RIS地质雷达（精选3篇）
RIS地质雷达 篇1
0 引言
隧道开挖前期的勘探资料由于未能详细的掌握施工段的地质情况, 所以只能为其提供大致性的技术指导, 随着隧道施工环境和地质条件的复杂程度大幅度上升, 内部隐藏的大量地质灾害因前期没有准确查明而对开挖掘进产生极大的威胁, 一旦引发相应的工程事故便会对施工造成影响, 所以在隧道开挖过程中跟踪探测掌子面前方的地质情况并及时预报地质灾害, 提前做好防护措施降低施工风险是很有必要的。地质雷达是利用高频脉冲电磁波探测地下介质分布的一种地球物理探测方法, 与其他物探方法相比, 它具有轻便、快速、分辨率高、抗干扰能力强、无损伤性等优势, 在隧道工程建设超前地质预报中有着广泛的应用[1]。
1 地质雷达工作的基本原理
如图1所示, 地质雷达通过发射天线T向地下定向输送某一中心频率的脉冲电磁波, 中心频率的范围一般为1 MHz~1GHz[2]。在岩土介质中传播的电磁波, 其路径和波形都会因介质的电性、几何形态的变化而改变[3]。当电磁波通过均匀介质时则不会产生反射并仍以一定速度继续向下传播, 当遇到地电特性和几何形态有差异的异常目标物或不良构造时, 就会有部分电磁波发生反射返回至地面被接收天线R接收, 而另一部分电磁波则会继续向地下传播并对地下更深的部位进行探测。接收天线在接收到反射波信号后会先将其数字化, 再通过雷达主机将其记录下来并生成雷达特征图像。根据反射电磁波的双程走时[1]可以求出地下异常目标物的埋藏深度。
理论研究得出反射电磁波的双程走时t为:
其中, z为反射界面深度;x为收发天线之间的距离;v为电磁波在地下介质中传播的速度, 可按式 (2) 求得:
其中, c为电磁波在空气中的传播速度;εr为地下介质的介电常数。
由式 (1) 可变换得到的反射界面深度的计算式:
在实际工作中, 收发天线的距离一般要远小于反射界面的深度, 即xz, 所以反射界面的深度可近似为:
在确定地下异常目标物的埋深后可根据雷达主机生成的雷达特征图像分析反射波的振幅、频率和相位等特征综合判断隐藏在地下深处的异常目标物或不良构造的几何形态, 从而达到精确探测地下不良地质条件的目的。
2 数据的采集和处理
2.1 数据的采集
在现场采集数据时需要根据隧道的实际情况合理选择测线的布置方式和探测方法, 它们的选择在很大程度上影响着数据质量和解译结果的可靠性。
测线的布置一般随着开挖方式的改变而改变。隧道在全断面开挖时可布置成“两横两竖”型;在台阶法开挖时可布置成“一横三竖”型或“两横”型;在预留核心土开挖时可布置成“半弧”型。有时还可以通过加密布置测线或在隧道底面及内壁布线的补充方式来获取更全面的数据, 从而提高探测结果的准确性。
实际应用较多的雷达探测方法是点测和连续探测。点测是在预设测线上每隔一段距离布置一个测点, 再在收发间距固定的情况下手动地逐点采集数据。这种方法的测量速度较慢且探测剖面信号较少, 但能在掌子面凹凸不平时使用。连续探测是将天线紧贴掌子面以一定速度沿预设测线移动, 仪器会以时间触发的方式自动采集数据, 最后系统会自行将各个记录组合在一起形成探测剖面。这种方法的测量速度快且探测剖面信号多, 但需要在剖面上做标记以确定扫描剖面的水平距离信息。
2.2 数据的处理
由于现场探测时存在各类干扰因素, 严重影响了数据的质量。为了突显对解译有用的反射波信息, 提高数据资料的可译性, 需要对其进行适当的处理。
1) 滤波处理:滤波处理的目的是要剔除采集得到的数据中掺杂的高频和低频干扰波。滤波分为垂向滤波和水平滤波。在垂向滤波处理时会设置高通截频和低通截频阻止干扰波通过。水平滤波分为水平平滑和背景剔除, 目的是消除仪器和环境的背景干扰[4]。
