地质雷达在隧道超前地质预报中的波形研究

　　摘要：地质雷达探测具有精度高、快捷、无损探测等诸多优点，是自九十年代中期近年来发展较为迅捷、效果突出的超前地质预报方法之一，并在各种工程中得到了大面积应用。本文简述了地质雷达的工作原理、资料处理及成果解释，结合工程实例，分析了各种不良地质现象的雷达波特征。
　　关键词：地质雷达；探测；超前地质预报；不良地质
　　
　　
　　0引言
　　现代隧道建设的一个基本特点就是：“动态设计、动态施工”。因此，实时地进行掌子面超前地质预报对隧道的安全、快捷施工具有非常重要的作用。地质雷达探测是近年来应用于短距离超前地质预报较为普遍的一种物探手段。其特点是快速、连续测量、并以实时成像的方式显示探测结果而备受青睐。
　　1地质雷达探测的基本原理
　　地质雷达（GPR）方法是一种用于确定地下介质分布的广谱电磁波技术。在前方探测范围内无大量铁磁性物体干扰的情况下，可采用探地雷达理进行探测。地质雷达利用天线向隧道掌子面前方发射电磁脉冲，并接收由前方不同介质界面的反射波。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（如介电常数εr）及几何形态的变化而变化。根据接收到的回波时间、幅度和波形等信息，可判定地下介质的结构与埋藏体的位置与形态。原理如图1所示。
　　在探测范围无大量铁磁性物体干扰的情况下，主要采用地质雷达电磁波的反射原理进行测试：高频电磁波以宽频脉冲的形式，通过发射天线定向送入地下，经过存在电性差异的地下地层或目标体的反射后埋深：
　　
　　其中，-目标体埋深；-电磁波双程走时；-介电常数；-电磁波在真空中的速度
　　
　　图1地质雷达工作原理示意图
　　2野外探测技术
　　2.1探测对象的分析
　　探测对象所赋存的地质条件和埋深是影响地质雷达探测效果至关重要的因素。探测对象的几何形态，包括高度、长度、宽度等也影响探测的效果，因为探测对象的几何尺寸决定了雷达系统可能具有的分辨率，关系到天线中心频率的选择。再者，被探测对象的导电率和介电常数等也需掌握，因为这将影响到对能量反射或散射的识别。此外，在探测区域不应存在大范围的金属构件和无线电射频源，以免外界的干扰。
　　2.2工作参数的选择
　　对于地质预报而言，各种介质的介电常数及传播速度是不同的，而探测深度与所使用的天线中心频率有直接的关系，天线频率越高，探测深度越小，精度越高，反之亦然。在隧道超前预报中通常采用38～150M天线，其他参数的选择，应根据实际情况决定，并应根据地域不同进行多次试验后确定其最优探测参数。
　　3资料处理及解释
　　在地质雷达探测中，为了得到更多的反射波特征，通常利用宽频带进行记录，因此在记录到各种有效波的同时，不可避免地记录下了许多干扰噪声。通过对数据处理，达到消除或压制干扰波，突出有效波，真实反映所测数据，进行有效解释的目的。
　　经过雷达数据预处理，还要进行一系列的数字化信号处理，常规信号处理包括：漂移去除、零线设定、背景去噪、增益、谱值平衡、道间平衡、滑动平均、混波处理、单道漂移去除等，再进行成果解释。
　　地质雷达图像的解释有定量和定性两种，定量解释主要是对异常体距掌子面的距离及大小进行判定，定性解释主要是对掌子面前方溶洞、裂隙、破碎带、断层、结构面等不良地质类型及其形态规模进行判断。
　　4雷达波形特征分析
　　不同的隧道，由于其岩石差别，其雷达探测的时间剖面差别很大。但各种雷达图像的特征也有其规律可循，只有掌握了各种异常形态的特征，才能对各种不同岩性的隧道探测进行正确的判断，下面根据厦蓉高速公路贵州境桂黔、肇兴隧道的超前预报结果，列出几种典型的雷达波形态特征
　　5结束语
　　通过对两隧道雷达波进行分析，完整岩体与相对破碎岩体之间、含水量不等的岩体之间存在较大的电学性质差异，具有良好的地球物理测试条件。因此，我们在开挖过程中采用地质雷达预报掌子面前方不良地质体和富水带是可行的。
　　通过地质雷达预报成果与开挖揭露地质情况综合对比，地质雷达对岩体中存在的不良地质体、地下水及围岩类别预报准确度较高。该预报给施工提供大量的具有指导意义的结论与建议，减少工程中因围岩条件变化而带来的灾害性事故。
　　参考文献
　　（1）黎志光，刘基，地质雷达对隧道支护体系缺陷的探测应用分析，公路交通科技，2006，06：128-131
　　（2）邓居智，莫撼，刘庆成，探地雷达在岩溶探测中的应用，物探与化探，2001，12：474-476