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地質雷達范文1
中圖分類號：U45文獻標識碼： A
The Application of Geological Radar in Advance Geological
Forecast of ZhouWuShan tunnel
LU Jia-WeiGuo liu-jiang
(China Southwest Research Institute of china Railway Engineering Compay Limited,
Chendu 610031 China)
Abstract：This paper expounds the basic principle of geological radar on tunnel advanced prediction application. To Zhou Wushan tunnel project as an example, this paper introduces the geological radar line layout, as well as to the geological radar data processing. Construction suggestions are put forward according to the result of detection data graphic analysis, so as to guarantee the safety of tunnel construction.
Key words：geological radaradvance geological forecast tunnel tunnel face
伴隨著我國基礎建設的大發展，大量的公路鐵路需要修建穿越山嶺的隧道，超前地質預報由于其無損檢測、精度較高、使用方便、自動成像等特點在隧道施工中得到了廣泛的應用，成為保障隧道快速施工的最有力手段。在施工中對隧道掌子面開展超前地質預報工作，可為設計單位提供可靠的、更為詳盡的不良地質資料，及時進行動態設計，信息化施工，避免重大施工地質災害的發生，保證施工安全，減少人員傷亡和不必要的財產損失。本文結合周武山隧道實際工程，闡述了地質雷達在隧道超前預報應用中的基本原理以及使用方法，對引周武山隧道進口處進行地質雷達超前預報，以達到指導施工的目的。
1 地質雷達基本原理
探地雷達技術(Ground Penetrating Radar，簡稱GPR)是采用無線電波檢測地下介質分布和對不可見目標體或地下界面進行掃描，以確定其內部結構形態或位置的電磁技術。其工作原理為：電磁波以寬頻帶脈沖形式通過發射天線發射，經目標體反射或透射，被接收天線所接收，見圖1。
圖1 雷達工作原理及其基本組成
電磁波的傳播取決于物體的電性，物體的電性中有電導率μ和介電常數ε，前者主要影響電磁波的穿透(探測)深度，后者決定電磁波在該物體中的傳播速度，因此，所謂電性介面也就是電磁波傳播的速度介面。不同的地質體(物體)具有不同的電性，因此，在不同電性的地質體的分界面上，都會形成電性介面，雷達信號傳播到電性介面時產生反射信號返回地面，通過接收反射信號到達地面的時間就可以推測地下介質的變化情況。電磁波在介質中傳播時，其路徑、電磁場強度和波形將隨所通過介質的電性質及集合形態而變化，由此通過對時域波形的采集、處理和分析，可確定地下界面或目標體的空間位置或結構狀態。
2 數據采集及處理
對于不同深度、不同巖性的探測目的層與目的物，在應用地質雷達檢測時，需選擇相應頻率的天線和適當的儀器參數。當探測深度為20～30m時，一般選用頻率相對較低的天線。
探測的雷達圖形常以脈沖反射波的波形形式記錄。由于地下介質相當于一個復雜濾波器，介質對波不同程度的吸收以及介質的不均勻性，使得脈沖到達接收天線時，波幅減小，波形變得與原始發射波形有較大的差異。另外，不同程度的各種隨機噪聲和干擾，也影響實測數據。因此，必須對接收信號實施適當的處理，以改善資料的信噪比，為進一步解釋提供清晰可變的圖像。圖像處理包括消除隨機噪聲壓制干擾，改善背景；進行自動時變增益或控制增益以補償介質吸收和抑制雜波，進行濾波處理除去高頻，突出目的體，降低背景噪聲和余振影響。對數據文件進行了預處理、增益調整、濾波和成圖等方法的處理。最終得到各測線的成果圖，并據此進行探測對象的地質判釋。
3 地質雷達在周武山隧道中的實際應用
3.1 工程地質概況
周武山隧道為分離式中隧道。該隧道為下坡隧道，左幅縱坡為-1.65%下坡，右幅縱坡為-1.60%下坡，隧道最大埋深約為145m。
（1）地層巖性
隧道開挖遇到的主要地層(自上而下)是：第四系雜填土（Qml）厚0.3～3.00m主要由建筑垃圾、碎塊石及粘土組成，填筑時間長短不一，主要分布在原有建筑物區，擬建隧道進口段，耕植土（Qpd）、紅粘土（Qel+dl），寒武系婁山關群（∈ls）強風化及中等風化白云巖。
（2）地質構造
隧道位于揚子準地臺黔北臺隆貴陽復雜構造變形區，貴陽向斜北端東翼。隧址區發育1條斷層。地表斜向通過K29+478～K29+531處，與隧道軸線夾角為78°，該組斷層為逆斷層，南北向延伸，斷層面傾向東，傾角一般50～70°，局部直立。地表調查及鉆探巖芯顯示，斷層破碎帶巖體呈呈砂狀，顆粒狀及碎塊狀，破碎帶寬15～22.0m。