2) 增益处理:增益是通过调节增益点的数目来改变增益点位置从而放大反射波振幅使雷达图像目标更加清晰易辨。增益处理时要适当调节增益点的数目, 因为增益偏大会出现信号削顶现象, 而增益偏小则会丢失微弱的有效信号[5], 这都会影响探测结果的准确判读。
3 工程实例
3.1 工程概况
京台线建瓯至闽侯高速公路南平段的八外洋1号隧道位于福建省西北部位, 属剥蚀丘陵地貌单元, 微地貌形态为呈近东向西的带状陡峻山岭与三间沟谷相间分布, 山峦起伏, 地势陡峭, 支沟发育, 多呈“V”字形。八外洋1号隧道左线里程ZK28+365~ZK29+459, 右线里程为YK28+375~YK29+468。隧道最大埋深约130.14 m。左右洞纵坡均为2.0%。隧道区域围岩以前震旦系下统龙北溪组云母石英片岩为主, 岩石节理裂隙发育, 结构面结合程度和风化程度不一。隧道洞口浅埋地段围岩风化程度较大, 围岩以强风化云母石英片岩为主, 为软质岩, 结构松散易碎, 稳定性差, 初期若不及时支护则会造成拱顶坍塌, 围岩级别设计为Ⅴ级。隧址区位于分水岭部位, 地表水较发育。
本次探测主要是对八外洋1号隧道的右线进行探测, 现场探测采用的是美国GSSI公司生产的SIR-20地质雷达, 掌子面测试的主要数据采集参数为:中心频率为100 MHz的屏蔽天线;每次扫描所采集到的样品数为512;每秒钟采集到的扫描数为100;天线间距为0.5 m;时窗为500 ns;叠加次数为32次。现场采集数据时主要采用连续测量的模式, 必要时会采用点测方式探测加以核对检验。
3.2 探测结果分析
下面是利用SIR-20地质雷达对八外洋1号隧道右线进行超前地质预报过程中探测到的几种不良地质现象:围岩强风化带、断层破碎带、节理裂隙密集带和富水带, 首先结合如隧道岩层、地质概况、地质剖面图等与隧道相关的常规资料对其相应的雷达波形图进行简要分析解译, 再通过开挖结果对探测成果进行验证。
3.2.1 围岩强风化带
图2是在隧道右线进口掌子面YK28+380处经过反复探测得到的具有代表性的雷达图像, 有效预报距离为22 m, 其波形特征是反射面较多, 但反射面振幅较小且无明显突变, 同相轴的连续性一般, 但很少出现错位、断开和分叉等杂乱无序的现象。由此波形特征预测整个探测范围内介质的介电常数没有突变的情况, 围岩和掌子面围岩质量基本一致, 受风化作用影响强烈且风化程度均一, 结构松散破碎, 稳定性较差。现场的开挖情况如图3所示, 该段围岩为灰黄色强风化云母石英片岩, 岩体风化程度均一, 含水较少, 这与预报结果基本相符。
3.2.2 断层破碎带
图4是在右线进口掌子面YK28+470处经过多次探测得到的典型雷达波形图, 有效预报距离为24 m, 由波形图可知, 在掌子面前方0 m~10 m范围内反射波波形错断无序, 同相轴连续性较差, 反射界面波幅显著增大且变化明显, 预测这一范围的围岩体内存在断层破碎带, 断层界面大致在掌子面前方4 m的位置, 断层面的平整性和连续性都较差;在掌子面前方10 m~20 m范围内所对应的波形图显示反射波信号微弱, 分析出现这种现象的原因是电磁波在通过破碎带时出现了绕射和散射, 而且其能量快速衰减、高频部分被吸收。经过现场开挖后发现, 掌子面前方出现一条横跨整个掌子面的压性断裂, 为政和—大浦断裂的一部分, 断裂带岩石松散破碎, 断层产状为115°∠75°, 长度约为20 km, 宽度约为20 m, 而且断层两侧节理裂隙发育, 这与探测预报的结果基本吻合。
3.2.3 节理裂隙密集带
