的探地雷达调查被广泛用于加拿大, 法国, 意大利, 瑞士和英国。
2 探地雷达技术应用在道路上的软硬件设施
2.1 硬件
脉冲雷达技术是建立在测量短电磁脉冲通过路面, 然后从结构内部的电性分界面部分反射后的旅行时间和反射振幅之上的。当探地雷达脉冲波遇到不同的材料或者是含水率和密度发生变化时, 电性分界面出现在层界面上。探地雷达通常有以下三个部分:
1) 一个脉冲发射器, 它可以产生一个具有给定频率和功率的单脉冲;2) 一个可以把脉冲发送到介质中然后回收的天线;3) 一个样品采集器, 它可以分析信号然后把它转化成电脑可以储存的样式。常见使用的探地雷达可分为两大类:空中发射喇叭天线和地面耦合偶极子天线。
地面耦合天线可以在很大的中心频率范围内运作, 从80 MHz~1 500 MHz。和空中发射系统相比, 地面耦合系统的明显优势是它的渗透深度, 但是, 如果地面耦合和天线响铃存在问题的话, 就会导致:如果不经过信号处理, 将很难从附近的地面处获得一定的信息。地面耦合系统数据收集速度通常是5 km/h~15 km/h。地面耦合系统的领先制造商是美国新罕布什尔州的GSSI, 其他厂商还包括加拿大的Sensors和Software以及瑞典的MALA。
空射系统操作的范围是500 MHz~2.5 GHz, 最常见的中央频率为1.0 GHz。它们的渗透深度一般是0.5 m~0.9 m。在数据采集工程中, 这些天线被悬挂在地面以上0.3 m~0.5 m。数据的收集速度可以达到100次/s扫描, 以至探地雷达的调查速度可以达到100 km/h。目前美国有三家生产和销售空射系统:新罕布什尔州的GSSI, 纽约的Penetradar和得克萨斯州的Pulse Radar。为了促进研发更好的探地雷达硬件系统, 对于具有较高的频率500 MHz以上的空中发射天线和地面耦合天线, Scullion et al (1996) 提出了测试方案和性能指标[1,2,3]。
在未来, 道路探地雷达硬件开发将是更小的、非接触的天线和多通道数据采集系统, 这允许来自道路的断层图像。由劳伦斯利弗莫尔国家实验室 (Davidson and Chase, 1998) 开发的64—爱马仕桥梁检查系统, 便是其的一个例子[2,3]。
2.2 软件
适用于道路调研的探地雷达软件可以被分成四组:
1) 探地雷达数据采集软件;2) 探地雷达数据处理软件;3) 解释和可视化软件;4) 集成道路分析和设计软件。
大部分的探地雷达数据采集软件已经被探地雷达系统开发商研发。定制的数据收集和质量控制软件包也正在开发之中。然而当空中发射喇叭系统被用于质量控制系统目的的时候, 也即是测量数据必须可以重复, 以及探地雷达的结果用来测定新建成项目的奖金和罚款的时候, 就需要改进的软件包。
数据采集软件一个非常重要的特征是与定位系统的联系, 例如全球定位系统, 这是因为现代路面管理系统, 路面设计软件需要将信息放到x, y, z坐标系中。目前, 大部分系统正在使用的距离都是基于数据采集控制的。在不久的将来, 精确的定位以及探地雷达数据和其他路面调查数据的联系将会是一个非常重要的研究方面。
探地雷达制造商也提供探地雷达数据处理系统, 但大部分的软件已被写入, 以便处理土壤耦合收集地质调查数据。空射探地雷达系统产生比较干净且可重复的信号, 因此, 处理过程只需要基本信号滤波和背景去除算法。数据处理软件在将来的一个挑战是如何推断路面层和路基电性的定量信息。为了解决路面结构评估中的一些基本问题, 在调查有前景的技术时, Spagnolini (Spagnolini, 1996;Spagnolini, 1997;Agosti et al, 1998) 已经接触到这个问题, 即在获得道路结构中介电常数垂直分布的信息反演技术和相互重叠时反射精确位置的层间剥离技术[2,3]。
