GPR技术

GPR技术（共6篇）

GPR技术 篇1

0 引言

进入21 世纪, 伴随着西部大开发战略的启动, 修建的铁路隧道、公路隧道将明显增多[1]。 目前, 在隧道施工过程中, 由于受隧道长度、埋深等各方面因素的影响, 地质条件越趋复杂, 在初勘中采用宏观的地面调绘、钻探、波速测井等方法, 很难准确查明施工过程中所需要的微观水文、地质条件及不良地质体的赋存状态, 导致施工过程中突水、突泥、 坍塌等事件时有发生, 给施工带来极大困难, 造成施工人员和施工设备的重大安全事故[2,3,4,5]。 因此, 在隧道施工中, 对隧道前方采用GPR法探测技术, 预测掌子面前方围岩的地质情况、不良地质体的位置、工程性状、水文地质状况等信息, 对施工进行指导是十分必要的。 地质雷达法, 简称GPR法, 是隧道超前地质预报技术的一种, 是使用高频甚至超高频段的地下电磁波反射探测技术。 受普宣高速公路建设指挥部委托, 对普立至宣兰高速公路平川隧道段, 采用地质雷达法进行超前预报工作。 预测掌子面前方围岩的地质情况, 确保合理的施工措施, 降低隧道施工风险, 促使隧道施工技术更趋科学合理, 为隧道施工服务。

1 工程概况

平川隧道位于滇北海东山地新城中心片区双月路, 为一座连拱隧道, 隧道左右幅起止里程K900~K4+175, 全长3275m。 隧道进口设计高程1995.22m, 出口设高程1957.55m;最大埋深约54m。 设计技术标准:公路等级为一级公路, 设计速60km/h;主洞有效净宽14.40m, 有效净高5.0m。从K910 掌子面照片 ( 如图1 所示) 可以得出, 掌子面围岩为褐色、灰绿色块状玄武岩, 原岩属硬质岩, 中等~强风化, 结合力差。 硐室围岩稳定性差, 掌子面潮湿, 地下水不丰富, 含基岩裂隙水, 出水状态为点滴状。

2 工程地质条件

2.1 地形地貌

平川隧道测区地处洱海东岸, 属剥蚀构造低中山地貌。 出露地表地层为第四系残破积黏性土和角砾组成, 厚约2.00~16.40m。 下伏奥陶系下统向阳组一段石英砂岩夹泥岩。

2.2 气候

平川隧道测区属北亚热带季风气候区, 年平均气温15℃, 最热月 ( 7 月) 平均气温20.5℃, 极端最高气温34℃;最冷月 ( 1 月) 平均气温8℃以上, 极端最低气温-4.2℃, 年温差平均为11.4℃, 日温差平均11.6℃~13.1℃。 受海拔高度的影响, 气候垂直变化明显, 海拔每升高100m, 年平均气温相应降低0.66℃, 年平均降水量650~850mm。

平川隧道测区位于南峰市城东北, 南峰是著名的“ 风城”, 年平均风速2.3m/s, 风速17m/s的大风日数年平均56天, 最多的年份110 天, 瞬间最大风速40m/s。 大风日数几乎全部出现在11 月~次年5 月, 其中1 月~3 月大风日数最为集中, 主导风向是西风。

2.3 地层岩性

平川隧道测区上部覆盖层为第四系残破积黏性土和砾石土, 下伏基岩为奥陶系下统向阳组一段石英砂岩夹泥岩, 岩体完整性较差, 呈中~强风化, 沙状、角砾状, 少量碎石桩状、土状, 岩体极破碎, 节理极发育。

2.4 地质构造

平川隧道测区地处青、藏、滇、缅、印尼“ 歹”字型构造体系, 构造行迹主要以洱海 ( 大断裂) 为主, 该断裂延长很远, 经西岭、州水泥厂等地观察, 断裂面向北东倾, 倾角为70°左右, 断裂面光滑平直, 是一条成形早、活动时间很长的压扭性断裂。

平川隧道测区位于向阳复式背斜东翼, 有舒缓波状起伏, 岩层产状从K1+800 附近的225°∠42°至K4+000 处渐变为350°∠55°。受洱海深大断裂及次级断裂的影响, 两侧岩层节理极为发育, 岩石极为破碎。

2.5 水文地质特征

平川隧道测区内地下水类型主要为松散岩类孔隙水、基岩裂隙水。松散岩类孔隙水主要赋存于第四系坡残积层中, 主要接受大气降水补给, 由于山高坡陡, 其富水性较差。在枯水季节, 土层不含地下水, 雨季时期土层含孔隙水及上层滞水, 水量较小, 分布范围有限, 向斜坡低洼处、溪沟径流排泄, 无统一地下水位, 动态变化大。

基岩裂隙水主要赋存于奥陶系下统向阳组一段石英砂岩夹泥岩中, 主要接受大气降水垂直补给, 富水性各段差异性较大, 一般于节理密集、连通性较好或构造破碎带、与白云质灰岩接触带内汇集, 形成相对富水区。

3 GPR地质雷达法探测隧道

平川隧道测区工程地质条件较为复杂, 地层岩性差, 岩体极破碎, 节理极发育。 因此, 在平川隧道施工中采用GPR法探测技术对隧道前方进行超前预报, 预测掌子面前方围岩的地质情况, 确保合理的施工措施, 降低隧道施工风险, 是十分重要的。

3.1 检测原理和设备

GPR法是利用发射天线向地下介质发射广谱、 高频电磁波, 当电磁波遇到电性 ( 介电常数、电导率) 差异界面时将发生透射、折射和反射现象, 同时介质对传播的电磁波也会产生吸收滤波和散射作用。用接收天线接收并记录来自地下的反射波, 采用相应的处理软件进行数据处理, 然后根据处理后的数据图像结合工程地质及地球物理特征进行推断解释, 对掌子面前方的工程地质情况 ( 围岩性质、地质结构构造、围岩完整性、地下水和溶洞等情况) 进行预测。 本次检测所使用的仪器是意大利IDS-RIS-K2 型地质雷达, 地质雷达法是使用高频甚至超高频段的地下电磁波反射探测技术, 主要利用宽带高频时域电磁脉冲波的反射探测目的体。 可根据测得的雷达波走时, 自动求得反射物的深度z并进一步界定其范围、判定其性质[6]。 地质雷达工作原理如图2 所示。

地质雷达主要利用宽带高频时域电磁脉冲波的反射探测目的体。

可根据测得的雷达波走时, 自动求出反射物的深度z并进一步界定其范围、判定其性质。

本次预报的意大利地质雷达, 检测天线频率为80MHz, 时间采集, 每道1024 采样点, 时窗设置为450ns。

3.2 地质雷达探测与解释

如图3 所示, 从中可以判断出测线在20m深度内, 反射波同向轴呈较连续, 局部呈断续状, 振幅、频率变化较大。 据GPR法探测得到的反射波图像, 结合隧道工程地质实际, 探测段K910~K930 段范围内围岩为玄武岩, 节理裂隙很发育且杂乱, 局部地段夹软弱层, 岩体很破碎, 地下水不丰富, 出水状态为点滴状。

3.3 GPR法探测成果及建议

根据地质雷达探测和掌子面地质调查, 掌子面前方K910~K930 预测段围岩地质情况为:

