探地雷达技术（通用10篇）
探地雷达技术 篇1
0 引言
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
[1]张世豪,张斌.石灰质条件下隧道渗漏水的分析与处理[J].铁道建筑,2012(2):73-75.
[2]张智蔚,孙杨勇,陈强.公路探地雷达技术在隧道检测中的应用探讨[J].公路交通科技(应用技术版),2008,4(40):141-143.
[3]杨峰,苏红旗.探地雷达技术及其在公路隧道质量检测中的应用[J].筑路机械与施工机械化,2005(10):82.
[4]刘会迎,宋宏伟.隧道渗漏水成因分析及治理措施研究[J].重庆交通大学学报(自然科学版),2007,26(4):99-101.
[5]吴波鸿,白雪冰,孔祥春.探地雷达在隧道衬砌质量检测中的应用[J].物探与化探,2008,32(2):229-231.
探地雷达技术 篇2
编 号:少微山-2012-2
项 目 名 称： 少微山隧道衬砌质量无损检测
委 托 单 位：丽水市中恒工程检测有限公司
地 点： 丽 水 市 紫 金 路
单 位： 丽水市中恒工程检测有限公司
二0一二年二月十九日
注 意 事 项
1.复制的报告或有涂改的报告无效。2.报告无审核人及批准人签字无效。
3.对报告若有异议，应于收到报告之日起十五日内向检测单位提
出。
地址：丽水市开发北路149号 邮政编码：323000 电话：0578-2058979 传真：0578-2058977 电子邮箱：318389752@QQ.com
丽水中恒工程检测有限公司隧道无损检测报告
项目名称: 少微山隧道衬砌质量无损检测 委托单位: 丽水市中恒工程检测有限公司
检测人员：
报告编写：
报告审核：
I
丽水中恒工程检测有限公司隧道无损检测报告
目 录
1.工程概况............................................................3 2.检测依据............................................................3 3.检测精度要求........................................................3 4.检测原理............................................................3 5.采用的仪器和设备....................................................3 6.测线布置............................................................7 7.数据处理和解释......................................................7 8.探地雷达检测结果....................................................9 9.探地雷达检测结果...................................................20
II
丽水中恒工程检测有限公司隧道无损检测报告
青岛LTD探地雷达检测报告
1.工程概况
略
2.检测依据
根据
TB 10223-2004
J341-2004《铁路隧道衬砌质量无损检测规程》
JTG F60-2009《公路隧道施工技术规范》
JTG F80/1-2004《公路工程质量检验评定标准》第一册 土建工程
3.检测精度要求
厘米级
4.检测原理
(1)地质雷达(GroundPenetratingRadar，简称GPR)检测原理
地质雷达方法是一种用于确定地下介质分布的广谱(1 MHz一1GHz)电磁技术。可广泛地应用于浅层的混凝土结构、构造以及于浅层的地质结构、构造和岩性检测。它是利用超高频脉冲电磁波为震源，多以自激自收的形式，可采用连续、间断两种方式探测地下介质分布的一种地球物理勘探方法。具有快速、无损、连续检测、实时显示等特点。
地质雷达检测原理是根据地质雷达这一超高频短脉冲(106-109Hz)电磁波在结构介质中传播规律确定的。质中传播规律确定的。
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。因此，根据接收到波的旅行时间(亦称双程走时)、幅度与波形数据，可推断介质的结构。
由于地质雷达的发射天线与接收天线之间距离很小，甚至合二为一。当被检结构倾角不大时，反射波的全部路径几乎是垂直平面的。因此，在测线不同位置
丽水中恒工程检测有限公司隧道无损检测报告
上法线反射时间的变化就反映了被检结构的构造形态。地质雷达工作频率高，在工程及地质介质中以位移电流为主。因此，高频宽带带电磁波传播，实质上很少频散，速度基本上由介质的介电性质决定。因此，电磁波传播理论与弹性波的传播理论有许多类似地方。两者遵循同一形式的波动方程，只是波动方程中变量代表的物理意义不同。地质雷达检测理论是基于地质雷达两者遵循同一形式的波动方程，只是波动方程中变量代表的物理意义不同。地质雷达检测理论是基于地质雷达介电常数有关，雷达检测的探测效果主要取决于不同介质分接口的电性差异的大小，即介质层间介电常数差异越大，则探测效果越好，介质异常在雷达剖面上反映也就越明显，从而易于识别。实测时雷达波通过天线进入衬砌及围岩中，图1 雷达探测原理示意图