受斷層及區域地質構造影響，隧址區巖層產狀傾向120°～135°，傾角27°～33°。場地內巖體節理裂隙較發育，巖體破碎～較破碎。根據隧道區及其附近基巖露頭，隧址區發育2組節理，第一組節理：產狀19°～230°∠53°～70°，閉合，延伸長度大于20m，局部溶蝕痕跡。線密度3-5條/m。Ⅱ、第二組節理：產狀280°～350°∠70°～85°，閉合，延伸長度大于10m，局部溶蝕痕跡。線密度1～3條/m。
（3）不良地質現象
隧址區巖體為碳酸鹽巖，為可溶巖，在濕熱多雨氣候的影響下，易沿節理裂隙形成溶蝕洞隙，鉆探揭示，隧址區溶洞主要以全充填、半充填或無充填的形式發育，在隧道臨近溶洞及規模較大的溶蝕裂隙地段，圍巖及節理裂隙中的土體易坍塌及地面塌陷，強降雨季節易發生巖溶突水、突泥，對工程及周邊環境安全存在較大影響，隧道施工時應加強超前預報、探查工作。
隧址區有一條斷層穿過，斷層破碎帶寬度較大，斷層交匯地段，巖體節理裂隙發育～極發育，巖體破碎～極破碎，圍巖穩定性差，可能出現突水、冒水情況，對工程及施工安全有潛在影響。
3.2 典型雷達圖像分析
本隧道使用LATVIA生產的Zond-12eGPR地質雷達，采用天線頻率為75MHz。采集與分析軟件為同一軟件包，與本探測儀器系統配套。
（1）測線布置
在周武山隧道出口右線YK29+675～YK29+645段現場布置2條測線。圖2為探測里程為YK29+675～YK29+645掌子面素描圖及測線布置示意圖。掌子面巖體碎塊狀白云巖，巖體呈強～全風化狀態，拱部右拱頂2m范圍內風化嚴重，多呈全風化～散體狀。節理裂隙發育，節理面夾黃色粘土，主要發育一組節理，節理產狀及特征如下：J1節理81°∠74°節理間距約20cm,貫通掌子面。掌子面濕潤，現場共布置了2條測線。
圖2為掌子面素描圖及測線布置示意圖
(2)探測結果及分析
圖3為地質雷達測試成果圖，測線里程為YK29+675～YK29+645。YK29+675～YK29+655段（20米)本段巖性維持目前掌子面狀況，巖體極為破碎，呈塊狀至散體狀，巖體易掉塊，甚至有發生坍塌的危險，短節理發育，巖體潮濕，建議圍巖級別為Ⅴ級。YK29+655～YK29+645段（10米)本段巖體較上段稍好，但巖體仍以碎塊狀為主，局部巖體夾有粘土，短節理發育，穩定性差，地下水稍發育，巖體開挖后極易產生垮塌。建議圍巖級別為Ⅴ級。
圖3地質雷達測試成果圖
該測段巖性中厚層淺灰白色白云巖，巖體呈強至全風化狀態，巖體總體上較破碎，呈碎塊狀至散體結構，掌子面節理發育，建議開挖后及時做好進行初期支護；堅持“短進尺、強支護、勤量測”的原則組織施工，盡量減少對圍巖的擾動，保護圍巖的自承能力；在降雨頻繁季節，加強洞室監控量測，及時反饋檢測信息，建立健全隧道內的排水設施，提前對地下水進行引排疏導；隧道現場施工技術人員應多注意觀察掌子面是否有異常變化，若有較大異常變化時，應及時通知預報單位，進一步查明隧道前方的地質情況。
4 結語
以地質雷達在周武山隧道超前地質預報中的應用實例，介紹了地質雷達在隧道超前地質預報中的應用，指導了隧道的施工，取得了較好的結果。地質雷達用于隧道施工中預報掌子面前方不良地質情況的判斷，具有圖像直觀、對施工影響小的特點，由于地質條件具有復雜性，對地質雷達探測結果的反演具有多解性，為取得較好的預報效果，應結合地質構造、地層巖性的隧道掌子面地質素描分析，提高對地質雷達波形圖的解譯的準確性。同時應注重積累不良地質條件下各種介質雷達波形的典型特征。
參考文獻
[1] 傅良魁.電法勘探[M].北京地質出版社1998 .
[2 ]茹瑞曲，戚筱俊．地質雷迭探測技術的應用研究[J]．工程地質學報，1996，4(2)：51-56．
[3] 劉錄剛．超前地質預報在雁門關隧道施工中的綜合應用[J]．西部探礦工程，2004，16(4)：111-113．
[4] 高陽，張慶松，原小帥，等．地質雷達在巖 溶隧道超前預報中的應用[J]．山東大學學報，2009，39(4)：82-86．
地質雷達范文2
關鍵詞：隧道 超前預報 地質雷達探測
探地雷達（GRP）又稱地質雷達，是現代廣泛用于測試地下介質分布的電磁技術之一，它主要是通過地下發射的高頻寬帶的電磁脈沖信號，然后根據回波信號的振幅、波形和頻率等特征，利用地下介質的電磁特性的差異來分析和推斷地下介質的結構特征的，具有快速便捷、操作簡單、抗干擾和場地適應能力強，無損等特征。目前探地雷達技術已經應用于如采礦工程、水利水電工程、地質工程和巖土工程勘察、建筑工程、橋梁道路、隧道工程、管線勘測、環境檢測、考古等方面的行業中[1]。
1 地質雷達工作概述
1.1 地質雷達基本工作原理示意圖 地質雷達與對控雷達在原理上是很相似的，他們都是基于地下介質的電性差異存在的，也都會向地下發射高頻的電磁波，也都能夠接收地下介質反射回來的電磁波，以此對他們進行處理、分析和解釋的工程物探技術，兩者的主要探測原理就是圖1所表示的。
■
圖1 地質雷達工作原理示意圖
雷達脈沖波的行程方程為：t=■
式中：t為脈沖波走時（ns，lns=s）；z為反射體深度；x為發射機和接收機間的距離；v為雷達脈沖波速。
1.2 地質雷達基本工作方法 主要是通過隧道的掌子面發射天線的電磁波，把主頻為數十兆至數百兆乃至數千兆赫的脈波送入隧道掘進方向，這樣當在巖體傳播過程中遇到不同的目標體的電性介面時，就會有部分的電磁能力被反射回到掌子面，在被接收天線接收時，就會主動生成記錄，得到從發射經巖體界面反射回到接收天線的雙程走時t。當巖體介質的波速已知時，可根據測到的精確t值求得目標體的位置和深度。這樣，可對各測點進行快速、連續地探測，并根據反射波組的波形與強度特征，經過數據處理得到地質雷達剖面圖像。而通過多條測線的探測，則可了解隧道掌子面目標體斷面分布情況。