道路探地雷达数据解释和可视化软件被用于检测层界面和探地雷达数据的单个对象, 以及用于将探地雷达时间范围转变成深度范围。他们已经做了很多的努力, 包括神经网络, 来研发道路和桥梁的自动判读软件。然而, 这些开发项目的结果并不令人满意, 甚至已经给公路工程师带来了迷惑。自动判读软件包可能永远不会成功的原因是, 道路是具有积累和恶化的历史结构, 它在纵向、垂直方向和水平方向都是不连续的。这就是为什么, 被训练有素的、有经验的翻译人员使用的半自动判读软件和限制取芯以及其他参考调查结果一起, 会被证明是在道路调查中唯一的工作解决方案。使用者必须通过比较有问题界面和附近其他的回波剖面, 来确定回波是来自真正的界面而不是强反射间的多次反射后的结果。自动判读也许只能在一种情况下可以用来计算正确的厚度和介电常数, 那就是, 调查新的和有缺陷的自由路面。
探地雷达软件中的新一代综合路况分析和设计的软件包, 它是专门为探地雷达数据和其他道路调查数据的联合分析而设计的, 它的能力是, 计算描述老路状况的参数以及新道路结构和修复设计需要用到的参数 (Saarenketo, 1999) 。在道路调查中, 探地雷达的数据输出是以数据表格的形式出现的, 或者是纵向剖面可视化, 或者是GIS地图。在很多情况下, 实际的探地雷达数据是不提供的, 只有可视化的结果。当与其他数据类型例如纵向剖面相结合的时候, 探地雷达用于识别表面缺陷的潜在原因。
3 展望
虽然探地雷达应用到道路和公路上的历史比较短暂, 但是这种方法已经被证明是解决各种公路工程问题的一个有效工具。对大多数公路机构而言, 探地雷达在道路上应用的生命周期依然在导入期。意识和教育依然需要来使这种方法被扩散和接受。
探地雷达在将来道路调查中的一个重要因素, 是在常规道路分析、道路恢复以及设计程序中建立这种技术。雷达作为一个仅针对特定路面调查项目的方法, 虽有趣但模糊, 它应该改变成在其他调查技术中使用的常规道路调查工具。为了这个目的, 我们需要为探地雷达设备, 数据采集和判读技术建立一定的标准和规范。
尽管本文介绍了道路探地雷达技术, 也提出了一些成功的案例, 但是世界范围内仍然有些失败例子的存在。这些是因为销售商对这种技术的过度销售, 他们懂得这种技术但是并不欣赏路面系统的复杂性能。
将来最大的希望需要三个关键的步骤:
1) 研发对使用者有利的软件包, 将探地雷达数据和其他道路调查数据转变成对道路工程师有用的信息;2) 理解道路材料和路基土壤的电性以及它们和水分、强度、变形的相关性;3) 培训公路机构和探地雷达数据的使用者以及负责探地雷达调查的工作人员。当我们达到这些要求时, 那么探地雷达技术和应用将会在道路的设计、建造和维护产业中产生巨大的市场。
参考文献
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探地雷达的原理及前景展望 篇8