①岩性及风化程度:岩体为灰绿色、 褐黄色块状玄武岩, 中等~强风化。

②节理裂隙发育情况:节理裂隙发育4 组以上, 且杂乱, 呈“ 下”字结构面组合, 局部地段夹软弱层, 岩体很破碎, 体完整性差, 呈碎石状压碎结构。

③地下地下水不丰富, 出水状态以点滴状为主。

④岩石的坚硬程度:玄武岩原岩属于硬质岩, 但因受构造影响很严重, 地下水和风化等综合作用的结果, 围岩的坚硬程度有所降低。

⑤围岩级别: 根据 《 公路工程地质勘察规范》 ( JTG C20-2011) 关于隧道围岩分类的有关规定, 判定围岩级别为Ⅳ级, 此段围岩施工中注意施工安全, 防止坍塌。

此次探测段围岩稳定性差, 拱部无支护时可产生较大的坍塌, 侧壁经常小坍塌。 宜采用“ 多循环、及支护、早成环”的方式进行隧道施工, 因此有关平川隧道的施工建议具体为:

①岩体节理裂隙很发育且杂乱, 岩体被切割成碎石、角砾状, 开挖后易产生掉块和塌方, 需采用光面爆破控制轮廓面的开挖, 并严格控制开挖进尺和单响最大药量, 最大程度的减少爆破震动对围岩造成的扰动。

②围岩强度较低, 自稳能力差, 开挖前采用超前支护, 开挖后的围岩应立即进行初期支护, 减少围岩的暴露时间, 避免开挖不当或支护不及时造成围岩的失稳;同时进行仰拱施工, 尽早成环。

4 结论

通过对平川隧道采用地质雷达法进行勘探, 进行超前地质预报, 分析隧道围岩稳定性, 对隧道施工进行指导。对于每部分的施工段进行分析, 从而判断围岩的类别, 并根据围岩的稳定性, 改进支护参数, 使得施工更为安全, 施工进度得到保证。 不仅能及时完成施工任务, 更保证了施工的质量通过对施工进行指导, 尽量减少事故的发生。 施工中应及时做好支护及排水工作, 防止坍塌, 对可能存在和产生涌水、坍塌的地段, 开挖前应切实做好预防措施。以实践经验和平川隧道施工的工程背景为依托, 运用地质雷达法探测隧道, 最后提出相关结论, 确保施工安全, 对相关类似地质条件的隧道施工有帮助。

摘要：在平川隧道施工过程中, 采用GPR法探测隧道, 预测掌子面前方围岩的地质情况、不良地质体的位置、工程性状、水文地质状况等信息。分析相关施工段, 从而判断隧道围岩的类别, 并根据围岩的稳定性, 改进支护参数, 使得施工更为安全, 施工进度得到保证。通过对平川隧道的施工进行指导, 确保隧道施工安全进行, 得出的结论可为类似条件的隧道施工起参考作用。

关键词：地质雷达法,探测,隧道,施工

参考文献

[1]李丹, 肖宽怀.高密度电法在铁峰山2号隧道工程探测中的应用[J].工程地球物理学报, 2006 (03) :197-200.

[2]周勇, 朱建才, 甘欣.超前地质预报 (地质雷达) 在城市隧道施工中的应用[J].工程勘察, 2009 (s2) :511-514.

[3]吕乔森, 罗学东, 任浩.综合超前地质预报技术在穿河隧道中的应用[J].隧道建设, 2009, 29 (02) :189-192.

[4]帅文斌.高地应力隧道穿越软弱围岩的综合预报研究[J].山西建筑, 2014 (14) :195-196.

[5]王刚, 王志玲, 赵显宗.TSP超前探测技术应用分析[J].中州煤炭, 2011 (09) :51-52.

[6]王鹏禹, 李磊.地质雷达检测技术在工程地质裂缝探测调查中的应用[J].水利技术监督, 2011 (06) :54-57.

GPR技术 篇2

关键词：地质雷达,隐伏岩溶,裂隙,异常识别

0 引言

地质雷达技术是近几年物探方法中最为活跃的一项物探技术，它主要利用目标体与周围介质之间具有的明显地球物理性质差异，埋藏深度及空间分布大小，实现对目标体的探测。近些年来，随着信号处理技术的快速发展和在工程实践中的广泛应用，地质雷达技术得到迅速发展，尤其在仪器硬件方面新的突破和发展，使得探测精度和深度进一步提高，其在工程勘察和地质勘探领域得到了广泛应用并且取得了非常好的效果。特别是在灰岩地区岩溶探测中发挥了积极有效的作用，本文结合具体的工程实践对此问题进行探讨。

1 GPR技术工作原理

地质雷达是以高频电磁波（主频为几十兆至几千兆赫兹）宽频带短脉冲信号形式，由发射天线T从地面向下发射，经地下地层界面或目标体反射回地面，然后由接收天线R接收反射信号（见图1），并传输至地质雷达内计算机存贮起来。脉冲波的旅行时间（双程时间）：

式中，V为地下介质电磁波速度，可采用宽角方式直接测量，也可根据（2）式近似估计：

式中, C为电磁波在空气中的传播速度, C=0.3m/ns;εr为地下介质相对介电常数;X为发射、接收天线间的距离，在剖面探测中是固定的，X<<H。

根据探测获得的实时记录，可得到比较准确的t值（ns），由（2）式求取反射体的埋藏深度（m）。雷达实时记录图像通常以脉冲反射波的波形、振幅色彩等方式显示出来，其同相轴或彩色条纹图像可以形象地反映地下反射体的产状形态。图2为一个简单的地质雷达野外工作示意图，从图中可以看出：A、清楚地反映了基岩面的起伏形态。B、孤立目的体的波形呈双曲拱形态，对雷达波反射图像进行偏移和归位更形象地表现出地质体的形态。

2 野外工作方法及岩溶区雷达波异常反射特征

2.1 地质雷达技术的观测方式

目前常用的双天线地质雷达测量方式主要有两种：剖面法和宽角法。

(1）剖面法

剖面法是发射天线（T）和接受天线（R）以固定间隔距离沿测线同步移动的测量方式。当发射天线和测量天线同步沿测线移动时，就可以得到一个由多个雷达波组成的雷达时间剖面图像。横坐标为天线在地表测线上的位置，纵坐标为雷达脉冲从发射天线出发经地下界面反射回到接收天线的双程走时（见图3）。这种记录能准确的反映正对测线下方介质中各个反射面的起伏变化。

(2）宽角法

当一个天线固定在地面上不动，而另一个天线沿测线移动，记录地下各个不同层面反射波的双程走时，这种测量方法称为宽角法（见图4）。它主要用来求取地下介质的电磁波传播速度。

2.2 岩溶发育区地质雷达反射波异常特征归纳总结

2.2.1 第四系地层雷达反射波特征

第四系地层的雷达波反射常为较连续平行的紧密条带状剖面图像且振幅较大。当横向地层变化时, 反射波中断或交错；纵向岩性变化时可出现层内反射, 或表现为反射波的增强和衰减。其浅部既受地表不平整耦合波影响而复杂化, 又因电磁波吸收少而常表现为强反射。