1.3 測線布置 在測試過程中，沿右壁向掌子面移動，一直沿著測線測量到左壁，左右兩壁每次移動距離大概50厘米，掌子面每次移動距離大概20厘米。測線布置如（圖2）。
1.4 資料的解釋 地質雷達資料的地質解釋基礎是拾取反射層。由數據處理后的雷達圖像，全面客觀的分析各種雷達波組的特征（如波形、頻率、強度等），尤其是反射波的波行及強度特征，通過同向軸的追蹤，確定波組的地質意義，構造地質-地球物理解釋模型，依據剖面解釋獲得整個測區的最終成果圖。
雷達的解釋步驟一般為：①反射層拾取。根據勘探孔和雷達圖像對比分析，建立各種反射層的波組特征，而識別反射波組的標志為同向性、相似性和波形特征等。②時間剖面的解釋。在充分掌握區域地質資料，了解測區所處的地質結構背景的基礎上，研究重要波組的特征及其相互關系，掌握重要波組的地質結構特征，其中要重點研究特征波的同相軸的變化趨勢。特征波是指強振幅、能長距離連續追蹤、波形穩定的反射波。同時還應分析時間剖面上的常見特殊波（如繞射波和斷面波等），解釋同相軸不連續帶的原因等。通?？梢詫r間剖面特征分為四類，作為解譯參考：a雷達反射波同相軸發生明顯錯動：一般為破碎帶及大的風化裂縫含水帶，兩側地層性質明顯變化。b雷達反射波同相軸局部缺失：一般為地下裂縫、裂隙橫向發育及巖體風化發育程度不同引起。c雷達波波形發生畸變：由于地下裂縫、不均勻體對于雷達波的電磁馳豫效應和吸收，造成雷達波畸變，崎變程度與裂隙及不均勻體的規模有關。d雷達波反射波頻率變化：一般為巖體或土壤中成分含量及鹽堿性質發生了變化。通常，地質雷達時間剖面上會出現多個特征剖面，這就需要解譯人員的豐富的實踐解譯經驗，以及參考多種因素綜合考慮。
2 應用實例
2.1 探測結果和分析 某二級水電站西端1#、2#引水隧洞工程施工1#引水隧洞超前地質預報
引水隧洞洞號：引（1）洞 預報方法：地質雷達
儀器型號：SIR-20 天線頻率：100MHz
掌子面樁號：引（1）1+345 預報范圍：引（1）1+345～1+369
測量區域為T2z淺灰色中厚層大理巖，巖類為Ⅲ～Ⅳ類圍巖，深埋偏壓。由于隧道全長18千米，開挖高19米，寬17米，當隧道的開挖面較大的時候，坑隧道地質周圍就會顯得復雜，而且存在一定的深埋偏壓，這就需要我們在編制施工組織設計的時候根據不同的巖段進行不同的施工方案，但是需要確定準確的地質情況的時候進行，如果是不同的勘探資料，就需要利用不同的地質雷達技術進行。當我們做好隧道掌子面的超前地質預報工作的時候，就需要在準確掌握掌子面數據后，才根據地質情況提供安全施工的決策依據。因此，我們在施工過程中，就需要準確掌握超前預報數據，然后根據雷達的預測，順利通過隧道的深埋偏壓地質破碎帶和強風化巖層地帶，以此來確保工程施工人員的安全。
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圖3 掌子面素描圖
圖3為對現場所畫處理后得的掌子面地質素描圖。
圖4為通過軟件處理后得到的地質探測成果圖像。
圖5為對探測成果圖象解釋后得到的解釋成果圖。
2.2 實際開挖對比分析 ①掌子面前方引（1）1+345～352 段地質雷達無明顯異常，引（1）1+352～369段存在異常，推斷為裂隙發育，溶蝕，巖體較破碎，局部形成破碎帶，含水，出水情況總體成分散狀，局部較集中，估計總水量3～5L/S。②左壁引（1）1+325～1+345 段探測深度范圍內裂隙發育，局部密集，巖體較破碎。③右壁引（1）1+325～1+333 段探測深度4～12m 范圍內裂隙發育，局部密集；引（1）1+337～1+345 段探測深度范圍內裂隙發育，巖體較破碎，含水。
開挖時BK1+357段有裂隙發育，有白色大理石填充，無滲水。在后半段的巖體質量逐漸因為增重而破裂。就需要根據預報的實際開挖的數據進行操作。引（1）1+352～369預報為裂隙發育，溶蝕，巖體較破碎，局部形成破碎帶，含水，出水情況總體成分散狀。開挖時，洞頂為一個長寬約為10×12米破碎帶，在比較破碎的地方出現滲水，成線狀分散。預報和實際開挖較吻合。
3 結論
①通過對某二級水電站輔助洞為研究對象，多次到輔助洞進行實地考察，這樣才能在前期收集大量的勘察資料及現場測試資料等。并且根據輔助洞的超前地質為預報的主要研究對象，我們可以通過大量的現場測試的資料進行分析隧洞的施工情況的的統計數據成果，這樣在地質雷達預報溶洞、斷裂和裂隙時候，就會效果更佳，就可以作為超前短距離地質預報的首選。②由于地質雷達在探測過程中會受到如來自金屬體及空氣中的各種電磁波因素的干擾，這樣就導致后期的數據受到影響，在數據處理解釋上就會產生一定的影響。所以，為了避免探測過程中出現的這些因素的影響，就需要工作人員結合多方面的資料，對數據處理作出更為準確和有效的解釋。
參考文獻：
[1]翟波，楊峰，孫水明，等.地質雷達信號去除水平噪聲算法[J].遼寧工程技術大學學報，2006（S2）：88.
[2]徐宏武，邵雁，鄧春為.探地雷達技術及其探測的應用[J].巖土工程技術，2005（04）.
[3]方建立，應松，賈進.地質雷達在公路隧道超前地質預報中的應用[J].中國巖溶，2005（02）.
[4]劉恒.路用探地雷達在道路工程中的應用研究[D].大連理工大學，2002.
[5]陸鑫.探地雷達在隧道初支背后空洞檢測中的應用[J].黑龍江交通科技，2013（05）.
[6]張連武.超前地質預報技術在談山隧道施工中的應用[J].建筑，2013（08）.
[7]何磊，孫家寧，孫祥鑫.地質雷達在井巷掘進超前地質預報中的應用[J].現代礦業，2013（01）.