对探地雷达的研究开始于二十世纪初。1904年, 德国进行了首次用电磁波信号对地下金属进行探测的研究。由于地下介质的强衰减特性, 加上地下介质组成复杂多样, 引起严重的电磁波干扰, 研究起来非常困难。加之两次世界大战的影响, 所以在首次应用后的几十年间, 该项技术的发展一直迟滞不前。直到上世纪50年代以后, 探地雷达才重新被各国提上发展日程。随着电子技术特别是数字磁带记录问世以后, 依托现代数据处理技术的新型实用性探地雷达迅速发展, 许多商业化的数字产品先后问世。这些雷达仪器的基本原理大同小异, 主要具有多维显示、多通道采集、变频天线、实时处理、多波形处理、多次叠加等功能, 另外还有用于井下探测的特种探地雷达等。国内对于探地雷达的研究开始于二十世纪七十年代, 当时, 伴随着煤矿各部委科研院所探矿工作的开展, 急需进行探地雷达研究工作, 但由于种种原因, 这些研究未能深入进行。进入到九十年代以后, 在引进了多种国外先进探测设备的基础上, 我国的探地雷达研究事业有了长足的进步。
由于雷达波进入到地下复杂地质环境后传播变得难以预测, 再加上地下各种介质产生的噪声对有用信号的干扰, 如何滤除各种噪声与杂波, 从中提取到有用的信息是探地雷达记录工作面临的主要技术难题。关于在于运用多种数据处理技术对所得到的信号进行科学滤波处理。由于发射的探地雷达波位于高频带, 使得研究者对于电磁波在不同高频段上所反映出的不同地质构成要有深入的了解。这个也是探地雷达研制过程中的一个难点问题。
2 探地雷达基本原理
探地雷达 (简称GPR) 是一种对地下浅层结构或者不可见物体进行探测的技术, 它利用高频电磁波 (发射波频率一般高达106—109Hz) , 将地面发射天线发射的宽频带短脉冲发送到地下浅层, 电磁波在经过介质特性变化的界面时发生反射, 通过接收反射波信号, 并对波形的时延, 波形等信息进行采样预处理, 判断地表下的介质组成, 目标深度以及位置和大小。通过数据处理技术和数字图像技术的处理, 对地下目标进行重建成像处理, 可以再现地表下的基本地质构成。
探地雷达的工作原理如下图, 雷达通过发射天线向地下发射短高频电磁波, 遇到地表及地下目标, 由于地下介质的非连续特性, 在经过不同介质面的时候将会产生回波信号, 地面接收天线接收到这些回波信号后由数据采样系统进行采样, 采样完成后的数据将会被送入数据处理系统进行处理, 以分析地下目标介质的存在和特性。
3 探地雷达的几个未来发展方向
3.1 成像技术不断发展
探地雷达的成像方式, 现在来说, 一般还是集中于二维成像。商用探地雷达基本不具备三维成像功能。当二维成像剖面测线倾向斜交于地下目标时, 位于测线正下方的界面反射波就无法被接收到, 而不在剖面之内的反射点却被记录在内。这就导致了勘探扫描结果与真实值不一致。三维成像可以很好的二维成像剖面在这方面的不足, 并且三维图像也可以更好的了解地下目标介质分布的深度和构成。
3.2 提高雷达分辨率
探地雷达对于目标的分辨率就是最终成像的极限分辨程度。它主要取决于脉冲信号的脉宽。分辨率与脉冲宽度成反比, 分辨率越高要求对应的脉宽就要越窄。目前由于技术条件的限制, 难以做到在时域范围内同步触发幅度几十V, 宽度小于1ns的激励信号, 故而现在经常采用频域扫频技术来满足发射源的宽度要求。
3.3 自适应天线技术
传统雷达所使用的天线一般包括以下几种:蝴蝶结天线、喇叭形天线、超宽频带偶极子天线。这些天线广泛应用于传统的探地搜索任务。然后随着探地雷达探测精度要求的不断提高, 传统天线已经无法满足现代工程探矿的需求, 更先进的自适应天线技术应运而生。
自适应天线国际上目前主要的思路有两种:一种是基于时域电场积分方程理论, 在得到耦合条件下天线的瞬态电流分布情况从而研制出的探地相控阵列雷达天线。
另外一种是基于蝴蝶结形天线进行的改进, 让蝴蝶结天线的各项电性能参数指标伴随其张角及电长度的改变而改变而研制出的等效蝶形自适应天线。这两种自适应天线的出现, 都使得探地雷达更加适应复杂多变的地形状况。