遇到材质有差别的介质时，产生接口反射，接收天线接收到反射波，测出反射波
4z2x2的入射、反射双向走时t，就可计算出反射波走过的路程长度，从而
v求出天线距反射面的距zvt（图1）。式中 z为天线到反射面的距离(m)；t2为雷达波从发射至接收到反射波的走时，用ns(纳秒计)，1ns=10-9秒；x为收发天线间距离(m)；v 为雷达波的行走速度(m／ns)；可以用几何光学的概念来看待
c直线传播的雷达波的透射和反射。v0。其中 C0 为雷达波在空气中的传播速度约30cm/ns；ε为介电常数，由波所通过的物质决定。(2)超声波法检测原理
混凝土的物理力学性质受其内部结构特性与外部环境条件等多种因素制
丽水中恒工程检测有限公司隧道无损检测报告
约，其声波传播特性反映了混凝土的应力应变关系。根据弹塑性介质中波动理论，应力波波速为：
VPE(1)
(1)(12)其中E为介质的动态弹性模量，ρ为密度，μ为泊桑比。而弹性模量与介质的强度之间存在相关性。超声波在混凝土中的传播参数（声时值、声速、波幅、衰减系数等）与混凝土介质的物理力学指标（动弹模、密度、强度）之间的相关关系就是超声检测的理论依据。当混凝土介质的构成材料、均匀度、施工条件等内外因素基本一致时，超声波在其中的传播参数应基本一致；而介质中存在缺陷时，超声波则在传播过程中产生绕射、反射、衰减等变化现象，使其声时、声速、频谱等产生变化。高精密声波反射—接收仪器及传感器可记录与描述混凝土的内在质量。
5.采用的仪器和设备
根据使用领域的要求，我们使用LTD-2100型探地雷达主机配置400MHz，1500MHz屏蔽天线。
探地雷达不同频率天线的测深能力不同，频率越低，探测深度越大，但是分辨率会降低；频率越高，探测深度越浅，分辨率会提高。探地雷达探测参数设置：
400 MHz屏蔽天线，采样点512，采集时窗70ns，手动迭加4次，采用测距轮触发探测方式，有效检测深度为2～3米，检测精度和深度可满足混凝土结构工程要求。
1500MHz屏蔽天线，采样点512，采集时窗20ns，手动迭加4次，采用测距轮触发探测方式，有效检测深度为0.1～0.5米，检测精度和深度可满足钢筋混凝土结构工程要求。
检测设备及现场照片如下图所示：
丽水中恒工程检测有限公司隧道无损检测报告
图（1）LTD-2100型探地雷达主机
图（2）400MHZ屏蔽天线
图（3）1500MHZ屏蔽天线
丽水中恒工程检测有限公司隧道无损检测报告
6.测线布置
根据测试要求，在丽水市少微山隧道进行了二衬数据采集测试。
数据处理和解释：
探测的雷达图形以脉冲反射波的波形形式记录，以波形或灰度显示探地雷达垂直剖面图。探地雷达探测资料的解释包括两部分内容：一为数据处理，二为图像解释。由于地下介质相当于一个复杂的滤波器，介质对波的不同程度的吸收以及介质的不均匀性质，使得脉冲到达接收天线时，波幅减小，波形变得与原始发射波形有较大的差异。另外，不同程度的各种随机噪声和干扰，也影响实测数据。因此，必须对接收信号实施适当的处理，以改善资料的信噪比，为进一步解释提供清晰可变的图像，识别现场探测中遇到的有限目标体引起的异常现象，对各类图像进行解释提供依据。
图像处理包括消除随机噪声、压制干扰，改善背景；进行自动时变增益或控制增益以补偿介质吸收和抑制杂波，进行滤波处理除去高频，突出目标体，降低背景噪声和余振影响。
图像解释和识别异常是一个经验积累的过程，一方面基于探地雷达图像的正演结果，另一方面由工程实践成果获得。只有获得高质量的探地雷达图像并能正确的判别异常，才能获得可靠、准确的探测解释结果。
识别干扰波及目标体的探地雷达图像特征是进行探地雷达图像解释的核心内容。探地雷达在接收有效信号的同时，也不可避免地接收到各种干扰信号，产生干扰信号的原因很多，干扰波一般都有特殊形状，在分析中要加以辨别和确认。
主要判定特征：
1.密实：衬砌信号幅值较弱，波形均匀，甚至没有界面反射信号； 2.不密实：衬砌界面反射信号强，信号为强反射信号，同相轴不连续，错断，一般区域化分布；
3.空洞：衬砌界面反射信号强，呈典型的孤立体相位特征，通常为规整或不规整的双曲线波形特征，三振相明显，在其下部仍有强反射界面信号，两组信号时程差较大；
4.脱空：衬砌界面反射信号强，呈带状长条形或三角形分布，三振相明显，通常有多次反射信号；
丽水中恒工程检测有限公司隧道无损检测报告
5.钢筋网:有规律的连续的小月牙形强反射信号,月牙波幅较窄； 6.钢拱架：单个的月牙形强反射信号,月牙波幅较宽； 7.钢格栅：连续的两个双曲线强反射信号。
丽水中恒工程检测有限公司隧道无损检测报告
7.探地雷达检测结果
⑴ 少微山隧道二衬边墙钢筋网分布测试： ① GC400MHz屏蔽天线钢筋测试结果：
② GC400MHz屏蔽天线二衬缺陷测试结果
丽水中恒工程检测有限公司隧道无损检测报告
⑵少微山隧道边墙二衬厚度测试： ①GC400MHz屏蔽天线测试结果：
②GC400MHz屏蔽天线测试厚度报表：
丽水中恒工程检测有限公司
2012年2月19日
探地雷达技术 篇3
关键词:探地雷达;隧道工程;检测;应用;分析
中图分类号:U452.1文献标识码:A文章编号:1000-8136(2010)03-0066-02
1探地雷达在隧道工程检测中的工作原理与作用
