（道路与铁道工程专业论文）探地雷达系统优化及在隧道地质超前预报中的应用研究.pdf

摘要 隧道前方地质情况的预报是国内外工程地质和隧道工程界关注而又没有得到很好 解决的难题，而探地雷达是近几十年发展起来的一种无损探测技术，与其它常规的探测 方法相比，具有高效、快速、连续、无损、抗干扰能力强、操作方便、低成本和高分辨 率成像等特点，关于探地雷达的研究一直是学术界和工程界的热点之一。 本文根据雷达探测理论，从探测能力、参数设置、剖面解释技术等方面分析了探地 雷达应用于公路隧道不良地质超前预报的可行性；基于电磁波在介质中的传播理论，建 立了电磁波的波动方程、偶极子天线的电磁场、电磁波的时间场与空间场等，研究了雷 达波在非均匀介质中传播的反射、折射、透射与散射绕射等基本规律，总结了高频电磁 场下岩土介质的电磁特性以及雷达波在不同岩层中的传播与衰减规律；针对隧道内探测 环境的特点，对雷达探测的数据采集和显示模式进行分析，并给出波形修正、时变增益、 噪声抑制处理、直达去除等数据处理的原理和方法；开发了s i r - 2 0 型号探地雷达的数 据读取接口，并针对隧道内周围环境对雷达信号的特殊干扰，把小波分解去噪和k - l 变 换成功地应用到探地雷达信号的后处理；基于探地雷达电磁波在介质传播中波动性质， 从成像的原理和算法上进行分析，建立了克希霍夫积分法、有限差分法和频率波数域法 的实时雷达剖面成像技术，并实现了实时应用。 论文结合山西大运公路介休至霍州段改建工程第三合同段灵石隧道，应用探地雷达 对该隧道施工过程进行全线跟踪检测。结果表明：探地雷达技术能够适应多变的地质条 件，对于预报隧道前方不良地质比较可靠。 关键词：隧道工程探地雷达不良工程地质小波变换成像技术 a b s t r a c t p r e d i c t i o no fg e o l o g i c a lc o n d i t i o n si sah i g h l yc o n c e r n e db u th a r dt od e a l 、析t 1 1p r o b l e m b e f o r ee x c a v a t i o no ft u n n e li ne n g i n e e r i n gg e o l o g ya n dt u n n e le n g i n e e r i n gb o t ha tc h i n aa n d a b o a r d b o u n dp e n e t r a t i n gr a d a ri san e w l yd e v e l o p e dn o n d e s t r u c t i v ed e t e c t i o nt e c h n i q u e c o m p a r e dw i t hr o u t i n ed e t e c t i o n s ，i ti se f f e c t i v e ，f a s t ，c o n t i n u o u s ，n o n - d e s t r u c t i v e ，a n de a s y f o ro p e r a t i o nw i t hg o o da n t i - i n t e r f e r e n c e ，l o wc o s ta n dh i g hr e s o l u t i o ni m a g i n g b o u n d p e n e t r a t i n gr a d a rh a sb e c o m eo n eo ft h em o s ti m p o r t a n tf i e l d sf o rs t u d yi ne n g i n e e r i n g b a s e do nt h er a d a rd e t e c t i o nt h e o r y , f r o mi t sd e t e c t i o nc a p a b i l i t y , p a r a m e t e r ss e t t i n g ，a n d p r o f i l ee x p l a n a t i o n ，t h i sp a p e rs t u d i e dt h ef e a s i b i l i t yf o ra p p l i c a t i o no fg r o u n dp e n e t r a t i n g r a d a ri n t ot h ep r e d i c t i o no fu n f a v o r a b l eg e o l o g i c a lc o n d i t i o n si nh i g h w a yt u n n e lc o n s t r u c t i o n t h et h e o r e t i c a lp r i n c i p l eo fg r o u n dp e n e t r a t i n gr a d a ri st h ep r o