3.4 信号源的改进
步进频率信号是一种大时宽带宽乘积的高分辨率信号, 其优点有:利用较小的瞬时带宽合成较大的工作带宽, 极大降低了接收机和数模采样过程的带宽要求。对各个离散频点的频率和幅度可以进行方便的调节。由于步进频率的信号随时间均匀推进, 用频率域信号处理的办法进行处理较为方便。这种信号在提高分辨率的同时对硬件也没有提出很高的要求。在数字信号合成技术不断发展的今天, 步进频率的信号源将成为探地雷达研究领域的重点。
参考文献
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探地雷达(GPR) 篇9
关键词：探地雷达,干扰,识别,消除
0 引言
探地雷达是以电磁波传播为基础, 通过分析电磁波在介质中的反射和折射等现象来实现对地下介质的探测的。探地雷达的发展得益于其在工程领域的广泛应用。
在由收发天线组成的探地雷达系统中, 接收天线接收到的信号中不仅含有地下目标回波, 还含有多种干扰, 诸如墙体、汽车、电线杆、水体等产生的反射波。这些干扰信号往往远大于地下目标的信号, 严重影响了探地雷达采集数据的质量, 因此在探地雷达探测中如何识别和减少这些干扰就显得尤为重要。
1 探地雷达系统
探地雷达的探测系统包括发射天线和接收天线, 以及控制收发和数据存储的控制系统。探地雷达探测中一般以电磁脉冲的形式进行探测, 脉冲在介质中的传播遵循惠更斯原理、费马原理和斯涅尔定理, 发生反射和折射等现象, 其运动学规律与地震勘探方法相似。影响雷达波在地下介质中传播的电性参数包括介电常数、电导率和磁导率等, 决定电磁波场波速度的主要因素是介电常数, 电导率一般只考虑对电磁波的损耗和衰减。
相对于探空雷达, 探地雷达存在较大的系统性能的不可预见性, 这主要是由于:探地雷达的传播媒介是多种多样的, 不同的介质、不同的含水度, 造成了不同的传播损耗;探地雷达的探测目标与其周围环境的电磁差异相对较小且不确定, 同时目标的特性依赖于所处环境;探地雷达系统属于超宽带雷达系统, 在其工作频带中存在着电视、广播、移动通信和卫星通讯等多种通讯信号, 应用中就不可避免地存在着多种杂波。
2 探地雷达探测中存在的干扰
雷达设备接收到的干扰信号一方面来自仪器内部, 一方面来自仪器外部。仪器内部的干扰信号主要来自天线控制电路之间的干扰、收发天线之间的直接耦合干扰、天线盒震荡信号干扰等。仪器的内部干扰相对稳定, 这里只讨论来自外界的干扰信号的识别。
探地雷达收发信号是在一个三维的空间内进行的, 探地雷达探测中的干扰因素分别来自空中、地面和地下。来自地面及地面以上的物体往往是可以察觉的, 这些干扰因素可以是测线附近的建筑物、树木、输电线路或者能产生电磁干扰的机械等。
2.1 空中孤立物干扰
产生原因:来自空中的干扰波主要为地面以上竖立物体产生的反射波, 如墙壁、金属杆、树木、大型机械等产生的反射波。
主要特征:由于这些物体表面的反射波是通过空气传播的, 电磁波在空气中的传播能量衰减很小, 所以这些干扰波的振幅、频率等特征与发射信号的特征相似, 且波速为电磁波在空气中的传播速度, 约为0.3m/ns。
如图2, 为钢结构支架在探地雷达剖面图上表现出的干扰影像, 整个干扰波形的同相轴为双曲线形态。当天线位于钢架近旁的时候, 由于钢结构的全反射, 以及多次反射、叠加, 形成了多相位的类似于天线耦合不好的振荡图像;随着天线渐渐远离钢架, 干扰信号的旅行时间逐渐增大, 且干扰信号的强度逐渐减小, 直至消失。