图5是在右线进口掌子面YK28+900处反复探测得到的代表性雷达波形图, 有效预报距离为25 m, 但波形图只有浅部有信号, 深部信号微弱甚至无信号。掌子面前方0 m~10 m范围段的波形特征:该范围内出现了相对平行的条带状反射信号, 反射波的同相轴连续性较好且波幅较大, 预测这一范围的围岩体内蕴含着一个节理裂隙密集带, 且节理面的产状大致相同。由于雷达波形图上的深部信号微弱, 所以无法预测10 m~25 m范围段围岩的地质情况。经过开挖后发现, 掌子面前方0 m~8 m范围内发育有2组节理裂隙, 节理产状为168°∠90°, 呈3条/m分布, 裂隙产状为196°∠82°, 呈2条/m分布, 节理多呈闭合状, 构造裂隙无论在平面还是在垂直方向上均存在归并和分歧现象, 这与探测预报的结果基本吻合。
3.2.4 富水带
富水带中的地下水和围岩介质的电性差异较大, 电磁波传至围岩与地下水的分界面时会产生强烈反射, 反射波具有振幅大、频率高和波峰尖锐等特点, 这为地质雷达能够精确地探测提供了有利的天然条件。图6是在右线进口掌子面YK29+010处多次重复探测得到典型雷达波形图, 有效预报距离为24 m, 由图可知, 波形图上出现了一系列明显的反射界面, 反射波的波幅宽大, 同相轴连续性较好且呈条带状分布, 根据肖宏跃[6]总结的地质雷达特征预测掌子面前方围岩体内存有地下水且均匀连续分布, 地下水与基岩的分界面大致在掌子面前方8 m的位置。在对探测范围段开挖的过程中, 在掌子面前方0 m~4 m范围内的岩体较为干燥;4 m~10 m范围内的岩体较湿润, 偶有滴水现象;10 m~15 m范围内的岩体很湿润, 经常有滴水现象;15 m~24 m范围内的岩体经常有线状渗水现象。通过探测和开挖对比发现探测预报的成果基本符合预报段的地质情况。
4 结语
地下岩体存有差异性的天然优势为地质雷达对隧道未开挖段的准确探测提供了有利条件, 实地探测结果表明它预报不良地质现象效果显著。为了提高探测成果的实用性通常需要根据现场探测环境制定合理的预报方案并在获取数据后结合区域地质情况和多方面的资料对其适当处理, 探测到不良地质情况时应及时上报并跟进探测。由于受各方面因素的制约, 现阶段地质雷达技术在隧道超前预报中仍存在不可避免的缺陷, 在应用前人工作经验的同时需要不断实践总结以提高探测的准确率。
摘要：简要阐述了地质雷达工作的基本原理、现场数据的采集方式以及一些数据处理的步骤, 结合八外洋1号隧道右线的超前地质预报实例, 将其探测解译成果和现场开挖情况进行了对比分析, 结果表明地质雷达对隧道施工过程中出现的不良地质现象探测效果十分显著。
关键词：地质雷达,隧道工程,超前地质预报,不良地质
参考文献
[1]李亚飞.地质雷达超前地质预报正演模拟[D].北京:北京交通大学硕士学位论文, 2011.
[2]李大心.地质雷达方法与应用[M].北京:地质出版社, 1994.
[3]向亮星.地质雷达在隧道超前预报中的应用及其数据分析研究[D].成都:西南交通大学硕士学位论文, 2012.
[4]杜兴忠.地质雷达成像实验研究[D].成都:成都理工大学博士学位论文, 2012.
[5]高阳, 张庆松, 原小帅, 等.地质雷达在岩溶隧道超前预报中的应用[J].山东大学学报 (工学版) , 2009, 39 (4) :82-86.
[6]肖宏跃, 雷宛, 杨威.地质雷达特征图像与典型地质现象的对应关系[J].煤田地质与勘探, 2008, 36 (4) :57-61.
[7]李辉, 程振华.地质雷达在隧道超前预报中的应用[J].山西建筑, 2013, 39 (35) :178-179.