p a g a t i o no fe l e c t r o m a g n e t i c w a v e t h r o u g hm e d i a a c c o r d i n g t ot h i s t h e o r y , e l e c t r o m a g n e t i c w a v e e q u a t i o n , e l e c t r o m a g n e t i cf i e l do fd i p o l ea n t e n n aa n dt i m ef i e l da n ds p a c ef i e l do fe l e c t r o m a g n e t i c w a v ew e r ea l le s t a b l i s h e d t h i sp a p e ra l s os t u d i e dt h er e f l e c t o r , r e f r a c t i o n , t r a n s m i s s i o n , s c a t t e r i n ga n dd i f f r a c t i o no fr a d a rw a v ep r o p a g a t i o nt h r o u g hi n h o m o g e n e o u sm e d i a i t s u m m a r i z e dt h ee l e c t r o m a g n e t i cp r o p e r t i e so fe l e c t r o m a g n e t i cf i e l do fh i g hf r e q u e n c y t h r o u g ht h em e d i u mo fg r o u n d ，a n dt h ep r o p a g a t i o na n dw e a k e n i n go fr a d a rw a v et h r o u g h d i f f e r e n tt e r r a n e s f o rt h es p e c i a ld e t e c t i o nc i r c u m s t a n c eo ft u n n e lc o n s t r u c t i o n ，a n a l y s e sa t t h ed a t aa n dd i s p l a ym o d ew e r ep e r f o r m e d d a t er e a d i n gi n t e r f a c eo fs i r - 2 0g r o u n d p e n e t r a t i n gr a d a rw a sd e v e l o p e d a st ot h ei n t e r f e r e n c et ot h er a d a rs i g n a l sb ys u r r o u n d i n go f t u n n e l ，w a v e l e tr e s o l u t i o nf o rn o i s es u p p r e s s i o na n dk - lt r a n s f o r m i n gw e r es u c c e s s f u l l y a p p l i e di np o s tt r e a t m e n to fg r o u n dp e n e t r a t i n gr a d a rs i g n a l s b a s e do ne l e c t r o m a g n e t i cw a v e p r o p e r t i e so fg r o u n dp e n e t r a t i n gr a d a rt 1 1 r o u g hm e d i a , a n a l y s i sw a sp e r f o r m e do nt h ei m a g i n g t h e o r ya n da r i t h m e t i ct oe s t a b l i s hk i r c m o f fi n t e g r a lm e t h o d ，f i n i t e d i f f e r e n c em e t h o da n d f r e q u e n c y - w a v e n u m b e rd o m a i nm e t h o d i t sr e a lt i m ea p p l i c a t i o na l s oc a m et r u e b a s e do nt h ed e t e c t i o nw i t h g r o u n dp e n e t r a t i n g r a d a rf o rw h o l el i n g s h it u n n e l c o n s t r u c t i