同地下异常的区别:当地下存在物性异常时, 其影像也为双曲线形态, 但是其振幅、频率和波速与地面以上物体产生的干扰波不同, 即其传播媒介不再是空气, 据此可以区分地下目标体与地上干扰物。电磁波在地下介质中的传播速度可以用几何反射法估计:v=2姨x2+h2/t, 其中v为传播速度, x为天线的水平移动距离, h为反射界面的深度, t为电磁波的双程旅行时间。
2.2 地表界面干扰
来自地表界面的干扰波主要有天线与地表之间的直达波、天线与地表耦合不好时产生的干扰波、地表金属与非金属物体的反射波, 这些地表干扰波的总体特征是能量衰减小、反射系数大、波形杂乱, 且多存在多次反射。
2.2.1 直达波
产生原因:直达波即地表直接反射回波, 是由于空气与地面之间的阻抗突变产生的。
主要特征:直达波是在空气中传播的, 其能量远大于地下目标回波。由于天线是贴近地面的, 直达波的双程旅行时是很小的, 接近于浅表层的目标回波的到达时间, 有可能对浅表层目标的检测与识别造成干扰。
直达波与地下回波的区别:直达波波形稳定, 只有在地表粗糙和起伏时产生小波动, 另外在时间轴上出现较早, 一般都早于目标回波。
2.2.2 耦合效应
产生原因:天线是电磁场的辐射系统, 在探地雷达测量过程中, 天线需要贴合地面, 以最大程度地向地下发射电磁波。当地表起伏不定时, 天线无法与地面很好地耦合, 就会出现散射现象, 并且电磁波在天线与地面之间会产生振荡, 出现耦合效应。
主要特征:耦合效应的干扰影响有效信号, 甚至完全覆盖有效信号, 同时, 这些干扰波与系统发射的电磁波有着相似的振幅和频率, 且在剖面的时间轴上延续很长, 严重影响地下介质的反射信号。图3为天线与地面耦合不好时出现的波形图。
2.2.3 地表金属体及水体
产生原因:当测线附近存在地表金属体及地表水体时, 电磁波会在这些物体上产生很强的反射信号, 并且由于电磁波在空气中能量衰减小、传播速度大、界面反射系数大, 往往形成多次反射。
主要特征:这些强能量信号在时间轴上延续很长, 对地下的目标体识别具有很大干扰。其他地表非金属物体也会产生反射波并对地下目标回波造成干扰, 只是相对金属物体的反射波能量要小一些。如图4为测线附近存在金属堆积物时的波形图。
2.3 地下多次波干扰
产生原因:来自地下的干扰波主要为强反射界面所产生的多次波, 具有较大反射系数的反射界面是产生多次反射波的基本条件。实际工作中常见的强反射界面有基岩面、不整合面、石膏层、灰岩以及人工地下建筑如仰拱等。
主要特征:在探地雷达剖面上, 多次波一般表现为形态一致, 按时间等间隔排列。多次波的出现一方面说明地下存在较大波阻抗差异的界面, 同时它又使目的层反射波形态发生畸变, 影响对地下界面的正确认识。这类干扰在测量过程中难以压制, 需要在后期处理中进行消除。
如图5、图6, 分别为某段剖面的波形图与线扫描图。图中可看到几处存在多次波的界面, 分别为空气与地表分界面、地下仰拱面、基岩面。
3 干扰的消除或减少
在探地雷达的野外测量过程中, 应尽可能地消除或减少干扰, 以采集高质量的数据。这包括测量场地的清理, 测量参数的设置和测量方式的选择, 以及记录不可避免的干扰和后期的信号处理。
3.1 场地的清理
探地雷达对测量环境要求较高, 并不是所有的场地都适合雷达工作。在测量过程中应尽可能地消除工作场地上可能存在的干扰。当周围存在干扰电磁信号的机械设备、机动车辆时, 应关闭这些设备的发电机和马达、发动机等, 减少电磁噪声;选择较好的地表条件进行探测, 尽量清理或避开障碍物;当地面存在金属体与水体时, 应尽量清除或者避让;当通信设备所发射的电磁信号频率在探测所选择的频率范围之内时, 工作人员应关闭通信设备。