地質雷達范文3
【關鍵詞】PCA地質雷達數據KNN災害分類
一、引言
隨著能源行業和交通行業建設的力度的加大，近些年來，每一年修建的公路和鐵路以及隧道多達八百公里，還有大量大型地下工程在修建。地下工程是施工高風險的工程，施工中充滿了未知數，許多已經知道的、不清楚的、未知的地質災害在等待著工程建設者。其中，施工中遇到突泥、突水是最危險的威脅，近幾年，一些正在施工的隧道，特別是長隧道，施工時遇到突泥、突水，不僅大大延誤工期，造成很大經濟損失，而且有的隧道還造成多人的傷亡。雖然近十余年來人們研究和使用一些物探方法在地下工程施工時作掌子面前方地質預報，但預報地下水仍是個困難的問題，以至成為業界要求作為首要要解決的問題。探地雷達是目前隧道地質預報探水的最主要的手段，但是近幾年的實踐表明，其探查預報地下水的成功率不高。經調查，資料解釋的理論和實踐未為大多數工作人員所了解和掌握是主要原因之一。而隨著計算機技術的發展，模式識別漸漸走入我們的視野，通過運行模式識別程序自動甄別地質雷達數據中的災害部分成為我們研究的重點方向。
本文依托中國礦業大學（北京）楊峰教授研發的GR地質雷達設備進行數據采集采集的數據作為樣本進行分類研究。
二、預處理算法
由于采集到得雷達剖面數據單道維數達到2048維，直接使用kNN算法存在計算速度過慢和錯誤率較高的問題，我們需要對雷達數據進行預處理。目前主流的預處理算法主要有PCA算法和LDA算法。
2.1主成分分析算法（pca）
主成分分析算法即Principal Component Analysis算法簡稱PCA是一種常用的機遇變量協方差矩陣對數據進行處理，壓縮和抽取的有效方法。他是Jolliffe在1986年提出的一種分類算法。從線形代數的角度來看，PCA的目標就是使用另一組基去重新描述得到的數據空間。而新的基要能盡量揭示原有的數據間的關系。在地質雷達數據處理中，單道數據在災害處的特征最重要的。這個維度即最重要的“主元”。PCA的目標就是找到這樣的“主元”，最大程度的去除冗余和噪音的干擾。本質上講PCA算法計算了一種線性變換L，它能把訓練集的輸入投影到樣本集方差最大化的子空間中去。輸入投影的方差用協方差矩陣表示為：
上述方程存在一個封閉的解。如果L是一個矩陣，那么線性變換把輸入數據投影到一個低維度的子空間中。如果L是一個方陣那么線性變換并不能把輸入數據降維，但是它還是可以通過各樣本的方差來旋轉或者重定位輸入數據的坐標。
PCA算法是一種非監督學習算法，他不需要在建立投影矩陣時輸入訓練集的已知分類信息。不過，PCA作為KNN算法的預處理算法時仍有較為顯著地作用。例如，PCA可以作為數據降噪處理算法，通過投影出主要成分的特征向量可以明顯的降低kNN分類器的錯誤率。PCA算法還能夠用來在大數據集處理中加速KNN的計算過程?？傊?，通過降低輸入樣本維數或者重排坐標作為線性預處理的PCA算能能夠顯著地降低計算量。
2.2線性判別式分析（LDA）
表示第c類的樣本均值。線性變換矩陣L定義了一個投影矩陣，使得它能夠最大化類間方差同類內方差的比值。這個最優化過程定義方程為：
容易知道上述方程存在封閉解。
LDA算法作為一種模式分類器的預處理算法而被廣泛應用。不同于PCA，LDA算法時一種監督學習算法，他使用先驗的類信息作為生成投影矩陣的附加信息。我們知道投影矩陣L是基于二階統計，它們能夠在類的條件概率是多元高斯條件下取得較好的分類效果，但是當條件不滿足時LDA算法可能會產生錯誤的解，所以并不適合kNN算法。
三、分類器算法（kNN）
K最近鄰（k-Nearest Neighbor，KNN）分類算法，是一個理論上比較成熟的方法。該方法的思路是：如果一個樣本在特征空間中的k個最相似（即特征空間中最鄰近）的樣本中的大多數屬于某一個類別，則該樣本也屬于這個類別。KNN算法中，所選擇的鄰居都是已經正確分類的對象。該方法在定類決策上只依據最鄰近的一個或者幾個樣本的類別來決定待分樣本所屬的類別。KNN方法雖然從原理上也依賴于極限定理，但在類別決策時，只與極少量的相鄰樣本有關。由于KNN方法主要靠周圍有限的鄰近的樣本，而不是靠判別類域的方法來確定所屬類別的，因此對于類域的交叉或重疊較多的待分樣本集來說，KNN方法較其他方法更為適合。
如下圖中所示右圖中，綠色圓要被決定賦予哪個類，是紅色三角形還是藍色正方形？如果K=3，由于紅色三角形所占比例為2/3，綠色圓將被賦予紅色三角形類，如果K=5，由于藍色四方形比例為3/5，因此綠色圓被賦予藍色四方形類。
kNN的決策過程：
（1）準備數據，對數據進行預處理；
（2）選用合適的數據結構存儲訓練數據和測試元組；
（3）設定參數，如k；
（4）維護一個大小為k的的按距離由大到小的優先級隊列，用于存儲最近鄰訓練元組。隨機從訓練元組中選取k個元組作為初始的最近鄰元組，分別計算測試元組到這k個元組的距離，將訓練元組標號和距離存入優先級隊列；
（5）遍歷訓練元組集，計算當前訓練元組與測試元組的距離，將所得距離L與優先級隊列中的最大距離Lmax進行比較。若L≥Lmax，則舍棄該元組，遍歷下一個元組。若L < Lmax，刪除優先級隊列中最大距離的元組，將當前訓練元組存入優先級隊列。
（6）遍歷完畢，計算優先級隊列中k個元組的多數類，并將其作為測試元組的類別。
四、雷達數據處理中的pca+knn算法
在雷達數據處理中，我們取單道剖面數據作為訓練樣本，維數約為2048維。由于樣本維數較大，直接使用kNN算法在性能上存在瓶頸，所以在knn算法處理之前先使用PCA算法取出雷達樣本中的主成分來進行數據降維，而后再用kNN算法進行數據分類。
具體的步驟為：