o n , w h i c hi sas e c t i o no fh i g h w a yr e c o n s t r u c t i o nf r o mj i e x i ut oh u o z h o u t h e r e s u l t ss h o wt h a tg r o n n dp e n e t r a t i n gr a d a rc a nb eu s e di nv a r i o u sg e o l o g i c a lc o n d i t i o n s i ti s r e l i a b l ef o rt h eu n f a v o r a b l eg e o l o g i c a ld i s a s t e rp r e d i c t i o ni nf r o n to ft u n n e lf a c e k e yw o r d s ：t u n n e le n g i n e e r i n g ；g r o u n dp e n e t r a t i n gr a d a r ；u n f a v o r a b l eg e o l o g i c a lc o n d i t i o n ； w a v et r a n s f o r m ；i m a g i n g 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作槲：卢1 叫 2 啷椭枷日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) ：声 导师签名： 2 0 0 9 年苦月跏日 2 0 0 9 年，月枷日 长安大学博士学位论文 第一章绪论 隧道工程施工阶段开挖前方不良工程地质预报是指：根据隧道开挖揭示的洞身围岩 条件的变化趋势和采用各种探测手段对隧道施工掌子面前方地质情况进行探测，同时结 合洞外地质调查、掌子面素描结果和预报人员地质经验，对隧道施工掌子面前方可能遇 到的不良地质体及由此可能发生的地质灾害的性质、分布位置、规模的做出预测。目前， 隧道施工阶段开挖前不良工程地质预报主要采用超前平行导坑、地质法、地球物理探测 方法和以地质法为基本结合物探的综合方法。近年来，在各级领导的重视和众多专家的 呼吁下，长大隧道施工阶段开挖前不良工程地质预报工作作为施工工序的一个重要组成 部分已经在许多隧道工程招标文件中明确要求并得以实施。 1 1 研究的背景和意义 2 0 世纪9 0 年代以来，中国进入了交通、水利、城市等行业的大型基础工程设施建 设快速发展的时期，尤其是1 9 9 8 年实施积极的财政政策以为来，基础设施建设投资数 量之大、开工项目之多举世瞩目；2 0 0 8 年为了应对世界经济危机，国务院研究部署加 大投资，进一步扩大内需促进经济平稳较快增长的措施，计划到2 0 1 0 年底约需投资4 万亿元，并且在促进经济增长的十项措施中明确指出要加快公路基础设施的建设、完善 高速公路网，国内的公路交通建设将迎来第二个春天。在这种大环境下，公路建设快速 发展，据统计数据，“十五 期间累计完成交通固定资产投资2 1 万亿元，是“九五” 期间完成投资的2 2 倍；在“十五 期间，建成高速公路2 4 7 万公里，是“七五”、“八 五”和“九五”建设高速公路总和的1 5 倍，仅在2 0 0 6 年，全国就新增高速公路通车 里程6 7 1 7 公里；截至到2 0 0 7 年底，我国公路车总里程达1 9 3 0 5 万公里，其中高速公 路公路通车里程达4 5 万公里；根据国家高速公路网规划，到2 0 2 0 年我国将建成高 速公路8 5 万公路，每年将以新建4 0 0 0 - 5 0 0 0 公里的建设速度在继续发展。 大规模的公路建设中，隧道是其中重要的组成部分，尤其是近年来人们对耕地和环 境观念的重视，以及高速公路对线型和坡度的特殊要求，隧道己成为高速公路越岭的最 优方案。而我国是一个多山国家，西部腹地更是山岭重重，山岭隧道在我国交通建设中 占有很大比例，并且出现了大量的隧道群和长隧道，据( 2 0 0 4 年公路水路交通行业发 展统计报告，截至2 0 0 4 年底，我国已建成的公路隧道总长达1 2 0 0 公里以上，占高速 第一章绪论 公路总里程的3 5 ，并且隧道长度占路线总里程的比例会越来越高，近些年我国已成 为世界上隧道最多、最复杂、发展最快的国家。按照我国高速公路网五纵七横的规划， 在相当长的一段时间内，我国交通建设的重点仍将是加快高速公路的修建和中西部高速 公路的建设，在未来的3 0 年中，我国将继续兴建约5 0 0 0 0 公里的高速公路，以形成贯 穿南北和东西的干线网。根据隧道占高速公路总里程的6 估计，这将涉及到修建大约 3 0 0 0 公里长的隧道，可以说，在今后的若干年内，我国的公路隧道工程建设将会继续 保持蓬勃发展的良好势头。目前，我国辽宁、山西、福建、广东、浙江、陕西、云南、 贵州、西藏、四川、重庆、青海、湖南等几乎大多数省市均有大量隧道处于建设中。 