RIS地质雷达 篇2
【摘要】通过实际工程应用，介绍地质雷达的特点、原理和探测解析方法;在隧道工程的超前地质探测预报以及隧道结构检测的应用中，证明了地质雷达的实用性、先进性及其实际应用中的重要作用。
【关键词】公路隧道;地质雷达;检测;超前预报;应用
1、工程概况
小北山二号隧道为长隧道，按左、右线分离布设。左线隧道起讫里程ZK19+571～ZK21+091，长1520m，揭阳端洞口采用削竹式，洞口设计标高30.353m，惠来端洞门采用削竹式，洞口设计标高17.398m，坡高0.5%～-1.317%，隧道最大埋深约209m。右线隧道起讫里程ZK19+599～ZK21+081，长1482m，揭阳端洞口采用削竹式，洞口设计标高30.493m，惠来端洞门采用削竹式，洞口设计标高17.490m，坡度0.5%～-1.321%，隧道最大埋深约212m。隧道位于丘陵地区，山体地形陡峭，山体植被较发育，山体发育花岗岩孤石，大小不一。隧址区基底主要为燕山期花岗岩，局部见辉绿岩岩脉，覆盖层由粘土、全～强风岩组成，基岩由中~微风化岩组成。隧址区地下水类型主要为潜水，含水层主要为第四系松散层的孔隙及中～微风化岩的风化裂隙。
2、地质雷达的发展及其应用
随着社会的高速发展，有很多的方便加上很多的仪器可以在岩土勘察中使用，重要的方法有弹性波法及其电磁波法。在实际工程当中经常使用的电磁波法就是地质雷达，隧道地震探测仪比较适合远距离宏观的地质问题探测;并且地质雷达方法可以结合高频电磁波而进行非常快的无损伤探测，因此频段非常高的话可以在隧道结构当中进行检测。公路的隧道工程埋深、规模以及数量随着时间的增加而不断地变多，而在施工的过程当中也遇到了很多复杂的工程地质条件。虽然说在设计以前都作了非常详细地质勘察，但是在隧道实际的开挖施工当中，还会有非常多的问题发生的。从这些方面就可以很好地说明，在隧道施工过程当中的围岩稳定性状况以及一些掌子面前方的实际情况，并且做出及时地超前预报。当隧道发生一些事故或者竣工以后，应该结合现行的规范上面要求以及隧道本身的结构特性，不但应该在隧道的表面进行观测以及净空断面进行测量，需要的时候还应该采用地质雷达进行一些更深入的检测，例如围岩的密实完整稳定的情况、钢拱架的分布情况、有无离析以及蜂窝麻面、衬砌混凝土的均匀一致性以及相对应的完整性以及衬砌有效厚度等等。经过实际的情况可以证明，地质雷达技术可以在隧道的施工当中作出非常详细的超前地质预报。现在，地质雷达检测技术已经发展到了单点探测以及连续探测的.实时自动成图。而国外的国家探地雷达基本上是单脉冲雷达，其工作的频率在50到2G赫兹，最为代表性的国家是美国和加拿大。我们国家所生产的一系列地质雷达，结合地下工程的超前预报的特点，采用的是脉冲调制式，这个的探测距离非常大，而且分辨率也非常高，其工作的频率大约在160到220兆赫兹，其探测的距离可以达到40到60米，可以很好地适应超前地质预报以及部分的工程检测。
3、探测的原理以及方法
结合设计的图纸以及设计的任务书按照规定进行开展地质超前预报的工作，其预测应该是沿着隧道纵向三十米的范围以内对一些不安全的地质问题进行检查，对前面的地层岩性变化以及水文地质特征(软弱岩层的分布、断层发育及其影响带、水的赋存情况等)进行探测，对隧道围岩的级别进行分析，并列出一些施工的建议，确保隧道施工的安全，减少一些不必要的损失，为动态的设计提供所需要的地质参数，从而可以更好地为隧道施工进行服务。本次的地质预报使用的是地质雷达系统，运用了空气耦合型100兆赫兹的天线，结合探测的前方岩石的特点以及现场施工的条件，对距离30米左右进行详细地探测。而这次预报的工作面位于ZK19+735里处的地方，使用一些点测的方式，使用一系列的方法对工作面的正前方进行详细地预测。