2.2.2 灰岩顶板雷达反射波异常特征识别

该界面上下岩性和电磁参数差异明显, 如灰岩顶部质地纯净, 其界面反射表现为连续的强反射；如岩性不均匀, 则其连续性较差, 雷达波反射强度不均匀。

2.2.3 连续厚层灰岩雷达反射波异常特征识别

在岩层连续性好且均质的灰岩中, 电磁波常表现为无反射, 如有很弱的反射, 则波形均一, 振幅、波长基本一致, 同相轴连续性好, 反射波周期常比第四系中的明

显增大。如灰岩岩层不连续或表现变化较大时, 其界面近水平或形成夹层时, 反射波组一般较连续；如岩层纵向不规则发育, 则其反射能量变化较大, 同相轴连续性差, 振幅和频率变化跟随岩性变化而不一。当灰岩内部发育溶洞或溶蚀带 (通道) 时, 其内部总体表现为相对弱反射区, 界面处可见明显反射波。若部分含水或充填粘土和粉砂、砾石土等介质时, 则界面反射相对较弱, 内部可见一组较短周期的细密弱反射；若无充填物或充满了水, 则界面反射表现为长周期、强振幅, 且易产生多次波, 内部常表现为弱反射甚至无反射。

2.2.4 风化灰岩不同结构面反射异常特征识别

当灰岩中发育节理、裂隙或破碎带时, 其反射波特征较复杂。当近水平发育时, 反射波组一般较连续；当纵向或不规则发育时, 反射波强度变化较大且频率降低, 同相轴连续性差；岩石破碎带雷达波常表现为杂乱反射。对于岩溶探测来说, 灰岩内部岩性不均匀, 以及节理、裂隙、破碎带等结构面产生的反射波实际上构成了干扰异常波组。值得注意的是, 这些结构面处往往又是岩溶发育带。这正说明了应用地质雷达进行岩溶探测的复杂性和困难性。

2.2.5 几种常见的隐伏岩溶在地质雷达剖面图上的波形特征

(1) 孤立发育较好的较规则弧形隐伏岩溶, 内部中空或半空，附近没有伴生岩溶发育，围岩较为完整。在地质雷达反射波剖面图上呈理想的双曲线形态, 俗称拱形。

(2) 在垂直方向上沿裂隙带溶蚀发育的隐伏岩溶, 形态上呈串珠状分布, 称为串珠状隐伏岩溶，在地质雷达测线剖面图上，上面一个隐伏岩溶仍然呈双曲线弧形，下面的隐伏岩溶双曲线特征不明显，而呈强反射形态。

(3) 由裂隙溶蚀或隐伏岩溶塌陷形成了V字形溶斗。在地质雷达探测剖面上，强反射波范围从上到下由宽变窄, 甚至尖灭。

(4) 大型落水洞和岩溶通道是岩溶发育的重要部位, 岩溶一般随裂隙或层面发育，规模大，深度深。在地质雷达探测剖面图上也表现为深度深、延展广。

(5) 岩溶的形成原因是复杂多样的，我们经常发现多种岩溶形态伴生叠加在一起，形成复杂的岩溶形态。如何分辨这些复杂岩溶，是地质雷达探测的难点。

3 工程实例应用

石太高速铁路客运专线里程在XXX21+680～XXX21+975段内岩溶发育, 溶蚀洼地和大小不等的溶蚀区域随处可见, 为典型的山地岩溶地貌形态。为了查明对路基稳定和安全有危害和影响的隐伏溶洞、溶沟、溶槽、裂隙等不良地质体的分布范围、规模大小和延伸方向等特征, 为路基施工和对不良地质体的治理提供可靠的依据, 选用地质雷达方法对该路段浅部的隐伏溶洞、溶槽、裂隙、岩溶强发育区等不良地质体进行详细勘探。

3.1 工程地质及地球物理条件

(1) 工程地质条件

施工探测测线区域内出露地层岩性以强风化灰岩为主，局部地段偶见有第四系粘土碎石分布。灰岩中局部夹杂有泥灰岩，节理范围较大。岩层呈中厚层状产出, 地表岩石风化剥蚀严重, 溶蚀作用强烈, 岩溶十分发育。受构造和溶蚀的影响, 部分地段路基岩石破碎严重, 地质条件已经不能满足铁路客运线路设计要求。该铁路路基所经地段处于温带气候，为山地溶蚀岩溶地貌。地表水沿溶蚀破碎区、溶蚀漏斗不断下渗, 冲击形成以岩溶水为主的地下水。区域内不良地质体主要为隐伏岩溶。路线通过的溶洞、溶沟、溶槽较多, 分布形态和规模大小各不相同, 多有粘土充填, 部分溶洞内未充填物质，形成空洞。

(2）地球物理探测条件

探测区域主要是灰岩地区，对于完整的灰岩，电磁波表现为低吸收，如果其间发育岩溶、断裂时电磁波表现为高吸收；当利用电磁脉冲法进行探测时，岩溶、断裂等地质缺陷与完整灰岩有明显的电性差异，具有较大的反射系数，反射波能量较大。因此该工作区具备较好的地质雷达地球物理探测条件。

3.2 探测方法和测线布置

针对施工现场的实际情况，采用地质雷达剖面法，纵向沿铁路路基方向布置地质雷达探测剖面4条。横向针对不同区域共布设剖面9条。图5是雷达剖面测线布置。

通过多参数的对比探测试验选定如下工作参数：探测方式采用剖面法，采样时窗取600ns，天线中心频率选为100MHz，叠加次数32次，发射电压1000V，采样率1600ps，天线距0.6m，天线移动步长0.2m。探测采用拉托维亚生产的Zond12-E型地质雷达系统。

3.3 探测结果及解释

地质雷达是通过电磁波曲线二维映像进行分析的，一般来讲，当被勘探的目的体介质均匀、完整时，电磁波曲线光滑、相位一致、幅值大小相同；而当被勘探的目的体介质不均匀，或存在断层、溶洞、破碎、裂隙以及爆破松驰等地质现象时，电磁波曲线在相位、幅值等特征上将发生变化。若基岩完整时，其雷达反射波很弱甚至无反射；当存在岩溶时或破碎带时，其雷达图像表现为同相轴较连续的“双曲线”或较强的同相轴错断反射波。通过这些信息的提取与分析，根据以上归纳总结就可以判断被勘探目的体是否存在地质异常，并确定其埋深和大小。

在地质雷达测量过程中，由于地质雷达发射天线发射的脉冲电磁波在介质中发生球面衰减、透射、散射和绕射以及介质对电磁波的吸收，被接收天线接收到的电磁波能量不可避免有很大损失;同时，为了得到更多的反射波特征，地质雷达通常利用宽频带进行记录，因此不可避免地记录下了各种干扰波（如本次探测过程中的钻机井架、钻具等对雷达反射波记录的干扰）。

地质雷达数字处理的目标就是对各种随机的和规则的干扰波进行识别和有效消除压制，以最大可能的分辨率在地质雷达反射波图像剖面上显示反射波，提取反射波的各种有用参数 (包括电磁波速度、振幅和波形等) ，以便对地质雷达剖面进行准确合理的地质解释。地质雷达数字处理是资料解释的关键，它直接影响到地质雷达探测的有效性。没有经过处理的剖面几乎无法进行任何解释，错误的数字处理更无法给出正确的资料解释。地质雷达数字处理有很多种方法，此次对探测目标异常识别的方法主要采用频谱分析、滤波、增益、偏移等。通过对处理得到地质雷达探测剖面图来对地质剖面进行解译和圈定异常。

经过野外数据采集及室内资料处理, 部分典型的地质雷达剖面图异常识别如下：

图6是测线P1的地质雷达剖面图，从雷达反射波的异常特征可以看，在图像右侧出现明显的类双曲线型的强反射异常，该异常体现是典型的隐伏岩溶溶漕的反射波异常特征，且地表有少量的粘土出露对电磁波表现强吸收，推断该区域为岩溶溶漕发育，深度5m左右，宽度约9m，内部充填粘土。旁侧有一明显异常，通过分析和实地试验，确定该异常由钻机井架引起。