探地雷达又称地质雷达,是一种新兴的高分辨率物探设备。探地雷达是在20世纪70年代由美国开始组织研发的,80年代后期,伴随电子技术、计算机技术与数据处理技术的高速发展,探地雷达技术才取得了突破性的进展。在国内隧道工程中,探地雷达现已被广泛应用于地质检测等施工环节。
在隧道工程检测中,探地雷达有效应用了现代非侵入性探测技术,即不必将传感器放入隧道检测介质内,就可以安全的在地面与地下进行各种现场数据检测操作。探地雷达由于采用了宽频带、短脉冲和高采样率,其探测分辨率高于其它地球物理探测手段,又由于采用可程序高次叠加和多波形处理等信号恢复技术,大大改善了信噪比和图像显示性能。在隧道工程检测中,探地雷达的工作原理主要是借助探地雷达所产生的高频电磁波,以宽频带短脉冲形式通过天线向地下发射,并在岩层中透射,遇反射目标后返回地面,由接收天线接收。探地雷达具有安全、高效、便于携带等优点,但是它探测的目标距离普遍较短,难以进行较深隧道的检测工作。
探地雷达在隧道工程检测中的应用,其所具有的作用是十分重大的。探地雷达不但可以提高隧道工程检测的安全系数,而且有效保证了隧道工程检测数据的科学性和可靠性,这对于隧道工程的开展和进行都是极其重要的。探地雷达是现代隧道工程检测中所应用的主要科学仪器之一,探地雷达的应用对于推动隧道工程建设和工程建设行业的发展也具有深远意义。隧道工程多是在较深的地下进行施工和操作的,其危险系数自然相对较大,传统的隧道工程检测多是由技术人员深入到隧道深处,这样必然会引起安全隐患和工程事故的发生。探地雷达的运用,技术人员只需掌握和熟悉设备的操作流程,就可以在短时间内获取所需的各项数据,并且可以确保数据的全面性和准确性。随着电子技术和计算机技术的不断发展,探地雷达的探测深度,在复杂条件下的分辨率将会进一步提高,在隧道工程检测中发挥更大的作用。
2探地雷达在隧道工程检测中应用实例
探地雷达在隧道工程检测中应用的范围比较广泛,基本可以保障隧道工程所需各项检测数据的获取。探地雷达在国内隧道工程中的应用已逐渐被重视和发展,探地雷达功能的完善性是其他仪器所无法比拟的。本段将列举探地雷达在隧道工程检测中应用的两个实例,以全面展现探地雷达的功能全面性和应用范围之广。
2.1隧道衬砌结构检测
隧道工程施工中,在加固处理拱顶空洞病害泵送混凝土过程中,往往会因机械设备所造成的压力过大造成衬砌结构的破坏,如不及时进行检测与修复,必然会留下隧道工程施工安全隐患。衬砌结构经常会由于岩体受力断裂而出现小型断裂的现象,由于衬砌结构裂隙内有不同成份、不均匀的填充物,与周边围岩形成电性差异,因此具有采用地球物理探测的基础,而探地雷达则是有效实现衬砌结构检测的主要仪器之一。探地雷达有效应用了现代非侵入性探测技术,通过发射高频的电磁波,以宽频带短脉冲形式获取相应的衬砌结构小型断裂的相关检测数据,并且具有较高的准确性和真实性。如果在隧道衬砌结构的检测中,难以全面掌握小型断裂部分的位置及危害性,必然导致隧道工程在建设或使用过程中出现塌方的现象,其所造成的经济问题和社会危害是难以估量的。隧道工程中对于衬砌结构的检测,关系到隧道工程的施工安全,以及隧道的使用性能等诸多问题,必须引起工程施工单位与监理单位的高度重视。
2.2隧道初衬与围岩间脱空的检测
探地雷达在对隧道初衬与围岩间脱空进行检测时,主要是应用在岩层中透射的原理,遇反射目标后返回地面,由接收天线接收而获取相应的各项数据。如果隧道衬砌无缺陷,隧道初衬结构雷达波形特征,电磁波在地层同一界面中的传播是不断衰减的,然而当进入另一界面时,由于介质介电常数之间存在的差异,因此所产生的反射波也会有所变化,这种反射波的变化不是很强,但是当将其反映在雷达图像中则会观察到明显的不同。探地雷达对隧道初衬与围岩间脱空的检测,对于隧道工程施工工作的安全开展和进行是很重要的。如果隧道初衬围岩间存在脱空的现象,而在工程检测中未能及时的发现,进而制定相应的技术措施和手段,必然会影响到隧道工程施工人员的生命安全,以及整个隧道工程项目的建设进度和工程质量。在隧道工程建设中,在应用探地雷达隧道初衬与围岩间脱空的检测中一定要注意对各项数据的分析和研究,进而制定出完善、合理、科学的施工计划和方案。
3探地雷达应用技术的智能化发展
探地雷达现已被广泛应用于各类隧道工程检测中,其应用技术必须向智能化的方向发展才能符合隧道工程检测不断提出的新标准、严要求。探地雷达应用技术的智能化发展,代表着隧道工程行业技术应用的高水平阶段,是隧道工程行业传统检测技术与现代信息技术完美结合的产物。探地雷达应用技术的智能化是指以隧道工程建设项目为平台,以现代隧道工程技术系统、信息自动化为骨架的隧道工程与信息技术的综合体,是隧道工程技术应用科学发展与全面创新的必经之路。
探地雷达应用技术的智能化发展,及其辅助功能综合化和自动化的逐步实现,为隧道工程技术人员与施工人员提供了一个更为安全、方便、稳定的地下施工环境,并且进一步增强隧道工程建设高效、经济、节能的新时期特点。因此,探地雷达应用技术的智能化发展必然受到世界范围内的重视,并逐渐成为隧道工程领域中的一个新的技术应用类型,而被应用于更为广泛的领域。
目前,国内隧道工程建设行业对于先进科学技术的应用逐渐呈现出全方位、多角度、立体化的发展趋势,并正处于与世界隧道工程行业先进技术的融合和交汇过程中,必将得到进一步的发展与完善,基本满足现阶段我国隧道工程行业对于新技术、新设备的要求。但是,隧道工程检测技术管理人员切不可固步自封,在积极应用探地雷达、地下探测仪等先进仪器的同时,还要坚持发扬与时俱进的创新精神,不断对现有的隧道工程检测技术进行全面的改革与创新,以促进我国隧道工程建设行业的全面、健康、和谐、稳定发展。