（1）對數據進行PCA降維處理；
（2）取出雷達數據測試集中未被分類的一個樣本，遍歷計算它同樣本集中各向量的歐幾里得距離并排序，取最小的K個向量確定該樣本的類別；
（3）如果測試集中還有未被分類樣本則返回2，若沒有則程序結束。
五、總結
在計算機技術迅猛發展的今天，傳統的半人工地質災害分類方法已經過時。而新興的模式分類技術逐漸成熟，成為我們進行災害分類的主要方法。本文將PCA和kNN算法引入與地質災害分類領域中，在實驗數據樣本類別較為平衡的情況下取得了較好的效果。
參考文獻
[1]閉小梅，閉瑞華. KNN算法綜述[J].科技創新導報. 2009（14）
[2]李秀娟. KNN分類算法研究[J].科技信息. 2009（31）
地質雷達范文4
【關鍵詞】地質雷達；巖溶地質勘察；工作原理分析；電磁波特征分析
前言
巖溶地區的地質勘察工作有其特殊性，勘察的目的是為設計和施工提供工程地質依據， 是保證巖土工程質量的重要因素。特別是對地下隱伏地形分布情況的勘察， 如位置、范圍、分布、深度等， 為工程的順利進行提供了可靠的地質資料。結合不同工程地質條件， 選擇適宜的勘察方法， 也是物探工作的基本原則之一。巖溶地形勘察的常規物探方法有直流電法、瞬變電磁、地質雷達等， 其中， 地質雷達方法能夠對地下介質電性、完整性、含水性等特征的差異， 做出敏感反應， 且具有采集方便， 速度快， 易于調整， 適應性強， 對工作條件要求不高， 有較強的普適性等特點， 因此更適用于巖溶地形勘察。作者在本文中， 主要從巖溶地區電磁波反應特征的角度， 來介紹巖溶地形的地質雷達勘察技術。
1 工作原理與方法
地質雷達方法是一種用于確定地下介質分布的廣譜電磁波技術，其利用一個天線向地下發射無載波電磁脈沖，另一天線接收由地下不同介質界面的反射回波。高頻電磁波在介質中傳播時， 其路徑、電磁場強度和波形， 將隨所通過介質的電性特征及幾何形態而變化， 故通過對時域波形的采集、處理和分析， 可確定地下界面或目標體的空間位置及結構。地質雷達的探測原理與淺層地震相似， 在探測過程中， 它通過發射天線， 將高頻電磁波（ 10MHz～1GHz） ， 以寬頻帶脈沖形式定向送入地下。電磁波在地下介質傳播的過程中， 當遇到存在電性差異的地下地層或目標體時， 便會發生反射并返回地面， 被接收天線所接收。
地質雷達測量方法有剖面法、寬角法等， 通常采用剖面法， 即發射天線和接收天線以固定間距，沿測線同步移動的一種測量方式， 每個發射周期獲得一個記錄， 見圖1。在一條測線測量完成后， 多次記錄可用時間剖面圖像來表示。圖1橫坐標記錄了天線的移動位置， 縱坐標表示反射波的雙程旅行時間。鑒于巖溶地形的復雜性， 多采用點測的工作方式， 測點點距的確定取決于天線的中心頻率與地下介質的性質。一般來說， 在頻率較低， 介質介電常數較小的情況下， 可適當增加點距， 大致為介質子波波長的四分之一。時窗的選擇受測深和波速的影響， 考慮到速度和目標埋深的變化， 一般根據時窗大小適當增加其值（一般增大30%?。?，以避免溢出。中心頻率和采樣率， 關系到探測的精度和測距的大小， 可根據具體探測目標的埋深及性質來設定， 一般應在工作前通過測試來確定。此外， 考慮巖溶地形的發育特征和對電磁波的吸收能力， 可在測試時進行重復測量和適當改變天線的排列方式。
2 巖溶地形下電磁波反應特征
在不同工程地質條件下， 電磁波傳播的反應特征各不相同。巖溶地形下的電磁波傳播， 往往呈現出較強的差異性和不規則性， 在進行巖溶勘察時，需充分了解電磁波的反應特征， 包括電磁波的衰減、速度、距離特征， 以及交界面反射、介質含水量特征和波形的曲線特征等。
2.1 衰減特征
由于巖溶地區地質條件非常復雜， 地下地形千姿百態， 因此其衰減特征也特別明顯。高頻電磁波的傳播可以用一組麥克斯韋方程來表示， 考慮到高頻電磁波在地下有耗介質中傳播時電能損失，介電弛豫特性， 以及磁導效應對電磁波能量衰減的影響， 考慮用德貝爾函數表示衰減因子：
（1）
（2）
（3）
（4）
（ ） （5）
其中 E 為電場強度矢量； B 為磁場強度矢量； D為位移電流矢量； H 為磁場密度矢量； 為電流密度矢量（無源時 = 0）??； 為衰減函數， 類似于黏彈性介質中的響應函數； 為真空中的介電常數（ = 8.85×10- 12 F·m- 1 ）?。?為高頻條件下相對介電常數； 為低頻條件下的相對介電常數； σ為電導率； 為磁衰減函數； 為真空中的導磁率； 為高頻下的導磁率； 為松弛時間； L 為衰減函數的總個數。
可以看出， 影響電磁波傳播的參數包括介質的導磁率、電導率、介電常數、松弛時間等， 由于對電磁波來說， 地下介質屬于有耗介質， 這些參數影響著電磁波的能量、走時和形態。
在巖溶地區， 由于介質的電磁特性變化較大，電磁波的衰減特性很難進行量化， 對于介質磁性和導電性較差的地區而言， 電磁波的衰減速率大致隨電導率和導磁率的增大而增加， 隨介電常數的增大而減小， 電磁波的吸收特性可近似描述為：
（6）
其中β為吸收系數， 它能夠反應電磁場強度在傳播過程中的衰減速率。
在理想條件下， 通過對介質相對介電常數、電導率、導磁率等參數的確定， 能夠大致推斷出電磁波在介質中的衰減特征。
2. 2 速度與距離特征
由電磁波的傳播特性可知：
（7）
其中 為相位系數， 即單位距離波的弧度； λ為波長； 為電磁波的頻率； ω為角頻率。由此得到：
υ=ω/α （8）
可以看出， 相位系數是決定電磁波速大小的因素， 而相位系數受介質電導率和介電常數影響， 而且受影響的程度隨著頻率的變化而有差異。對于介質磁性和導電性較差的地區而言， 電磁波的傳播速度可近似表示為：