图7是测线P3的地质雷达剖面图，雷达反射波的异常特征比较简单，该处产生的异常主要是由粘土介质强吸收雷达反射波引起的，经过现场施工开挖看到该区域为一规则发育溶沟，并且内部充填含水丰富的粘土介质。由于粘土介质对雷达波的强吸收对该区段的溶沟发育深度不能揭露。

图8是测线P4的地质雷达剖面图，雷达反射波的异常特征呈现多样化，雷达反射波图像中异常反映比较复杂，同相轴不同程度错断，雷达反射波图像中从14ns～200ns之间出现多个典型的岩溶裂隙异常，并且内部夹杂有小区域的双曲线型异常，该异常为溶洞的反射波异常。推断该区域岩层风化破碎严重，伴随有多处岩溶裂隙，沿测线方向大约10m位置深度大约5m处存在有溶洞发育，发育规模较小。

图9是测线P8的地质雷达剖面图，对比图3.4可以看出该剖面中，雷达射波的异常特征体现非常复杂，同相轴错断严重。对比典型的岩溶异常反映，该区域不但有明显的岩溶裂隙异常反映，而且还出现较大规模的双曲线溶洞异常反映。推断该区域地层不同程度的风化岩溶破碎，其间伴随岩溶裂隙和溶洞发育，溶洞发育规模较大、连续，顶板深度在3m～8m之间，并且溶洞之间出现连通、叠加现象，溶洞内部充填水、粘土、碎石等介质。

图10是测线P9的地质雷达剖面图，其异常反映和图6基本相同，溶槽两侧夹杂有少量的岩溶裂隙异常。其推断结果和图6推断结果类同。

3.4 工程开挖验证

根据探测和推断结果, 对路基旁侧出现的异常区域进行了开挖、钻探验证工作。开挖验证的结果与推测的结论基本一致;隐伏溶洞、溶沟、溶漕埋深及规模与探测结果吻合, 其顶板多为弱风化灰岩 (个别已塌陷) , 呈溶蚀蜂窝状；隐伏溶洞、溶沟、溶槽多被碎石、粘土、水等介质充填。

图11～图13分别是以上不同推断剖面的开挖验证照片，图14是P1剖面灰岩结构面的开挖验证照片。

4 结论和建议

1．通过对雷达反射波异常特征归纳、总结、推断和验证可以看出：地质雷达反射图像能明显地分辨出覆盖层和灰岩岩溶地区的溶洞和溶蚀带，地质雷达技术可用于探测灰岩顶底界面深度、岩溶发育范围、充填介质的大致性质和岩溶塌陷情况, 为岩溶地区工程地质勘察提供有效的手段，为岩土工程评价提供重要的岩溶空间分布形态和规律。

2．对于工区探测条件比较狭窄的岩溶发育区, 其他地球物理方法不能很好的对岩溶异常进行探测和识别，如果地球物理条件允许，建议优先采用地质雷达方法，该方法不但能快速、高效的识别异常，而且对异常识别的精度较之其他的地球物理方法要高很多。

3．地质雷达方法是以复杂的电磁波理论为基础的地球物理方法，实际工作中的应用受到介质性质、目标体性质、地质环境、设备性能和探测人员技术经验等因素的影响。对于雷达波异常的识别应该从地质雷达的基础理论开始，从最基础简单的异常反映开始识别、归纳和总结，不断挖掘深部复杂的异常。在进行数据处理与分析判断时, 应综合丰富的工程地质信息进行科学推断和判定, 必要时采用多种方法相互验证、互相补充，避免干扰异常和假异常引起的错误推断。

参考文献

[1]李大心, 地质雷达方法与应用[M].北京:地质出版社, 1994.

[2]粟毅、黄春琳、雷文太, 地质雷达理论与应用[M].北京:科学出版社, 2006.

GPR技术 篇3

1 GPR30及其细胞亚定位

近年来大量有关mER的报道,雌激素通过跨膜生长因子受体和G蛋白耦联受体介导的非基因信号通路发挥效应。根据雌激素信号传导G蛋白依赖性以及雌激素与细胞膜结合部位亲和力的差异性,推测mER可能是G蛋白耦联受体(GPCRs)。90年代末,采用不同的方法克隆了一个GPCRs的四个不同群体,即GPR30。GPR30与其他GPCRs的同源性较少,2006年筛选出GPR30的配体G-1[1]。对于GPR30是否是雌激素受体,是否能独立介导雌激素的生物学效应仍有争议。研究证实,GPR30能与雌激素受体激动剂荧光衍生物炔雌醇结合,也能与雌激素受体拮抗剂ICI182780和Tamoxifen结合[2]。GPR30经腺苷酸环化酶(adenyl cyclase,AC)导致细胞外信号调节激酶(ERK)激活衰减的时间推移[3]。在角质,GPR30通过促进Bcl-2表达以及细胞生长刺激周期D的表达,促进雌激素介导抑制氧化应激凋亡[4]。此外,GPR30诱导神经生长因子产生巨噬细胞上调c-fos基因表达。所有这些表明GPR30作为独立的雌激素受体在雌激素信号传导以及调节细胞的生长,增殖和凋亡中发挥作用。

对于GPR30的细胞亚定位,目前还不甚明了。有人认为GPR30定位在细胞质膜上,因为许多研究证实雌激素具有诱导一氧化氮合酶(NOS)激活,产生NO作用;NOS存在于细胞膜穴样凹陷-caveolae[5]内,caveolae是生长因子受体、非生长因子受体介导的信号转导关键部位。GPR30定位在caveolae与NOS处在邻近的位置,使它们的相互作用在空间上成为可能。GPR30不仅位于caveolae,而且也定位在内皮细胞质膜(endothelial cell,EC)的其他部位[6]。也有人认为GPR30在内质网,Gα亚基与Gβγ亚基结合,提供GPR30启动的必要信号,在适当的条件下,胞内GPR30可能向细胞表面易位。

2 GPR30的信号传导途径

雌激素快速、非基因组效应的功能学研究为GPR30的存在提供了多种支持。雌激素可以通过GPR30快速激活细胞内的第二信号系统[7],间接调节一系列基因转录,在多种细胞类型中发挥生物学效应。

2.1 ERK/MAPK途径

雌激素结合GPR30通过下游分子Src、Ras、Raf、Mek级联快速激活ERK,促进细胞增生并延长其生长周期。MAPK激活后在胞质中激活一系列其他蛋白激酶或进入核内引起转录因子APl、核因子(NF)κB磷酸化而调控基因的表达。在表达GPR30的人乳腺肿瘤细胞MCF-7中,雌激素可激活ERK,而在缺乏GPR30的MDA-MB-231细胞则不能激活ERK。但在MDA-MB-231转染GPR30后,可出现ERK的激活[8],由此证实GPR30在此信号途径的重要性。雌二醇(E2)还可激活P38MAPK通路,导致MAPK 蛋白激酶2活化,然后热休克蛋白27快速磷酸化[9],这些调节通路对维持EC 细胞骨架整合性和缺氧损伤后细胞存活,促进EC迁移和初级毛细血管形成。