Application of Searches Radar’s in Tunneling Examination
Zhang Yefeng
Abstract: The tunnel is the construction below the mountain ridge, the river course, the channel and the urban ground, for the vehicles, the pedestrian, the running water, the pipeline passes, or serves as the excavation mineral resource, the military installation, the civil air defense facility and so on underground walk and the construction. It can pass through the surface the barrier, and has the reduction line, the air raid defense, easy space of planes merits and so on to adjust temperature and not to occupy a land area. Tunneling examination is a specification is high, moreover the relative danger’s work content, searches the radar to take one kind of new instrumentation, widely was already applied in the tunneling examination, it has the operational safety, the gain data accurately, real, to be advantageous carries and so on characteristics. This article searches radar's to carry on the brief analysis in tunneling examination application.
探地雷达技术在道路评估中运用 篇4
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
[1]Timo Saarenketo, Tom Scullion.Road evaluation with ground penetrating radar[J].Journal of Applied Geophysics, 2000 (43) :119-138.
[2]杨天春, 吕绍林, 伍永贵.地质雷达检测道路结构的理论及应用分析[J].中南工业大学学报 (自然科学版) , 2001, 32 (2) :118-121.
探地雷达技术 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)
采矿工程中探地雷达技术的应用 篇6
关键词：采矿工程,探地雷达技术,应用
0 引言
中国幅员辽阔、地大物博,拥有众多地下资源,其中丰富的矿产资源一直是中国社会发展和经济建设中最为重要的一种资源,是中国实现长久稳定发展和繁荣富强壮大的基石,因此采矿工程正在中国各地如火如荼地开展建设当中。而其中至关重要的一项技术即为探地雷达技术,通过使用该项技术能够帮助采矿工程更加准确地了解周边岩层情况及地质环境,同时还能够有效检测整体工程质量,在此背景之下,研究探地雷达技术在在矿工程中的应用具有极其重要的研究价值。
1 探地雷达技术的简要概述
1.1 发展历程
探地雷达技术最早诞生于20世纪初期,由两位德国籍科学家Letmbach、Lowy首次提出,经过半个多世纪的发展之后,探地雷达技术已经初具雏形,并且开始应用于包括冰层和岩盐等介质当中,但此时该项技术具有明显的局限性,即只能运用在电磁波吸收非常弱的介质当中。直到20世纪70年代中后期,在电子技术的诞生及迅速发展之下,探地雷达技术与现代化的数据处理技术相结合,其实际应用范围得到空前扩大,除了可以运用在电磁波吸收弱的介质当中之外,还可以用于土层、煤层等介质中,其实际运用范围涉及考古、岩石勘探、工程及建筑物内部勘探甚至是矿产资源探测当中。在20世纪80、90年代探地雷达技术被引入中国以来,经过广大科学研究工作人员多年的共同努力,探地雷达技术已经被广泛运用在采矿工程当中并取得了良好的成效。
1.2 理论基础
探地雷达技术其实是一种依靠弹性波传播理论,是对于地下介质,对超高频短脉冲电磁波传播规律进行深入研究的技术。这主要是由于位移电流在地质介质当中占据着至关重要的地位,而介质的介电性质几乎可以直接影响甚至决定频散较少的高频宽频电磁波的传播速度,而这与弹性波传播理论具有极高的相似性,二者均严格遵循波动方程,只不过在变量方面存在些许不同的物理差异,但电磁波和弹性波之间具有相同的形式,因此结合合成波的原理可以将脉冲电磁波解构成为若干频率存在差异的正弦电磁波,也就是说正弦波传播理论及特征是探地雷达技术的重要理论基础[1]。