υ=c/ （9）
其中 c為電磁波在真空中的傳播速度； ε為相對介電常數； μ為介質的相對磁導率， 其值一般取1。
在進行結構層厚度和地質體埋深的勘察中， 需要了解地下結構層的介電常數， 可通過雷達反射波幅來進行推導。確定方法如下： 反射面上層下層材料的介電常數， 與界面的反射系數R 之間存在一定關系：
（10）
式中 、 分別為上層和下層的介電常數； 是上層反射系數， 它是反射波幅A 與全反射波幅Am 的比； 〔 〕是上一層在反射過程的能量損失。當表層面反射時， 上層空氣的介電常數1， 忽略反射層能量損失， 依次類推， 可求出不同層的介電常數。
電磁波在地下介質傳播的過程中， 當遇到不同的結構層或地質體時， 部份能量發生折射， 其余能量發生反射并返回地面。由于電磁波在各不同介質中的傳播速度V不同， 根據發射器和接收器所接收的反射波信息， 可獲得雷達脈沖在地下傳播過程中的雙程旅行時間T ， 于是有式（ 11）， 并由此來推算地層厚度或埋深信息。
（11）
2.3 交界面反射特征
利用地質雷達探明溶洞或地層交界面的基本原理， 是利用交界面對高頻電磁波反射信號的影響來判定。界面介質的異常， 往往會導致反射電磁波的波形異常（如強反射、夾層反射和繞射等） ， 由此便能夠判斷出交界面地質體的性質、大小和分布情況。
在檢測時， 當電磁波垂直入射時， 反射系數R和折射系數T 可以用式（ 12）來表示。
（12）
式中 、 分別為上、下介質的介電常數。一旦結構層出現變化或遇到空洞和裂隙等， 便會出現明顯的異常特征反射， 并反映在雷達資料上。
2.4 含水量特征
覆蓋層和結構層的含水量特征， 是判斷巖溶地形發育狀況的重要因素， 也是電磁波圖像識別的重要輔助手段， 可根據介電常數與含水量之間的關系測得該層的含水量。設 、 、 、 分別為水、固體、結構層和空氣的密度， 、 、V、 分別是水、固體顆粒、結構層和空氣的體積， 、 、 分別為水、固體顆粒和基層的容重（忽略空氣容重），則有：
其中， 固體顆粒的干密度 為測定值， 那么， 結構層含水量取決于水的體積百分比N 1。此時， 便可以按照前面所述的， 利用地質雷達的方法來測含水量的基本原理， 根據介電常數與含水體積之間的關系， 可以測得該層的含水量。
2.5 曲線特征
巖溶地形由于其表面的復雜性和發育的不規則性， 且對電磁波吸收能力較強， 往往會對雷達的成像效果產生較大影響。加之偶極子源的輻射場是一種球面波， 在接收器接受電磁波的過程中， 會受到不同程度干擾波的影響， 致使巖溶地形雷達波曲線往往具有干擾多、衰減快、特征弱的特點， 為雷達波的圖像特征識別增加了難度。因此， 在進行巖溶地形電磁波曲線特征識別時， 應最大限度地了解數據的采集環境與地質條件， 熟悉各種巖溶地形的成像特征以及電磁波的反射特征。
一般來說， 地下不同介質的介電常數差別較大， 會導致反射能量迅速增加， 交界面圖像反射特征明顯， 在局部或某方向范圍內成像有較大差異。
如果不同介質的分界面比較光滑和規則， 則反射波走時比較穩定， 在圖像上會形成一道細密的波形；如果介質表面很復雜， 特別是在裂隙和破碎帶， 波形會變得很雜亂， 受反射延遲的影響， 反射波范圍較大， 交界面特征不明顯。
在電磁波傳播過程中， 如果遇到裂隙、斷裂破碎帶， 特別是充水溶蝕破碎帶， 波形往往會發生突變， 邊界反射信號明顯， 反射波同向軸位置發生錯動， 而且由于地層破碎， 使斷裂帶內部對電磁波的吸收增強， 內部反射波強度會減弱。如果地下裂縫、裂隙沿橫向發展、發育， 那么由于其對雷達反射波的吸收和衰減作用， 往往使得在裂縫、裂隙的發育位置造成可連續追蹤對比的雷達反射波同相軸局部缺失， 而缺失的范圍與地下裂縫、裂隙的橫向發育范圍及大小有關。
由于溶洞與周圍介質物性差異明顯， 容易在邊界形成反射， 且反射形狀能夠大致反映溶洞的位置和大小， 充填型溶洞往往邊界反射非常明顯。溶洞內部反射特征與內部充填介質的類型、規則性和均勻性有關：
如果填充物比較單一或填充物較集中，則內部會表現出反射信號弱或反射信號被吸收的特征； 如果內部空間表面起伏較大、連續性不好， 則會引起多次反射和繞射， 形成多次波或繞射波。
斷裂破碎帶、溶蝕裂隙、裂縫等對電磁波的吸收作用很強， 往往會使反射波能量的衰減在時間剖面上表現明顯， 這是判斷上層構造發育的重要依據。此外， 在勘察過程中， 電磁波會受地表溶溝溶槽、地形突變、覆蓋物、出露灰巖， 以及地下隱伏不規則體的影響， 出現不同類型的干擾波。根據干擾介質、干擾類型、中心頻率或采樣率的不同， 這些干擾波往往會導致電磁波曲線呈現出傾斜線形， 上下錯動形，“V”形或“X”形震蕩反應， 這些主要體現在振幅和同向軸的變化上。干擾的識別和判斷一方面是依靠勘察人員的工程經驗， 而在更大程度上是依靠對勘查區地質情況的深入了解和分析。
地質雷達范文5
關鍵詞：地質雷達；高頻電磁波；背景噪聲；介電常數
1.前言
青島市重慶路快速路改造工程是青島市建國以來投資建設規模最大、投資最高的城建項目。為了給工程設計提供可靠依據，須對工程沿線及相交路口現狀地下管線進行探查。重慶路為南北走向，在道路東西兩側，布設著4條自來水管線，材質為砼，埋深在1.5米左右，埋設在第四系的砂土和粘土中，由于上述管線材質決定了與周圍地層密度、濕度的不同，存在明顯的物性差異，具備了開展地球物理工作的前提。
2. 地球物理特征
本次雷達探測的目標管線體，一般埋深比較淺，深度在0.6m～2.0m之間。管線周圍介質為回填土、沙土和粘土等，管道上方鋪有壓實路面結構層，如三合土、混凝土、瀝青路面、方磚等，需要探測的管線一般管徑為1.0m～2m，管線內的介質為液體、氣體等，管線體主要為砼和鑄鐵，所以從表1中能得出目標管線體與周圍介質的介電常數有明顯的差異。