2.2 cAMP-PKA-MAPK途径

雌激素可通过GPR30激活AC,AC激活后,可见cAMP水平增高,而蛋白激酶A(PKA)抑制剂和AC抑制剂可阻滞该效应。在PKA调节亚基突变时,其与cAMP的亲和力降低,在溴化-cAMP刺激下,MAPK途径被阻断。MAPK对cAMP的抑制效应与Raf-1的磷酸化有关[10],因为PKA致Raf-1磷酸化从而减弱与Ras GTP的亲和力。

2.3 PI3-Akt-NO途径

在内皮细胞中,雌激素激活磷脂酰肌醇-3(PI3)激酶,进而激活蛋白激酶B(Akt)激酶,产生NO,减少肌肉损伤后白细胞的增多。雌激素引起NO释放机制尚不明确,可能是雌激素与GPR30结合后,使PI3K依赖的Akt被激活,后者可调节NOS活性所致。Akt使NOS丝氨酸磷酸化,从而增加在低钙水平下NOS的活化和NO的产生。通常NOS是通过提高细胞间Ca2+水平而被激活,但在雌激素作用下、缺乏Ca2+内流的情况下释放NO。GPR30激活酪氨酸激酶和胰岛素样生长因子,也是通过PI3K- Akt的途径。

3 GPR30的生物效应

3.1 GPR30与神经内分泌系统

GPR30广泛分布于中枢神经系统中。雌激素通过GPR30介导的非基因组效应保护神经元免受损伤。雌激素可以提高5-HT再摄取抑制剂治疗女性更年期抑郁症和潮热的临床疗效,可能也是GPR30介导的非基因组效应。GPR30相当于雌激素在下丘脑-垂体系统的一个非基因传感器,调节下丘脑神经元的活动,从而实现维持生殖、体温调节、压力应答及反馈等行为的自我稳定。生理剂量的E2可以通过跨膜信号转导迅速引发MAPK的磷酸化,这个过程是神经元活动、基因转录和神经保护作用的关键性步骤,MAPK的激活是E2对神经元与大脑部分活动的潜在调节子。

3.2 GPR30与生殖系统

人类乳腺癌细胞膜上存在GPR30,可以促进MAPK和Akt激酶信号通路的快速活化,GPR30影响乳腺肿瘤的大小和转移性,而且GPR30与肿瘤大小呈现正向的关系。目前虽然发现GPR30与乳癌转移有很强烈的正向相关性,但还未找出GPR30与乳癌细胞侵入患者淋巴结之间的关系。在卵巢肿瘤细胞GPR30通过17β-E2介导的非基因信号通路激活EGFR和G-1刺激卵巢癌细胞增殖。肿瘤中GPR30的水平和雌激素化合物剂量的控制以及因而产生的信号机制将对具有这些特征的肿瘤患者提供进一步治疗的机会,为抗癌治疗提供一个新的靶位点。

3.3 GPR30与心血管系统

E2可以通过血管内皮细胞中的GPR30分别快速活化MAPK和PI3K信号通路,从而磷酸化NOS,NOS激活,NO的生成增加,后者又能活化鸟苷酸环化酶,使cGMP增加,由此激活冠脉上的大电导门控Ca2+通道和电兴奋性K+通道,Ca2+内流,最终效应为冠状动脉扩张,血流增加。雌激素也能快速抑制血管平滑肌细胞上的L型Ca2+通道,从而抑制血管收缩,松驰血管,增加心内灌注。这些作用都可能与血管细胞GPR30信号传导相关。

3.4 GPR30与骨

雌激素可能通过GPR30及其引发的信号通路对骨组织进行功能调节,而且GPR30可参与纵向调节骨在青春期的生长。GPR30可以介导改善骨质疏松的非基因组效应,E2能够在成骨细胞中迅速激活IL-6和IL-1等细胞因子,然后进一步活化核因子NF-kB,从而启动基因的表达,促进新的骨细胞生成。E2可在成骨细胞中通过PTX敏感G蛋白(Gi)迅速造成Ca2+流入,增加胞内Ca2+,合成1,4,5-三磷酸肌醇和甘油二酯,或在人类初级成骨细胞中增加cAMP、cGMP和Ca2+的含量。

3.5 GPR30的其他膜效应

雌激素可以改善主体受伤后的反应,但是相关的细胞途径仍然未知。GPR30促进活化蛋白激酶通路,从而保护细胞凋亡中Bcl-2。雌激素与GPR30结合可以减少受伤和出血后造成肝脏损伤,这个蛋白质途径的发现,将有助于研究人员研制出治疗受伤患者的新方法。

4 展望

大量的实验研究证实GPR30是雌激素膜受体,并且能独立的介导雌激素的众多生理功能。随着对GPR30研究,我们对雌激素的生理功能也有了新的认识。尽管我们对GPR30已经有了一定的了解,但其确切的定位、作用的机制还不甚明了。随着研究的进一步深入,GPR30用于治疗癌症和对心血管、神经内分泌系统生理机制的阐明,相信人们对GPR30的认识将更清楚,并且为研制新一代用于治疗癌症和神经内分泌等疾病的药物提供帮助。

摘要：雌激素膜受体GPR30作为一个独立的雌激素受体,介导了雌激素众多的生理功能,该文就GPR30的结构、定位、信号通路和生物学效应作一综述。

关键词：雌激素膜受体,GPR30,信号通路,生物效应

参考文献

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[8]Filardo EJ,Quinn JA,Frackelton AR,et al.Estrogen action via GPCR.Mol Endocrinol,2002,16:70-84.

GPR技术 篇4

当前,可用于道路检测的雷达设备有很多,国外的有美国的SIR系列雷达、加拿大的Pulse EKKO系列雷达、意大利的RIS系列雷达等,国内的有中国矿业大学( 北京) 的GR、MTGR系列雷达、青岛电波传播研究所的LTD系列雷达等。近年来,随着车载多通道雷达的相继出现,使得道路快速检测成为可能。比如中国矿业大学( 北京) 开发了单通道、双通道、多通道雷达设备,其中MTGR型多通道高速探地雷达专用于高速/市政公路、铁路路基病害的快速探测,最大通道容量可达8 个,探测速度可达100 km/h,在数据采集方面具有较大的优势[7]。目前在雷达数据的解译方面,则很大程度上依赖于作业人员的经验,单一图谱带来的多解性问题仍无法解决,再加上道路周围环境干扰严重,GPR技术在地下病害检测中还存在一些问题[8],具体表现在: (1) 与公路相比,城市道路功能多样、组成复杂、行人量大、车种复杂、交叉口多、交通分散、道路下方管线及其他构筑物较多,增加探测难度; (2) 单天线GPR设备,探测断面窄,不能有效地覆盖普查探测道路,其采集信息量有限,不利于对异常反应的判读,主观性、随意性较大,探测成果质量较差; (3) 道路探测的目标是地下病害,但是地上干扰源在雷达图像上往往形成与地下病害相同或相似的图像特征,或在很大程度上影响数据的信噪比和分辨率,容易造成真实地下病害的漏判或误判,对数据解译造成很大困难; (4)路基病害从无到有,从小到大均是一个周期演化过程,目前一次性检测不能准确掌握地下病害的发展状态,而且大多数检测都属于事故发生后的检测,不能很好的起到对道路安全的预防预警作用; (5) 目前数据解译暂无法给地层松散性进行分类,异常区域解释结果基本采用疏松、严重疏松等很笼统概念,因此解释结果无法直接指导有效的施工修复方案。