1.3 解释原理
无论是在哪一种应用范围内,使用探地雷达技术的根本目标就是得到最终的地质解释资料,而这需要建立在拾取反射波的基础之上。对电磁波组标志进行有效识别则是与波形特征等具有紧密联系。在介质中进行传播活动时,电磁波组的传播路径,包括电磁场的具体强度、波形等将会随之发生变化,此时运用探地雷达技术能够以剖面图的形式对位于反射波组当中的同相轴进行追踪和表现,进而判断出地层是否存在断裂情况,最后依据真实可靠的地质钻探资料,明确反射波组当中蕴含的真实地质含义,形成基于整个探测区角度下的成果图将会成为采矿工程设计的重要参考资料。
2 探地雷达技术在采矿工程中的具体应用
2.1 对巷道围岩松动圈进行探测
中国在经过漫长的研究发展历程后,对巷道围岩松动圈支护理论进行不断丰富和完善,并且与探地雷达技术进行充分结合,最终使得其能够熟练灵活运用在采矿工程尤其是探测巷道围岩松动圈工作当中。但值得注意的是,确定巷道围岩松动圈的初始值是完成这一工作的核心与关键,直接决定着对巷道围岩松动圈进行探测的成功与失败。在过去工作人员通常会选择使用超声波探测技术、钻粉法、位移计法等各种方式进行探测,但无论是哪一种方法均会对巷道围岩造成不同程度的破坏,无法保证围岩能够始终保持其原始状态,而这将直接导致探测松动圈终值的准确性、精密性大大降低,甚至最终影响整个采矿工程的质量。而使用探地雷达技术之后,通过配置超过200 Hz的高频天线,通常情况下在不超过10 m的探测深度范围内可以将精度控制在5 cm以内,同时不会对巷道围岩造成任何损坏[2]。比如在采矿工程中,通过应用探地雷达技术进行直接探测,发现在大约200 m多的围岩深处中显示存在一条强烈的反射回波信号,在对电磁波组同相轴进行追踪之后发现存在层状起伏,表明该界面当中电磁波正由弱到强进行变化,而到215 m范围内的围岩雷达波无规律,能够清楚地看到有较大裂隙,代表此位置为破碎区。在此基础上工作人员能够明确巷道围岩松动圈厚度,并以此为根据指导设计巷道支护。
2.2 对岩石的位置厚度进行探测
在计算矿体储量及评估该矿可采程度工作当中需要确定煤层当中待采矿层厚度及开采放顶煤时顶煤厚度,与此同时,需要准确了解开采空间与如奥灰等重要岩层的相对位置关系,这也是保障开采工作能够顺利安全完成的必要条件。
在A煤矿当中有三个钻孔,通过分析可以得知由于受到爆破及岩层自身裂隙发育等影响,可以从图1当中看出整体的雷达图像并未呈现出明显的规整性波形,反而给人一种杂乱无章的感觉;另外,探测图显示出煤层剖面呈现起伏形态,并且存在大概11 cm~12 cm厚的伪顶。伪顶虽然和煤层性质近乎一样,但是其厚度要远小于煤层,并且雷达波不会显示出分层现象。而煤层下方是砂岩,工作人员通过探地雷达技术探测的采矿区煤层具体位置及厚度之后,便可以绘制出相应的等厚线图,作为设计采矿区开采的重要指导。
2.3 对地质实际构造等进行探测
由于真实的开矿现场环境复杂,经常会发生各种各样的地质异常情况,如断层、矿层冲刷、陷落柱等,假如此时在确定位置或在搜寻矿体的工作当中使用巷探、钻探等技术方法,不仅无法有效节约时间,节省人力与物力,甚至有可能影响工作的安全性,造成不必要的经济损失和资源浪费。而使用探地雷达技术则能够有效解决这一问题,一般情况下在不超过100 m的范围内,探地雷达技术可以实现无损探测,即在探测过程中几乎不会对地质构造等造成任何损害,这对于在探测地质构造当中可能存在水害等安全隐患时将有效保障其安全性。在此基础之上,工作人员除了能够得到比较理想的探测参数,还可以以此为依据参数对断层的位置、走向等进行合理推断,从而进一步提升采矿工程的质量。
2.4 探测采空区及含水情况
所谓采空区具体来说指的是在天然的地质运动或人工挖掘后,地表会在下面形成或大或小的“空洞”,即人们通常意义上的采空区。而采空区对于采矿工程来说是一个比较巨大的安全隐患,稍有不慎,采矿所需的机械设备甚至是工作人员将极有可能坠落在采空区当中,进而造成严重的经济损失和人员伤亡。因此在采矿工程当中应用探地雷达技术可以对采空区进行有效探测,避免此类事故的发生。在A矿区当中由于前人的多次挖采导致在浅部煤层当中出现了一个非常明显的采空区。通过图像显示,大约在0 m~16 m的位置处存在明显异常,而大约在910 m深度的位置处还出现不太完整的双曲线形态图,这种波形的出现代表着穹形空洞;而在触底后波幅逐渐增加,但是很快随着不断增加的深度,波幅迅速减小直至消失。因此最终显示出的成果图能够准确反映出在该采空区当中蕴含丰富的水及淤泥等物质,并且吸收了大量电磁波能量。
3 结语
通过研究论述可以得知,基于电磁波理论下产生的探地雷达其实就是一种将地质资料作为重要参考,尤其适合用于弱磁介质为主的采矿工程项目中的一项探测技术。通过运用探地雷达技术可以在最大程度上保护围岩的基础之上对其进行探测,并保持较高的精准度;另外还可以在一定范围内有效探测确定矿层的厚度、位置等基本资料,并直接探测出断层的走向;对于采空区中的地下空洞等也可直接进行探测,从而真实了解到实际含水情况,对整体的填充质量进行科学评估,以此检验采矿工程的整体质量。鉴于探地雷达技术拥有众多优势功能,因此在未来采矿工程当中还需要多多运用该项技术,并积极进行探索研究,以便能够进一步扩大探地雷达技术的使用范围。
参考文献
[1]刘传孝,杨永杰,蒋金泉.探地雷达技术在采矿工程中的应用[J].岩土工程学报,1998(6):102-104.