4、数据的处理以及得出来的结果
对实际测量出来的资料用一系列的软件进行处理分析，再结合现场的岩性所具体的实际情况，选择一个比较适合的相对介电常数，进而得出来一些成果，在成果的解释当中，开始的时候，假如发现了有非常明显的反相位反射波组出现的话，就应该岩性变坏的一个表现;假如发现了有非常明显的正相位强波反射波组出现的话，就应该是岩层岩性变好的一个表现，结合反射波反射强度的实际大小就可以区分反射界面前方介质的一系列的特征。依据雷达数据处理结果并结合地质资料分析得出以下预报结果：(1)掌子面为强风化花岗岩，上方自稳能力差，中部伴随严重掉块，局部潮湿明显，推断围岩级别为Ⅴ级。(2)掌子面右侧前方4~10m(ZK19+739~ZK19+745)区域反射信号强烈，同相轴紊乱，推测此区域与掌子面情况类似，有明显破碎带，围岩完整性差，推断围岩级别为Ⅴ级。(3)掌子面前方10~15m(ZK19+745~ZK19+750)区域反射信号衰退稳定，同相轴平稳但仍存在断开处，推测此区域岩性略微好转，但依旧破碎且含水，推断围岩级别为IV级。(4)掌子面前方15~30m(ZK19+750~ZK19+765)区域信号较弱，加大增益后发现同相轴较为连续，推测此区域岩性好转，级别应为IV级。依据结果给出的建议：(1)ZK19+735掌子面围岩为强风化花岗岩，自稳能力差，局部潮湿明显，中部掉块严重，应严格控制进尺，加强支护，预防坍塌。(2)掌子面前方10m区域围岩与掌子面情况相似，稳定性差，破碎带明显，容易坍塌。严格控制进尺，及时做好初期支护工作并保证强度，防止掉块与坍塌，同时做好排水工作。(3)掌子面前方20m区域后，岩性有所好转。建议采用上下台阶方法，并严格控制进尺，及时做好初期支护工作并保证强度，防止掉块与坍塌，同时做好排水工作。
5、结束语
用于路桥检测的地质雷达技术 篇3
地质雷达 (Ground Penetrating Radar, 简称GPR) 又称探地雷达、透地雷达, 是用频率介于106~109Hz的无线电波来确定地下或者岩体介质分布状况的一种方法。地质雷达利用发射天线向地下或者岩体发射高频电磁波, 通过接收天线接收反射回地面的电磁波, 电磁波在介质中传播时遇到存在电性差异的界面时发生反射, 根据接收到电磁波的波形、振幅强度和时间的变化特征推断介质的空间位置、结构、形态和埋藏深度。使用探地雷达对路桥结构进行检测具有实时、简便、高效、准确、连续、信息丰富等特点。目前, 该项技术已被广泛应用于公路与桥隧质量控制及病害检测中。
1 工作原理
地质雷达的工作原理是利用宽频带发射天线过向介质发射无载波电磁脉冲, 电磁脉冲会在介质传播过程中遇到不同电性介质界面时产生反射。由接收天线接收到反射信号后, 将其传输到主机内并将转化为数字信息, 再通过数据、图像分析处理, 就能计算出被探测介质的某些参数, 从而区分不同介质层面, 并确定不同层面物体的深度。
对于不同介质, 雷达波的穿透深度是不尽相同的, 这主要取决于波的频率和地下介质的电学特性等因素的影响。一般地, 频率越高, 穿透深度越小;导电率越高, 穿透深度越小, 反之亦然。在常见的工程材料中, 混凝土的导电率高于沥青, 因此同样频率的雷达波在水泥中的穿透能力小于在沥青中的穿透能力。在实际应用中, 需要针对检测对象材质的不同, 调节探测电磁波的频率。例如, 在实际检测工作中, 探测沥青路面常常使用频率大于1 200MHz的天线, 而对于水泥混凝土面层一般使用900MHz~1 000MHz的天线;探测路基可使用频率为300MHz~900MHz的天线。
2 发展概况