城市道路地上干扰源比如人行天桥、高架桥以及地面分布的金属物等可认为是一种稳定的背景噪声,如果周期性获取同一路段不同时相的雷达数据,进而提取图谱的差异参数,可有效消除单一数据处理解释中因周围环境带来的干扰和误判,从而提高病害的检测精度并掌握病害演化过程[9]。提出了一种基于差值检测的道路地下病害检测方法,并根据波组形态、振幅和相位特性、吸收衰减特性等方面特征,初步建立地下病害图谱及其划分标准,进而将不同种类病害分级以指导施工修复。该方法可实现道路病害检测由一次性检测技术向周期性监测技术的转换,对保障城市道路和地下管线安全具有重要意义。

1 实验区概况及GPR数据采集

实验区为北京四环道路,北京四环路全长65. 3km,全线共建设大小桥梁147 座,并设有完善的交通安全设施。主路双向八车道,全封闭、全立交,设计时速为80 km/h。本次检测范围为内环第二车道和外环第三车道,两次雷达检测间隔时间为30 d,检测道路总长度261. 2 km,测线总长522. 4 km。主要用到的检测仪器如图1 所示,包括中国矿业大学( 北京) 研制的MTGR四通道雷达主机、200 MHz和400 MHz雷达天线、GPS测量仪。

雷达数据采集的相关参数设置如下: (1) 天线中心频率为200 MHz和400 MHz;(2) 采样时窗分别为120 ns和40 ns;(3) 采样点数为1 024 点。雷达检测过程中以道路中线位置上的里程桩号标识进行距离标定,同时在后期数据处理时进行距离归一化。

2 数据处理及病害检测

2. 1 数据预处理

GPR数据的预处理,是进行道路病害变化检测的前提,主要包括空间几何校正和数据振幅匹配两个方面。空间几何校正是指雷达数据需要经过平移、旋转和伸缩等变换实现两幅数据多数目标点坐标的重合,从而达到矫正数据几何畸变的目的。对于雷达数据的空间几何校正,目前主要有两类方法。一类是通过手动选取特征点,再经过基于特征点的图像配准方法。另一类是通过相似度函数,通过在特征空间寻找最佳值的办法获取最佳的雷达数据矫正效果。因雷达数据特征点不明显,基于特征点的图像配准方法不易实现,现重点应用以互信息作为相似度函数的图像配准算法[10—13]。

配准前后,雷达数据会发生一定的几何形变。雷达数据为D( i,j) ,i = 1,2,…,n,j = 1,2,…,m,将其按照位移方向进行分块,分块之后得到的一维信号为Sj( i) = D( i,j) ,i = 1,2,…,N,j = 1,2,…,M。对于一维信号Sj( i) ,其中i = 1,2,…,k,…,N,令

则放缩后的信号

通过以上线性插值,即实现了雷达回波信号的几何校正,如图2( a) 和图2( b) 为校正前后的图像,图2( c) 为参考图像。

数据振幅匹配是指以一幅图为基准,通过按比例放大或缩小另一幅图相应雷达数据的数值,从而缩小相同坐标数据的差别。目前主要的方法是基于范数的尺度放缩方法,需依据实际情况选取合适的范数进行匹配,不同范数下的振幅匹配时间、匹配平均误差、匹配准确率等参数各不相同。

这里重点讨论一下匹配的准确率问题。若最小化误差是为了模型最大程度拟合训练数据,而规则化参数是防止模型过分拟合训练数据。规则化是结构风险最小化策略的实现,是在经验风险上加一个正则化项,

式( 3) 中,L( yi,f( xi; w) ) 衡量模型第i个样本的预测值f( xi; w) 和真实的标签yi之前的误差,要求其最小,该处不仅要保证训练误差最小,更要求模型测试误差也最小,式( 3) 中第二项,也就是对参数w的规则化函数Ω( w) 加以约束,以使模型尽量的简单。

规则化函数 Ω( w) 可以是模型参数向量的范数,其有很多种选择,不同的选择对参数w的约束不同,取得的效果也不同,一般是模型复杂度的单调递增函数,模型越复杂,规则化值就越大。常见的都聚集在: 零范数、一范数、二范数、迹范数、Frobenius范数和核范数等等。L0 范数很难优化求解,L1 范数计算速度快,L2 范数实现了对模型空间的限制,可以防止过拟合,提升模型的泛化能力。从优化或者数值计算的角度来说,本方法采用基于L2 范数的尺度放缩方法进行振幅匹配,同时也有助于处理矩阵求逆难的问题。如图2( d) 和图2( e) 是振幅匹配前后的图像,图2( f) 是参考图像。

2. 2 差值检测

不同时相雷达数据经过预处理后,因设备变化和环境变化引起的误差得以消除,即可进行雷达数据的变化检测。为减小变化检测出现的误差,一般还要对数据先进行去噪处理,采用二维卡尔曼滤波来去除图像中的背景噪声。对雷达数据D( i',j') ,i' = 1,2,…,n - k,j' = 1,2,…,m - k的边界进行延拓,其中k是延拓范围,延拓后的雷达数据D( i,j) ,i = 1,2,…,n,j = 1,2,…,m。设系统预测矩阵分别为P( i,j) ,P1( i,j) ,初始为零矩阵,系统预测方程P1( i,j) = a2P( i - 1,j) + b2P( i,j - 1) + c2P( i -1,j - 1) + Q,其中a,b,c是亮度系数,通常a + b + c= 1,Q是随机噪声信号N1( i,j) 的方差。通过系统预测方程,得到卡尔曼增益[14]:

式( 4) 中,h是输入系数,决定滤波的带通大小,R是随机噪声信号N2( i,j) 的方差。然后得到滤波后雷达数据为

式( 5) 中,Z( i,j) = h D( i,j) + N2( i,j) 。

GPR数据的变化检测是通过比较两幅同一地点不同时间获取的雷达数据,发现其中的差异,进而判断差异出现的位置。实现雷达数据变化检测的方法可以借鉴数字图像分割的方法,现主要采用的是基于Otsu法( 最大类间方差) 的阈值的分割方法。首先根据图像的灰度统计实现阈值的自动选取,当两组间的类间方差最大时,此灰度值就是图像二值化的最佳阈值。将图像中每个像素的灰度值与阈值相比较,实现雷达差值图像的分割,雷达数据中出现变化的区域( 可能的病害区域) 被识别出来,并根据GPS记录结果对其进行定位。

2. 3 病害识别

通过差值检测确定了病害可能出现的区域,然后就要对该区域进行识别和分析,判断出现变化的区域是否是病害并且属于哪一种可能的病害。探地雷达数据病害信息的识别首先要对原信号进行必要的分解,以便于获取信号中反映道路病害信息的特征指标,主要采用了K-L变换的信号分解方法。然后再利用追踪算法,实现道路的病害识别。

核匹配追踪学习机( kernel matching pursuit learning machine,KMP) 是近年来模式识别领域提出的又一种非常有效的核机器,其基本思想来源于信号处理中的匹配追踪算法,通过贪婪算法在基函数字典中寻找一组基原子的线性组合来逼近目标函数,该线性组合即为所要求解的决策函数[15,16]。

已知测量N次的样本数据为,其中( x、y) ,其中x、y均为N维向量,目标是通过一种方法找到x与y之间的映射关系。匹配追踪算法将这种关系定义为若干基函数的线性组合,即

式( 6) 中,y为样本数据的测量值,a为伸缩系数,g为基函数,为数据残差。令函数gi= K( x,xi) ,K( x,xi) ,为核函数,常见的核函数有高斯核函数,多项式核函数,S形核函数等。本文主要采用的是高斯核函数