探地雷达技术 篇7
地质雷达也称探地雷达(Ground Penetrating Radar,简称GPR),利用高频电磁波束反射来探测地下目标的一种高分辨率电磁方法,也被称为电磁波脉冲雷达法、脉冲微波法、脉冲无线电频率法等。由于探测地雷、地下隧道的需要,美国军方在上世纪60年代中期到70年代早期,对地质雷达发展起了非常大的推动作用,并从那时起地质雷达开始广泛应用于矿业,确定地下水位、土壤界面、岩性接触、岩石中孔穴、断层、层面节理和位面。自上世纪80年代以来,地质雷达在技术装备上有了突破性进展,抗干扰性、采样率和数据处理技术都有很大提高,应用领域已从传统的地质体调查、矿产勘查扩展到环境、考古等领域。其中,在地下水和土壤有机污染探测方面的应用,近年来常有文献报道。地质雷达技术作为一种非破坏性地表原位探查技术,能够现场提供实时剖面记录,图像清晰直观、工作效率高、重复性好。在地下水及土壤有机污染探测方面,与传统方法相比,具有更高的时间和经济效率,在圈定污染物扩散范围、扩散通道及追踪污染源方面更具有全局性,并在一定程度上对传统化探手段具有先期指导意义。地质雷达技术将在环境地质调查领域,尤其在以往涉足较少的有机污染调查工作中发挥更大的作用。探地雷达技术是一种新兴的手段,它能够以最快的速度高效准确地位工程提供检测数据。
1 探地雷达的探测原理
近年来,随着国内经济持续稳步的快速发展,工程建设项目大的幅度增多,工程质量也成为各方日益关注的焦点问题,传统的检测手段已无法满足现有的施工水平,在此条件下,一种新的检测技术应运而生———无损检测。探地雷达作为一种直观、连续、准确、快速的非破坏性地球物理检测技术,近年来备受工程技术人员的关注,已被广泛应用于岩土工程、地基工程、隧道工程等领域,并取得阶段性的成果。探地雷达利用以宽带短脉冲形式的高频电磁波,通过天线(T)由地面送入地下,经地层或目标体反射后返回地面,然后用另一天线(R)接收,脉冲波旅行时为:当地下介质的波速v为已知时,可根据精确测定得的走时t,由上式求出反应物的深度。波的双程走时由反射脉冲相对于发射脉冲的延时而确定。探地雷达根据自身发射的高频电磁波所产生的反射波对地下地质结构进行探测,通过向地下发射中心频率为50~900兆赫的短脉冲电磁波和利用与发射电波的天线中的距离接受两个天线中点下面的物质反射的回波,雷达仪将获取这个剖面方向上的一定底质层间的反射回波图形。雷达仪结合钻孔对回波图形进行分析就可以得到地质剖面的图形和地质资料。在岩土工程中,雷达的接收功率收到许多因素的影响,其中最敏感的因素是反射回波的界面深度。我们常常对地层浅层部位进行探测,接收的成功率和地质界面的反射系数关系最为密切。特别是在地质中性质差的岩土界面有明显的反映。
2 岩土工程中探地雷达的检测技术分析
在岩土工程施工的前期必须探测清楚影响工程范围内的基层岩土的物质分布情况及其物理力学的原理和性质。在现代的工程中,以往工程师主要指导探钻和工程试验的方法来完成工作。由于钻探是一种非常耗时间的工作,而且对工程的预算有很明显的制约,所以通过引进探地雷达,利用少量的钻探孔和探地雷达进行组合,用探地雷达的扫描准确探测出浅层的地质分布和变化,从而指导工程师的前期勘测。事实证明,探地雷达和钻探参照孔的组合是科学有效而且数据较为准确的。岩土工程中的勘探,是一种需要搞高确度的数据来支持的工作。许多岩土工程因为地层条件的制约无法进行钻探或是只能做有限数量的钻探孔,这时候图何用探地雷达获取地下岩土的土体分布情况的关键就落在在探地雷达对地质剖面的信息提取上了。通常情况下,岩土工程有一种地层连续性的特征,我们只要通过对工程周围的地质结构条件进行勘探,并提供具有借鉴意义的地层露头,就能够对探地雷达获取的数据进行分析和研究,得出切实可行的工程方案。工程的基岩若为均质火成岩,其地质剖面一般可以分析为:由上而下的表层积土、全风化岩、强风化岩、中等程度风化岩、微风化岩、原始基岩。这种情形的地质剖面的反射波由上而下则依此可以进行如下解释:表层的积土和全风化岩的地层物质分布均匀,此地层内的反射波很少;强风化岩内则由于存在许多违背完全风化的岩石块,整个岩层与周围的介质属性有很大的差别,加之强风化导致的大裂缝,此层的反射波非常明显;中等程度风化岩层中,构造裂缝和风华裂缝的存在使探地雷达能够接收到较多的反射波;而在微风化岩层,少量的裂缝对岩体整体的性质不存在大的影响,所以,反射波相对集中,但也相对少;最后,稳定的原始基岩层,其岩体性质稳定;探地雷达对均质的火成岩的探测过程中,能够探测到一个集中的反射波地层带,这个地层带就是反射波和入射波相同的强风化岩层和中等程度风化层。