3.2 测量参数与测量方式
测量参数的设置主要影响探测深度与分辨率, 但某些错误的参数设置可能造成假的信息, 例如单个点过高的增益设置会在数据中造成假的层面信息, 在数据采集中要保证正确的参数设置;设置数据采集滤波器可以去除或平滑噪音, 主要包括:高通滤波、低通滤波和叠加;当测线两旁存在建筑物时, 若天线极化方向与建筑物走向平行则干扰较强, 且后期处理很难消除, 这时应尽量控制天线极化方向, 减少两旁建筑物等带来的干扰;当地面耦合条件不好时, 将天线抬离地面一定距离, 可以减少耦合效应的影响, 但这样会使反射信号变弱。
3.3 野外工作记录
当地表存在无法避让的障碍物和金属、水体时, 应清楚地记录位置与地表情况;当天线与地面耦合不好时, 也应清楚地记录耦合情况, 为数据处理和解释提供参考。
3.4 后期信号处理
探地雷达接收到的回波实际上是一种低信噪比、波形畸变的信号, 可以运用滤波等方法去除或尽可能地降低干扰信号成分, 提高数据信噪比, 并对接收回波进行波形修正;随机噪声的抑制方法较多, 可以在时域、频域、小波变换域等不同域内进行处理, 主要有平均滤波法、小波变换滤波法等;直达波的去除方法分为两类, 一类是根据直达波与目标回波的不同特性, 在不同域内直接滤除的方法, 另一类是根据接收信号估计出直达波的参考波形, 然后在接收信号中减去参考波形的抵消去除法;利用多次波的周期性和有效波与多次波之间的可分离性, 可采用滤波的方法对多次波进行压制。
4 结论
探地雷达在金川隧道中的应用 篇10
1 工程概况
金川隧道全长786 m, 里程桩号为K3+598 m～K4+384 m, 纵坡2.365%。隧道总体走向NW30°, 隧道走向与岩层走向近正交。隧道穿越地层为杂谷脑组上段 (T
2 SIR-20探地雷达超前地质预报系统工作原理及测试方法
2.1 工作原理
SIR-20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。反射波从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。
一般, 岩体、混凝土等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。探地雷达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 m～25 m。
2.2 测线布置及测试
本次工作采用美国GSSI公司的SIR-20探地雷达, 其精度高, 性能稳定、可靠。本次掌子面测试的主要工作技术参数为:100 MHz屏蔽天线;每次扫描的采样点数:512;每秒钟的扫描数:100;相对介电常数:6。本次探测工作沿隧道掌子面布两条测线 (见图1) , 测量时由两位测量人员手持天线紧贴掌子面由探测起点移动到探测终点。
3 工程实例
2008年12月13日, 对金川隧道进行了地质雷达超前地质预报探测工作, 测试掌子面里程为K3+718.5。
1) 测试掌子面岩体特征。
测试掌子面地层为三叠系杂谷脑组上段的浅变质细砂岩夹碳质千枚岩。岩层呈中层状结构, 单层厚度0.1 m～0.5 m, 变质砂岩强度较高。掌子面岩层产状N74° W/NE∠71°。此外, 掌子面还发育有两组成组节理, 第1组:N62°E/SE∠52°, 间距1.5 m, 长度5 m, 缝宽5 mm, 填充有方解石, 剪性节理;第2组:N77°E/NW∠66°, 间距0.9 m, 长度0.6 m, 缝宽2 mm, 无填充物, 剪性节理。岩体嵌合程度较紧密, 弱风化, 弱卸荷, 围岩整体较完整。地下水不发育。