表1探測場地地下介質介電常數一覽表
本次工程采用的儀器為美國產SIR-20型地質雷達，中心頻率270MH天線。資料的內業處理解釋工作使用地質雷達RADAN6.0版本進行數據處理。
3.工作方法原理
地質雷達是一種使用高頻電磁波探測地下介質分布的非破壞性探測儀器。它通過剖面掃描的方式獲得地下剖面的掃描圖像。雷達通過在地面上移動的發射天線向地下發射高頻電磁波，在地下旅行的電磁波遇到不同的電性界面時，就會發生反射、透射和折射。電介質間的電性差異越大，反射回波能量也越大。反射到地面的電磁波被與發射天線同步移動的接收天線接收后，通過雷達主機精確地記錄下反射回波到達的時間、相位、振幅、波長等特征，再通過信號疊加放大、濾波降噪、圖像合成等數據加工處理手段，形成地下剖面的掃描圖像。通過對雷達圖像的判讀，便可得到地下目標物的分布位置和狀態。本次探測工作采用GPR反射波剖面法，采用連續測量方式，介電常數取為15。探測時采用中心頻率為270MHz的天線，濾波為70～700MHz。
4.地質雷達資料的處理方法及解釋成果
在地質雷達資料解釋時，首先在計算機上采用地質雷達處理軟件對外業采集的原始數據進行有效的各項校正。消除了地形起伏變化對單道記錄的影響和各種干擾雜波，恢復了由于球面擴散，地下介質不均勻性(如砼管、金屬管、等)的吸收和衰減造成的能量損失，壓制了雷達子波，地下界面噪聲及各種干擾因素，增強了有用反射信號，提高了分辨能力。從而獲得有效的地下介質(界面)的反射波信號，真實地反映了地下管線的賦存狀態及分布。
雷達探測資料解釋包括兩方面的內容：一為數據處理，二為圖像解釋。地下介質相當于一個復雜的濾波器，介質對電磁波的不同程度的吸收以及介質的不均勻性質，使得脈沖波到達接收天線時，波幅被減小，波形變得與原始發射波形有較大的差別。另外，不同程度的各種隨即噪聲和干擾波，也歪曲了實測數據。因此，必須對接收的信號實施適當的處理，以改善數據資料，為進一步解釋提供清晰可辨的圖像。
電磁波與彈性波在介質中傳播存在本質的差異，只是電磁波的動力學特征（反射、折射及繞射等）與彈性波相似，這就導致了地震數據處理技術應用到探地雷達數據處理時所表現出的局限性和不準確性。本次工作中意識到這一點，所以，在野外獲得準確的原始圖像的基礎上，只針對具體的雷達圖像做了相應的處理。如在地下介質均勻的地段，做了偏移處理，是雙曲線兩葉上的能量回歸到頂點還是那個；有的做了反摺積，消除了天線的瞬變和多次反射，提高了數據的垂向分辨能力；有的只做了水平濾波處理，以便消除背景噪聲等；經處理后的雷達圖像，清晰可辨。
雷達圖像解釋的第一步是識別異常，然后進行地質解釋，對于異常的識別在很大程度上基于地質雷達圖像的正演結果。對于管線的標準異常特征是：頂部附近出現雙曲線型繞射波。其水平定位是取異常的中心，埋深估算是取最上面異常的頂點的雙程時。
5.管線地質雷達探測資料解釋
本次管線地質雷達探測的剖面均布置在該測區的重慶中路段的東西兩側，剖面由南至北依次布置。
9#剖面：在地質雷達剖面的2.28m處，深度0.90m處；4.40m處，深度0.90m處發現異常，確定為目標管線。
9#剖面雷達影像圖
6.結論
本次雷達探測，共完成32條雷達剖面（重慶中路西側20條，東側12條），對63處地下管線進行準確定位，取得了良好的探測效果，達到了預期的目的。
參考文獻
[1]李大心. 探地雷達方法與應用[M ]. 北京: 地質出版社, 1994
地質雷達范文6
[關鍵詞]城市道路檢測；MALA地質雷達；應用價值
城市化迅速發展背景下，由于城市道路的建設需求大，使用的要求也不斷提高，保障城市道路的建設質量就成為比較關鍵的因素。城市道路施工工藝以及車輛碾壓和材料應用等相應的因素，都會對城市道路質量產生影響，造成各種病害發生，這對居民日常出行也會造成直接影響，所以在對城市道路檢測工作的開展方面是比較重要的，只有運用科學的檢測技術，才能有助于提高道路檢測的質量，為實際檢測工作的順利開展打下堅實基礎。
1.城市道路缺陷狀況以及常見檢測方法
1.1城市道路缺陷狀況
城市道路的缺陷問題原因是多方面的，交通負荷量過大，使得交通擁擠堵塞，對路面結構會形成很大的破壞，城市化發展背景下，保障城市道路的質量安全愈來愈重要，為能有效提升道路的建設質量，要對道路缺陷的發生原因進行了解，從而才能有助于在預防方面針對性實施[1]。城市道路的缺陷類型多樣，而出現缺陷的問題也是多樣的，路基的不密實的缺陷問題是比較重要的缺陷類型，主要是路基開挖和施工時候，機械擾動以及生產質量沒有得到有效控制，造成了擾動，這就造成大范圍地層發生松散以及塌陷的問題。再者，頂部脫空的問題也是比較常見的，這一缺陷問題主要是地下工程施工擾動所致，或者是路基在壓實的時候存在局部不均勻沉降造成，對這一缺陷問題要充分重視，避免受到該因素影響對道路的質量產生很大程度的威脅。另外，道路塌陷的缺陷問題，主要是地表路基以下的巖土體在單獨自然以及人為或是兩者作用下結構產生陷落，在地面形成塌陷坑，這一缺陷問題對人身安全也會造成很大程度威脅。
1.2城市道路缺陷常見檢測方法
為能保障城市道路的安全，這就需要在對道路的缺陷檢測過程中能加強方法的科學化選擇，只有在選擇合適的檢測方法基礎上，才能真正為城市道路檢測的質量控制打下基礎[2]。道路的檢測采用無損檢測的方式是比較關鍵的，這也是首選的檢測方式，無損檢測的方法中有電法以及磁法等檢測的技術，但這些檢測技術的應用都有著各自的優勢和不足。如以下常用的道路缺陷檢測方法的應用：