在1910年, 德国人Leimbach和Lowy首次阐明了地质雷达的基本概念。此后的很长一段时间里, 地质雷达技术有了很大改进。但由于电磁波在地下介质中的传播的复杂性和不均匀性, 使得对地质雷达的研究它仅限于相对均匀、对电磁波吸收较弱的地质环境。1963年, Evans S应用地质雷达技术对极地冰层的厚度进行探测。1974年, Pocello L T应用该技术对月球表面结构等。上世纪70年代以后, 随着电子技术的及现代处理技术的迅速发展与应用, 许多商业化的探地雷达系统先后问世, 与此同时, 探地雷达的应用范围也在不断扩大, 极大促进了地质雷达技术在工程中的应用。我国针对地质雷达技术在工程领域的应用研究始于上世纪80年代。1983年, 铁道部引进了第一台地质雷达。此后, 各科研部门经过十几年的不断努力, 在雷达硬件设备、目标信号提取、目标识别、目标成像等方面取得重大进展和突破, 特别是成功地实现了对地下目标的三维层析成像, 大大提高了分辨率和清晰度, 使地质雷达在信号处理和成像技术方面进入了世界领先行列。目前在我国, 地质雷达技术已经在军事、地质、水利、交通、城建等部门得到广泛应用。
3 在公路检测中的应用
地质雷达技术早期在公路检测领域中的应用主要是探测路面结构层的厚度, 或是进行路面结构层材料特性的反演。近几年, 人们开始致力于研究应用地质雷达探测路面下的病害和缺陷, 主要解决以下问题:
1) 公路施工期:检测公路各结构层厚度和密度, 及时监控施工质量, 并做到在施工现场进行实时质量检测;
2) 公路使用期:定期快速、连续普测和路面与路基调查、路面与路基裂缝的调查。检测层间脱空、空隙和破碎区域范围, 方便管理部门及时掌握道路变化趋势, 实施补救措施, 并进行道路状况动态管理, 为公路养护提供可靠的依据。
4 在隧道工程中的应用
地质雷达在隧道中的应用主要针对有混凝土衬砌结构检测、隧道病害检测。主要解决以下问题:
1) 衬砌厚度及衬砌钢筋检测:检测隧道衬砌结构各层厚度是否达到设计要求, 原理与公路层厚度检测类似。又由于钢筋属于良性导体, 当雷达波从介质入射到导体表面时, 由于存在较大的电磁性差异, 必然产生反射现象。从电磁波理论可以知道, 金属材料对雷达波具有很强的反射能力。所以可使用地质雷达技术对隧道衬砌结构中钢筋的分布和密度进行检测;
2) 超前预报:隧道的特点是断面大、距离长、地质条件复杂。不良的地层条件极易引起隧道塌方、涌水等事故的发生。然而隧道工程所处环境的复杂性和不可预见性给安全施工带来了不小的难度。为了尽量避免出现施工事故, 在有地质资料和理论分析作为参考依据的情况下, 结合地质雷达的超前探查技术对隧道围岩变形进行有效的监测, 实时分析和掌控隧道的变形情况, 并对隧道的衬砌状态进行评价, 可为施工提供指导性依据, 从而达到安全施工的目的;
3) 渗漏水:水对雷达波有强烈的反射, 所以可以利用地质雷达探测衬砌背后水的聚集情况, 为防水与排水提供一定的依据。
5 结论
地质雷达技术虽然是一项较为前沿的检测技术, 但是以其独特的优越性, 已经在公路与桥隧结构施工及后期检测养护等领域得到广泛的应用。例如, 在工程建设前期, 可利用地质雷达对地质概况进行勘查探测, 确定地质结构、查找不良地段;在工程建设过程中, 利用地质雷达可以准确地探测出路面结构层的厚度, 进而使施工质量得到保证;在工程的服役阶段, 运用地质雷达进行常规例行检测, 以便于及时发现可能存在的各种隐患, 为工程结构的养护和维修提供指导以及, 这对于延长使用工程结构的使用寿命具有重要意义。相信地质雷达技术定会成为交通部门一种高效先进的无损检测手段。
摘要：阐述了地质雷达技术的工作原理, 介绍的地质雷达技术的发展概况, 重点介绍了该项技术在公路和隧道领域的应用方向。最后对该项技术在土木工程领域中的应用加以展望。