核匹配追踪学习机通过“核技巧”实现了非线性问题的处理,基本流程为: 首先将训练数据从输入空间映射到高维希尔伯特空间中,通过计算样本间的核函数值来代替样本在高维空间中的向量内积,并由相应的核函数值生成基函数字典,最后采用贪婪算法求解。

2. 4 病害属性划分

探测区域内各目标物的地球物理特征决定了电磁波在其中传播的形态,电磁波的反射、折射及透射随不同的传播媒介呈现出不同的形态,因此探测区域的地球物理特征是地质雷达检测成果解释的重要依据。目前数据解译暂无法给地层松散性进行分类,异常区域解释结果基本采用疏松、严重疏松等很笼统概念,因此解释结果无法直接指导有效的施工修复方案。对探地雷达图谱异常体特征的识别,应从地球物理特征、波组形态、振幅和相位特性、吸收衰减特性等方面进行识别判定。根据现场普查分析和雷达详查,在分析综合资料的基础上,并充分考虑探测结果的内在联系与可能存在的干扰因素,本文将异常属性划分为6 个类别: 轻微疏松、中等疏松、严重疏松、空洞、轻微疏松、一般富水、严重富水,各土体病害属性及其雷达图谱特征如表1 所示。

疏松一般理解为在含水量一致的土体中密实度小于周边土体的区域,分为轻微疏松、中等疏松、严重疏松、空洞。富水一般理解为土体中含水量高于周边土体的区域,分为一般富水、严重富水。其典型病害图谱如图3 所示。

2. 5 结果分析

对实验中采集到的不同时相雷达数据分别进行数据预处理,然后进行差值检测和病害识别,从而得到了病害可能出现区域,再根据现场普查分析和雷达详查,并按照2. 4 节异常属性划分评定标准对可疑异常区域进行判定,道路地下病害检测结果如下:检测出164 处疏松区域,7 处结构异常区域。其中:39 处中等疏松区域,125 处轻微疏松区域。在此基础上,项目组还对异常区进行了实地验证和统计分析,本文所述方法检测精度达到了80% 。

3结论

GPR技术 篇5

1 MMS-1和GPR预报原理

1.1 MMS-1工作原理

MMS-1矿井多波地震仪主要由主机+连接大线+智能三分量地震检波器(从机)三部分组成,是零(或极小)偏移距离状态下的自激自收反射波法[2],是基于向岩土体中辐射一定频率的声波,通过研究声波的反射特征,来判断岩土工程地质特性的一种技术方法。其接收频率范围为声波频段20 Hz～20 000 Hz的地震波,其原理是建立在弹性理论基础上的,传播过程遵循惠更斯—菲涅尔原理和费马原理。理论研究表明,声波在岩体中的传播速度及幅度等参数和岩体的成分、密度、弹性模量及岩体的结构状态密切相关,不良地质体与周边地质体的声学特性明显,因此采用声波探测不良地质带有充分的物理依据。预报距离可达150 m～180 m,适用于中长期预报。

1.2 GPR工作原理

地质雷达[3]是利用高频电磁波(主频为数十数百乃至数千兆赫)以宽频带短脉冲的形式,由地面通过发射天线(T)向地下发射,当它遇到地下地质体或介质分界面时发生反射,并返回地面,被放置在地表的接收天线(R)接收,并由主机记录下来,形成雷达剖面图。由于电磁波在介质中传播时,其路径、电磁波场强度以及波形将随所通过介质的电磁特性及其几何形态而发生变化。因此,根据接收到的电磁波特征,即波的行程时间(亦称双程走时)、幅度、频率和波形等,通过雷达图像的处理和分析,可确定地下界面或目标体的空间位置或结构特征,其工作原理如图1所示。预报距离可达15 m～30 m,适用于短期预报(追踪预报),多与中长期预报联合使用。

2 工程实例

2.1 襄渝二线某隧道地质概况

改建铁路襄渝二线某隧道位于既有线左侧,穿越汉江南岸一山体,距既有线400 m～700 m,隧道起讫里程为:DZK181+410～DZK184+009,全长2 599 m。线路纵坡为3‰的单面下坡;地形起伏大,地势陡峻,横向穿越纱帽山,相对高差达200 m以上。隧道范围内地层主要为寒武系下统石英云母片岩,主要分布于隧道进出口及洞身段,青灰、灰黑、灰黄色为主,成分主要以云母、石英及辉石等矿物组成,片状构造,变晶结构,夹有石英云母片岩及灰质片岩,沿节理、裂隙面分布有石英岩脉,节理较发育,节理面多为锈黄色。受构造影响(地处秦岭褶皱系南秦岭印支褶皱带,地质构造十分复杂),小褶曲较发育。表层强风化层厚5 m～8 m,其下弱风化,四级软岩。特别是隧道出口左侧发育较大次级构造断裂,致使隧道西段附近强烈褶曲揉皱、岩体破碎,结构呈片状、千枚状构造,遇水易于泥化。洞身云母岩体片理产状主要为:N13°W/27°S;节理产状主要为:N30°W/46°N,EW/90°。

2.2 隧道DZK182+648掌子面围岩概况

地层为寒武系下统石英云母片岩,间夹云母石英片岩,呈灰黑色。节理发育,岩体被挤压后产状零乱,3组、4组基岩节理、裂隙发育,沿节理、裂隙面分布有石英岩脉,节理面多为锈黄色,致使基岩裂隙水较发育。围岩强度大致为四级,较为软弱。掌子面主要节理产状为:N30°W/46°N,EW/90°。岩体节理间距0.01 m～0.05 m居多,微张、无充填。

3 应用MMS-1和GPR法对DZK182+648掌子面联合探测与分析

3.1 MMS-1探测与分析

在隧道掌子面DZK182+648进行了沿水平测线的8次测试。根据工程地质勘察报告和相关文献资料,取掌子面前方围岩波速为3 500 m/s。对隧道掌子面探测结果进行了X,Y,Z抽道及分析。

由分析结果得:在隧道掌子面前方6 m～10 m(DZK182+654～DZK182+658),12 m～16.5 m(DZK182+660～DZK182+664.5),37 m～42.5 m(DZK182+685～DZK182+690.5),95 m～126 m(DZK182+743～DZK182+774),161 m～177 m(DZK182+809～DZK182+825)5区段节理、裂隙较发育,围岩较破碎。其中,在隧道掌子面前方12 m～16.5 m(DZK182+660～DZK182+664.5),37 m～42.5 m(DZK182+685～DZK182+690.5),161 m～177 m(DZK182+809～DZK182+825)地下水较丰富,施工时易发生渗漏水现象。

3.2 GPR探测与分析

以掌子面前方为检测目标,以拱顶为中心,“十”字形布置水平和竖向两条测线。图2为DZK182+648.5掌子面水平测线GPR成果图,图像左侧0.0 m处为隧道掌子面,测线长度为掌子面净宽。

图3为DZK182+648.5掌子面竖向测线GPR成果图,图像左侧0.0 m处为隧道掌子面,测线布设在隧道中线上,由隧道底板至3 m高。探测范围为DZK182+648.5～DZK182+678.5。

GPR探测图像分析结果如下:从掌子面到前方0 m～5 m的岩体破碎、裂隙发育,存在明显裂面;7 m～10 m处有小裂面,节理裂隙发育,富水较大。从18.5 m～22 m岩体完整性较差,裂隙水丰富。22 m～31 m完整破碎,裂隙发育,含水。