1.2.1電法常用檢測方法城市道路缺陷檢測的過程中，選擇無損檢測采用電法檢測的技術是比較常見的，這一檢測技術的應用能有助于獲得精細的大尺度城市內部隱伏缺陷，像是結構以及斷層產狀等都能進行有效檢測。施工效率比較更好，二次觀測以及對低阻體比較靈敏，現場布置也比較迅速，能結合具體的需要通過多種電極布設的方式，二次開發軟件相對比較常數[3]。這一檢測的方法有不同的類型，如高密度電法以及電阻率層析法等。但該檢測技術在實際應用中也有著一些不足，主要體現在觀測的結果過多造成故障率增大，研究提存在尺寸效應相應問題。
1.2.2磁法常用檢測方法城市道路檢測中采用磁法的方式也是比較常用的，通過這一檢測方法的應用，主要的優勢就是能粗略了解深部的地質結構特征，尤其是大尺度的斷裂識別能發揮積極作用，能對確定城市地質區塊便捷，以及識別城市內大型大構造等發揮積極作用。該檢測方法也有著不同的技術類型，如EH4電磁法以及（CSAMT）、MT大地電磁法等等，這一檢測技術的應用也存在著一些不足之處，主要體現在淺部地質結構特征以及小規模構造分別能力差上，檢測的精度有限[4]。
2.MALA地質雷達在城市道路檢測中應用原理及實踐
2.1MALA地質雷達應用原理
城市道路的檢測過程中對MALA地質雷達的應用，是按照相應技術原理開展的，MALA地質雷達應用中是向地下勘探的目標進行發射高頻脈沖電磁，進行探測目標體，這樣在電磁波介質中傳播的時候，路徑和電磁場強度等受到介質電性性質和幾何形態的因素影響，接收到的介質界面反射波的幅度以及旅行時間等結合之下進行分析介質結構[5]。電磁波傳播和介質電性之間有著緊密的聯系，介質電性有電導率μ以及介電常數ε，電導率μ影響電磁波穿透深度，介電常數ε對物體中傳播的速度產生影響，電性界面是電磁波傳播速度界面，不同地質體的電性是不同的，不同電性地質體分界面會有不同回波，通過下圖1能夠對MALA地質雷達的應用工作原理進行了解。MALA地質雷達的應用過程中在雷達天線的作用下，能對隱蔽目標全斷面掃描，獲得垂直二維剖面圖像，工作過程中系統在天線的作用下向地下發射電磁波，信號在介質內部傳播，遇到介電差異大的介質界面發生反射，以及折射等。兩種介質的介電常數差異通常是比較大的，反射電磁波能量大，反射會的電磁波被和發射天線同步移動接收天線接收，雷達主機進行精確記錄反射回的電磁波運動特征[6]。采用信號技術進行處理，這樣才能有助于形成全斷面掃描圖，在這一圖的基礎上工作人員能對雷達圖像判讀，能對地下的目標物狀況進行進行了解，對道路的狀況能進行相應的了解。
2.2MALA地質雷達在城市道路檢測中的應用實踐
城市道路檢測工作的開展過程中，要注重在應用MALA地質雷達的時候能夠做到科學合理，嚴格按照技術應用的要求進行落實，從整體上保障MALA地質雷達的應用質量，從以下應用實踐方面加強重視：
2.2.1注重布線測量工作的實施城市道路檢測過程中采用MALA地質雷達進行檢測，在前期的準備工作要完善，能夠保障現場的布線測量工作和實際工作的要求相適應，從而才能真正為后續的各項工作開展打下堅實基礎。布線測量工作的實施中，對于現場探測范圍要明確，探測區域覆蓋現場的隱患以及探測的深度等要明確，結合擬建的標段工程特征以及相應的管控對象巖土工程特征，進行針對性布置，在布置的時候按照最小工作量達到最佳管控的效果目標開展。地質雷達法的應布置用通常結合異常點類型以及空間位置，通過井字型布置原則進行落實，縱橫分布兩條測線，將管控探測的各項工作進行完善，原則上布置四條測線，月入過是由于環境條件以及工程需要，測線布置要能結合現場的狀況做好相應調整，只有在布線測量工作方面加強質量控制，才能為后續的正式檢測以及成果的精確獲得打下基礎。
2.2.2注重探測成果的有效處理MALA地質雷達在道路檢測中應用的時候，要注重在成果的處理分析環節加強質量有效控制，如在原始數據的處理環節是比較關鍵的點，保障這一環節的處理質量效果，才能有助于為道路的檢測結果的準確獲得打下基礎。原始數據的處理需要應用Reflexw軟件，能有助于就采集數據高效處理，在處理的時候要注重按照相應的操作步驟實施，去直流漂移，以及信號深部振幅常數偏移，然后進行靜校正切除，找到時間零點，增益操作過程中主要是就圖像深部信號放大處理[7]。然后水平噪聲去除，將水平信號去除，對于有直達波信號和固定源干擾要注重將其調整成一致的信號，設置100值，之越小水平信號去除的效果就越好。整體平均去除水平信號能力弱。然后要注重采用巴托沃斯帶通濾波的操作方式，去除整個信號頻段范圍沒有用的頻段信號，高截頻以及低截頻選擇，做好噪音的消除工作。通過在檢測的成果處理環節保障其質量，就能有助于從整體上提高道路檢測中MALA地質雷達應用的效果，從整體上提升道路檢測的質量水平。
2.2.3MALA地質雷達應用案例為能夠說明MALA地質雷達在道路檢測當中的應用效果，通過MALA地質雷達的應用案例的效果進行說明。某交通道路施工中，路面發現有明顯沉降的缺陷，需要物探測量對沉降原因做好相應分析工作，并能準確判斷?，F場發生沉降位置是在車道的中間，只能是通過平行于車道布線的方式，采用MALA地質雷達的方式，天線頻率250MHz，足底探測的深度在十米左右，檢測的時候按照車道方向發生地面沉降位置水平進行布置等間距四條測線，測線長度每個二十米，結合現場測得的數據進行處理，通過相應的處理效果圖能發現，距離起點15m的前后有長度5m異常區域，這一區域電磁波的反射信號值是最多的，呈現近似水平帶狀的分布，有多次反射信號，能夠推斷是地下脫空。鉆孔驗證是存在空洞問題，然后最終采用灌漿處理的方式進行應對。
3.結語