对于粘土和沉积砂土等松散沉积物构成的土体结构,探地雷达在这些土地结构的剖面上能够获得明显的反射波,原因是这些沉积物的地层分层由着明显不同的电磁学性质。入射波通过介质———空气进入到另一种介质———有机土的过程中,会有一个明显的电性参数变化。空气的电导率和介电常数都非常小,而有机土的电性参数相对要大很多。所以在对沉积土层的岩土工程土体检测中,我们能够得到一组逐渐变小的典型参数,探地雷达在地表则能接收到与入射波相位截然不同的反射波。沉积土层多出现在河口三角洲地区,在对长江三角洲平原和珠江三角洲河口地区的岩土工程检测中,通常会参照此探测原理。溶洞中往往填充着泥沙,而地下空洞中则是以空气为介质传导电磁波。溶洞的中介质以及溶洞的横截面形状使其电磁波的剖面图呈现出拱形的特征。地下空洞中的空气的介电常数小,所产生的反射波与溶洞的发射波相恰恰相反。溶洞的上顶面附近时反相反射波,而空洞的上顶面附近为同相反射波;溶洞的下地面附近为同相反射波,而地下空洞的下地面则是反相反射波。这两种地质结构的探地雷达的上下底面介质的反射波都是反相的。
参考文献
[1]杨峰,张全升,王鹏越等.公路路基地质雷达探测技术研究[M].人民交通出版社,2009.
[2]江玉乐,张楠.探地雷达在隧道工程检测中的应用[J].勘察科学技术,2008.
探地雷达速度参数的求取方法 篇8
速度在探地雷达检测中是一个重要参数, 雷达记录的是时间剖面, 目标深度是由时间和速度决定的, 因此速度计算正确与否直接影响到目标深度的精度。同时电磁波的传播速度还与目标对象的物质成分有关, 通过对速度的分析可以反求目标对象的电磁性质。
为了较精准地求取速度参数, 制作了A、B两个混凝土试件, 尺寸大小都为120cm×80cm×20cm。试件B预埋直径50mm的PVC管和直径45mm的铸铁管, 管心距离上表面分别为12.5cm和12.25cm, 距离左右侧面都为40cm。试件B制作时把模板在相应位置钻孔, PVC管和铸铁管一端用纸板封住埋于试件内, 另一端伸出模板外, 可用于检测时确定位置, 具体见图1。
1 利用已知厚度求速度
探地雷达记录的是时间剖面, 记录的是双程走时, 这种方法必须预知目标物埋深或事先埋设目标物, 工作原理如图2, 根据几何关系可得:
式中:v为速度 (m/ns) ;h为目标埋深 (m) ;x为天线收发距 (m) ;t为双程走时 (ns) ;c为光速, 即0.3m/ns。
为了得到明显的反射界面, 在试件A的下表面贴一张钢板, 然后把天线放在试件A的上表面对A进行探测, 采用反射剖面法, 采集参数设置如表1, 探测结果如图3。
采集参数设置
试件A的厚度h为0.2m, 天线收发距x为0.15m, 从图3可知反射界面的双程走时约为5.0ns, 把这些值代入上式, 可得电磁波传播速度v约为0.077m/ns。
2 采用CMP (共中心点) 求速度
CMP求速度在地震勘探中是一种常用的方法, 其优点是随时随地可利用地下反射界面求出不同深度的平均速度, 水平层状界面效果最佳, 工作原理如图4, 根据几何关系可得:
可知:
式中:v为速度 (m/ns) ;x为天线收发距 (m) ;tx为对应x的双程走时 (ns) ;x0为中心点天线收发距 (m) ;t0 为中心点的双程走时 (ns) ;c为光速, 即0.3m/ns。
为了得到明显的反射界面, 在试件A的下表面贴一张钢板, 在试件A的上表面进行共中心点测量, 采集参数设置如表2。
采集参数设置
探测结果如图5, 从图上可知中心点的双程走时t0 为5.0ns, 第4道的双程走时tx为5.33ns, 中心点天线收发距x0 为0.15m, 第4道天线收发距x为0.27m, 把这些值代入上式, 可得电磁波传播速度v为0.077m/ns。
3 利用管状目标物双曲线的弧度求速度
对于管状目标物, 利用弧度求速度, 可较精确得到目标物的埋深。工作原理如图6所示, 当d较大或目标物埋深较大时, 可把收发天线看作一个整体而不考虑它们的间距, 根据几何关系可得:
式中:v为速度 (m/ns) ;d为距中心点距离 (m) ;t为双曲线两翼时间 (ns) ;t0为双曲线顶点时间 (ns) 。