2) 探测结果及分析。
在测试过程中, 先沿竖向测线自上而下缓慢连续移动发射和接收天线后, 再沿横向测线自左到右移动。
a.隧道掌子面K3+718.5处竖向地质雷达扫描图像, 如图2所示。
本次探地雷达探测距离为24 m;测线长约为5 m。从雷达波形图可以看出:掌子面前方1 m处有一反射界面, 雷达波呈现强反射, 分析为天线盒底与掌子面围岩表面空气介质的干扰信号。掌子面前方1 m～6 m范围内, 从掌子面上部至下部, 雷达波以高频强反射为主, 同相轴没有错段, 推断该段围岩较完整, 整体性较好。掌子面前方6 m～15 m范围内, 从掌子面上部至下部, 雷达波呈现出高频弱反射, 以此推断该段围岩节理裂隙发育, 岩体破碎, 掌子面拱顶易掉块。掌子面前方15 m～24 m范围内, 掌子面上部和下部雷达波以高频弱反射为主, 而在中部呈现出高频强反射, 以此推断该段围岩上部和下部较破碎, 中部相对较好。
b.隧道掌子面K3+718.5处横向地质雷达扫描图像, 如图3所示。
本次探地雷达探测距离为24 m;测线长约为9 m。从雷达波形图可以看出:掌子面前方2 m处有一反射界面, 雷达波呈现强反射, 分析为天线盒底与掌子面围岩表面空气介质的干扰信号。掌子面前方2 m～4 m范围内, 从掌子面左侧至右侧, 雷达波以高频强反射为主, 推测该段围岩自稳能力较好。掌子面前方4 m～9 m范围内, 从掌子面左侧至右侧, 雷达波以高频弱反射为主, 推测该段围岩节理裂隙发育, 岩体破碎, 整体性较差。掌子面前方9 m～24 m范围内, 掌子面左侧和右侧, 雷达波以高频弱反射为主, 而在中部呈现出高频强反射, 以此推断该段围岩左侧和右侧较破碎, 中部相对较好。
4 结论及建议
本次雷达探测距离24 m, 根据探地雷达解译结果和工作掌子面地质调查, 对掌子面前方K3+718.5～K3+742.5的地质情况预报如下:1) 在K3+718.5～K3+742.5洞段, 围岩总体地质情况与目前掌子面类似, 其岩性仍为浅变质细砂岩夹碳质千枚岩, 岩层产出状态也与目前掌子面基本相同。受结构面控制, 隧道掌子面上方岩体, 在爆破临空后, 易出现卸荷滑塌现象。2) 在K3+718.5～K3+720.5段, 雷达波受天线盒底空气介质以及掌子面信号强反射影响, 为干扰信号;在K3+720.5～K3+722.5段, 雷达波呈现出高频强反射, 以此推断该洞段围岩自稳能力较好;在K3+722.5～K3+733.5段, 雷达波呈现高频弱反射, 推断该洞段围岩受结构面控制, 节理裂隙发育, 岩体自稳能力较差, 拱顶易掉块;在K3+733.5～K3+742.5段, 掌子面中部雷达波呈现出高频强反射, 其余部位以高频弱反射为主, 以此推断该洞段中部围岩较好, 周边岩体破碎, 开挖后拱部易掉块或坍塌。3) 在预报段内, 围岩受结构面控制及节理裂隙切割, 并且出露有碳质千枚岩互层, 围岩在开挖临空后易产生滑塌现象, 建议在施工过程中遵循“短进尺、弱爆破、早封闭、强支护”原则。4) 据所采集原始数据的分析和地质雷达波的解译结果, 判定掌子面前方预报范围内围岩级别为Ⅳ级。
参考文献
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[3]牛之琏.时间域电磁法原理[M].长沙:中南大学出版社, 2007.
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