3.3 联合探测分析结果

在掌子面DZK182+648前方:1)0 m～5 m岩体破碎、裂隙发育,存在明显裂面;2)6 m～10 m存在一小裂面,节理、裂隙发育,围岩较破碎,富水较大;3)12 m～16.5 m节理、裂隙较发育,围岩较破碎,地下水较丰富,施工时易发生渗漏水现象;4)18.5 m～22 m岩体完整性较差,裂隙水丰富;5)22 m～31 m完整破碎,裂隙发育,含水。

4 隧道开挖后实际地质情况

隧道掌子面DZK182+648向前开挖30 m后揭示的实际地质情况如下:1)1 m～4 m岩体完整性较差,节理、裂隙发育,存在一小裂面;2)5.5 m～11 m存在一小裂面,围岩较破碎,裂隙水丰富;3)13 m～17 m节理、裂隙较发育,围岩破碎,掌子面渗漏水明显;4)18 m～30 m岩体完整性较差,节理、裂隙发育,裂隙水丰富。由上可知,运用MMS-1声波反射法和GPR相结合的综合物探方法对隧道前方地质情况进行探测,所预报的结果与隧道开挖后的实际地质情况大致符合,预报的岩性与实际一致,破碎带和裂面的边界位置与实际开挖后的真实位置差异较小。综合物探法的应用从超前预报与实际施工的地质情况对比分析看,效果较理想。

5 结语

上述实例表明,采用MMS-1声波反射法和GPR相结合的综合物探方法,可以对隧道掌子面前方30 m范围内围岩的工程地质及水文地质情况进行快速、比较准确的探测和预报,包括软弱岩层的分布、裂隙发育带、含水情况、裂面等,能够为隧道施工和支护提供理论依据,有效防止地质灾害的发生,将风险降低到最小,具有显著的经济效益。

摘要：介绍了MMS-1声波反射法和GPR(地质雷达)的预报原理,采用MMS-1声波反射法和GPR相结合的综合物探法对隧道前方地质情况进行了超前地质预报,与开挖后实际地质情况对比分析证明,MMS-1声波反射法和GPR相结合的综合物探法,能及时、准确的预报隧道前方的地质情况,对指导安全、高效施工和监管有重要的意义。

关键词：反射波法,综合物探法,隧道,超前地质预报

参考文献

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[2]郭有劲.物探法隧道地质预报技术[J].铁道建筑技术,2008(sup):31-34.

GPR技术 篇6

关键词：刚性路面,检测,雷达

0 引言

近年来, 沥青混凝土路面以其初期投资低、施工周期短、易修复等优点成为现行公路面层设计的主流。正在建设中的玉林至铁山港、六景至钦州港、钦州至崇左高速公路等8条高速公路均采用沥青混凝土路面结构形式。

伴随着水泥砼路面使用年限的增长, 现已出现未达到设计使用年限的水泥砼板出现多种病害。旧路改造的关键是旧水泥砼路面的综合处治。水泥混凝土路面最严重的病害是路面板的纵、横向裂缝引起的断板, 裂缝往往又是由板底脱空开始发展起来的。因此, 如何治理板下脱空是公路主管技术部门必须尽快解决的问题, 而如何快速、有效地检测是否脱空则是治理病害工作的前提。

1 检测方式的选择

过去在没有无损检测设备的情况下, 通常采用下述方法判断砼路面板下是否处于脱空状态。1) 重型车辆通行时, 人处于相邻板处能感觉到板块剧烈的震动;2) 相邻板出现严重错台时, 位置较低板一般有脱空的存在;3) 板的接缝和裂缝产生大面积唧泥的板边缘;4) 板的接缝两侧弯沉差比较大的板边缘;5) 人工使用大锤敲打板块时有脱空的响声。

随着科学技术的进步, 公路养护和检测理论的进一步发展, 国内外公路现场检测仪器也在不断改进, 出现了一批高性能、高效率的检测设备和手段, 其中落锤式弯沉仪 (Falling Weight Deflectometer, 简称FWD) 和探地雷达 (Ground Penetrating Radar, 简称GPR) 都是国际上目前应用在公路检测中最先进的路面强度无损检测设备。

1.1 落锤式弯沉仪

它是通过计算机系统控制液压系统启动落锤装置, 使一定质量的落锤从一定高度自由落下, 冲击力作用于承载板上并传递到路面, 从而对路面施加脉冲荷载, 导致路面表面产生瞬时变形, 分布于距测点不同距离的九个传感器检测结构层表面的变形, 记录系统将信号传输至计算机, 即测定在动态荷载作用下产生的动态弯沉及弯沉盆。笔者利用该弯沉仪检测砼板的横接缝靠近板角的两侧弯沉, 采用最大弯沉法对比其差值, 结合经验来定性确定板底脱空情况的。在某高速公路旧砼板检测过程中, 测得两相邻板角的弯沉值分别为56和24, 对比两值发现差值远远6, 据此初步判定板角边缘存在脱空。为求证判定结果, 专门在大雨天观测两块板缝, 发现重型车高速驶过时出现严重的翻浆、唧泥现象。综合处治时破板清理后发现基层疏松, 板缝及板中局部位置出现明显凹槽。

1.2 探地雷达

探地雷达是利用电磁波对地表的穿透能力, 利用高频电磁波以宽频带短脉冲形式从地表自上而下地发射电磁波, 电磁波在地下传播过程中遇到不同电性介质界面时产生反射, 由接收天线接收介质反射的回波信息, 再由计算机将收到的数字信号进行分析计算和成像处理, 即可识别不同层面反射体的空间形态和介质特性。振源产生的雷达波频率一般在100MHz~1000MHz之间, 穿透能力很强, 探测深度可达50多m, 分辨率达厘米级。

为了更加准确的判定基层状况, 同时采用FWD和GPR对某高速公路进行了检测。在上述FWD检测的砼板上进行探地雷达检测得到如图1所示的雷达剖面图, 图示位置明显存在板底脱空。从理论上讲, 在面层和基层结合密实区, 层间反射弱, 波形平缓、规则、无杂乱反射存在。当路面积水未及时排出时可能导致地表水下渗, 使面板与基层之间逐渐疏松, 局部甚至脱空。此时, 层间介质的介电常数差异较大, 依据雷达波反射界面与波的传播特性, 反射界面明显、传播速度降低, 表现在雷达剖面上就是雷达波形强散射。

应用落锤式弯沉仪不宜对配筋的大厚度的桥头搭板及明涵台背下的脱空状况评定;而采用探地雷达检测桥头头搭板及明涵台背下的脱空状况评定效果很好, 而对刚性路面板下脱空测定。如图2所示为桥头搭板脱空的雷达剖面图。笔者在判定脱空后对桥底进行了仔细检测发现板角相邻两条缝的填缝材料产生严重剥落, 当雨水下渗后带走了大量泥浆, 如图4所示。另外, 也存在桥头台背路堤填筑不密实等原因。

2 结论

落锤式弯沉仪和探地雷达都是国际上最先进的路面强度无损检测设备。在检测过程中, 两者相辅相衬, 互为补充, 在检测过程中合理利用将对路况评定起到事半功倍的效果。

在公路检测中, 同时利用落锤式弯沉仪和探地雷达进行对比检测可以认为是一种快速、高效、安全的无损检测理念, 能避免单种检测方法带来的片面判定。

参考文献

[1]邹伟, 等.沥青混凝土路面设计中应重视的问题[J].黑龙江交通科技, 2002, 5.