为了得到明显的管状目标物双曲线, 对试件B的铸铁管进行探测, 管顶距上表面0.1m, 管心位于测线0.2m处, 采用反射剖面法, 采集参数设置见表1。根据上式对管状目标物双曲线的弧度进行拟合, 如图7, 拟合速度为0.077m/ns。
4 用表面直达波求速度
2个分离的天线只要距离足够远, 在时间剖面上就能把空气波和地滚波分离开来。地滚波的滑行速度就是电磁波在介质表面的传播速度, 此方法适合探测物内部和表面介质相同的情况, 工作原理如图8所示, 根据传播路径可得:
式中:v为速度 (m/ns) ;x为天线收发距 (m) ;t为表面直达波时间 (ns) ;c为光速 (m/ns) 。
在试件A的上表面进行反射法测量, 采集参数设置如表3, 探测结果如图9。
采集参数设置
天线收发距x为0.25m, 从图9可知双程走时t为2.43ns, 把这些值代入上式, 可得电磁波在试件A上表面的传播速度v为0.077m/ns。
5 用介电常数的经验值估算速度
电磁波在介质中的传播速度v, 其值为:
其中α为相位系数, 单位rad/m。对于绝大多数岩石介质属非磁性、非导电介质, 常常满足μ=μ0, σ/ωε<<1, 于是可得:
式中:c为真空中电磁波速度, c=0.3m/ns;εr为相对介电常数。
上式表明对大多数非导电、非磁性介质来说, 其电磁波传播速度v主要取决于介质的介电常数。根据《pulseEKKO PRO USER’S GUIDE》所提供的资料, 混凝土的相对介电常数为6～14, 由上式可知电磁波的传播速度为0.08～0.12m/ns。介电常数的大小与对象的材质和含水量有关, 所以这种数据只能作为参考。
6 结束语
速度参数的各种求取方法, 有其适用性。对于具有钻孔资料或取芯资料的工程, 可利用已知厚度求速度;对于水平层状界面如基岩面, 可用CMP求速度;对于管状目标物如管线、钢筋等, 可利用双曲线弧度求速度;对于均匀介质的目标物如混凝土构件, 可用表面直达波求速度;对于已知目标物物质成分的, 可用介电常数的经验值估算速度。在实际工作中可选用其中一种方法或几种方法, 最终的目的是求取合适的速度, 确保时深转换的精确度。
参考文献
[1]A.P.Annan.Ground Penetrating Radar Applications Principles, Procedures&Applications[M].Sensors&Software Inc, 2003.
[2]Sensors&Software Inc..pulseEKKO PRO User’s Guide[G].2005.
[3]李大兴.探地雷达方法与应用[M].北京:地质出版社, 1994.
探地雷达的原理及前景展望 篇9
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
[1]粟毅, 黄春琳, 雷文太.探地雷达理论与应用[M].北京:科学出版社, 2006.
[2]金添.超宽带SAR浅埋目标成像与检测技术[D].国防科学技术大学博士学位论.
[3]周智敏等.超宽带SAR探雷试验系统[J].电子与信息学报, 2007, 29 (08) :1805-1808
[4]詹毅.复杂有耗色散地层中的FDTD方法以及在冲击探地雷达中的应用[D].西安电子科技大学, 2000.
[5]王均宏, Dougals H.Werner.阻抗加载脉冲天线的研究闭[J].通信学报 (第20卷增刊) 1999:90-95.
[6]刘志新, 王志勇, 岳建华.探地雷达天线方向特性探讨[J].物探与化探, vol.25, 第1期, 2001:45-49.
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
[1]邓尤东.超前地质预报在乌鞘岭特长隧道中的应用[J].岩石力学与工程学报, 2004, 23 (S2) :5140-5146.
[2]郑文宁.地质雷达在隧道施工短期超前地质预报中的应用[J].公路, 2005 (4) :191-193.
[3]牛之琏.时间域电磁法原理[M].长沙:中南大学出版社, 2007.
【探地雷达技术】推荐阅读：
探地雷达技术在道路路基病害探测中的应用09-14
孔探技术07-02
雷达成像技术07-01
高校信息技术教育新探09-03
三维激光雷达测量技术05-15
雷达抗干扰技术06-18
雷达对抗技术与实验06-18
测控雷达系统防雷技术08-03
东峰煤矿探放水设计及安全技术措施06-10
浅谈雷达技术的发展概况及应用08-29