隧道是一个线状的隐蔽工程，一些长大隧道往往要穿过多种岩类、多个构造，甚至 跨过几个地质单元，即使同一岩类，工程地质条件也是千差万别，加上人们的认识水平 和勘测手段的局限性，以及投入经费的限制，施工前期勘测所取得地质资料往往十分粗 略和有限，有时难以完全保证施工过程的要求，尤其对于深埋隧道更是如此。主要表现 在以下几方面： ( 1 ) 设计与实际不符 在前期的可行性研究和勘察阶段，受到投入的限制，依据有限的资料所做出的施工 设计与实际不符，有时和实际情况有较大出入。如我国襄渝线大巴山隧道勘察阶段预测 涌水量4 1 4 x l o m 3 d ，但施工时最大涌水量达到2 0 5 5 x l o m 3 d ；川黔线娄山关隧道勘察 阶段预测涌水量6 0 0 x l o m 3 d ，而施工时最大涌水量为1 9 2 0 x l o m 3 d ，相差达数倍之多。 ( 2 ) 总体精度不高 施工前期，由地表勘测工作推断隧道内的地质条件会漏掉的一些不良地质体( 软弱 岩带、断层带、破碎带、溶洞、含水层等) 或者确定不良地质体的位置不够准确，总体 精度不高。如美国科罗拉多州罗伯特隧道，由地面测绘确定的断层和岩脉仅是隧道开挖 中遇到的断层和岩脉的1 9 ，即使是较大的断层和岩脉，测绘确定的也仅是开挖遇 到的1 2 - 4 7 。 隧道施工的主要依据是设计文件，而隧道工程设计的基本依据是地质勘察资料，大 量的隧道工程建设实践表明，由于前期地质勘测资料的缺陷，给后期施工阶段带来许多 预想不到的困难和危害，使施工带有很大的盲目性，可能出现预料不到的塌方、冒项、 涌水、涌泥、岩爆、瓦斯爆炸等灾害，这些事故一旦发生，轻则影响工期，增加工程投 资，重则砸毁机械设备，甚至造成人员伤亡，而且事故发生后的处理工作难度较大。随 着近几年隧道工程数量的增加、规模的扩大，在复杂地质条件下修建的隧道越来越多， 2 长安大学博士学位论文 所遇到的隧道工程地质问题越来越复杂，使这一问题变得更加突出。在施工过程中由不 良地质体导致隧道修建严重受挫的实例在国内外不乏其例，在国外，如威尼斯辛普伦隧 道4 2 m 大变形洞段的额外施工耗费了1 8 个月工期；日本艾那山1 线隧道4 0 0 m 大变形 段用了3 6 个月才得以通过。在国内，如衡广线上的大瑶山隧道中部两公里处突发涌水 涌砂最大涌出量达5 0 0 0 0 f f d ，淹没坑道，被迫停止施工；湖南省内的南蛉隧道，施工 中出现突发性碎屑流，仅1 9 8 4 年1 1 月2 6 、2 7 日两天就涌出流塑状泥7 9 8 6 m 3 堵塞导 洞1 7 7 m ，淹没多台大型机械设备；2 0 0 5 年1 0 月1 2 日，云南路桥公司承包的诸永高 速公路三标段塌方，4 人死亡，1 人重伤；2 0 0 8 年3 月2 8 日，位于北京海淀南路的地 铁l o 号工程苏州东站东南出口发生施工塌方事故，6 名旌工者被埋：2 0 0 5 年1 1 月，天 ( 律) 汕( 尾 国家重点公路建设焦岭广福至梅县城东段项目的广福隧道在施工过程中 发生塌方，隧道里有1 2 工人被困，图l1 为抢救现场。类似的例子举不胜数。 图l _ 1 天汕公路广福隧道塌方抢救现场 因此，在隧道工程勘察设计阶段地质调查的基础上，再进一步开展隧道施工阶段开 挖前方不良工程地质的预报，详细查明掌子面前方的地质情况，是隧道施工方根据实际 地质、水文条件变化及时调整施工方法和采取相应技术措施的需要，是完善设计地质资 料、优化施工方案、指导施工决策和保证施工人员和设备安全的需要，也是隧道运营阶 段地质灾害治理的重要依据。 12 国内外现状 隧道施工期地质预报具有较强的综合性、系统性、未知性、实用性和客观性盼特点， 多年来，隧道工程界一直希望寻求一种简单可行的办法来探明隧道前方的地质情况，公 路工作者在这方面积累了大量的经验。 12 1 隧道前方地质预报现状 第一章绪论 在国外开展此项工作的相对较早，最早采用的不良工程地质预报方法是起源于前苏 联采用的垂直地震剖面法( t v s p ) ，到2 0 世纪3 0 年代为欧美国这所引进，并得到推广。 随着科技的发展，以及人们对隧道施工建设的灾害的进行一步认识，当今在隧道修建技 术比较发达的国家，如英国，法国、日本、德国等国家，对隧道施工过程中的不良工程 地质预报工作非常重视，并将此列为隧道工程建设的重要研究内容，相应出现了许多新 方法和新技术，如t r t ( 地震反射层析成像) 地质超前预仪、高精度地震折射法等来实 施地质超前预报工作。 国内隧道施工阶段的开展此项工作始于2 0 世纪5 0 年代，铁二院在川黔铁路凉风垭 隧道施工过程中，配合地质工程师陈成宗根据隧道施工掌子面的地质情况，开展了施工 前方地质情况的预测预报，预报距离可达到近3 0 米；但真正应用在隧道工程中是在7 0 年代，谷德振等根据矿巷施工进度和掌子面地质性状对矿巷前方断层的进行预报，以防 止引发塌方的成功范例为序，开始了我国隧道施工期间不良工程地质预报的研究和应 用。8 0 年代以来，这项工作才得到长足的发展，在大秦线军都山隧道、京广线大瑶山 隧道、朔黄线长梁山隧道、南昆线米花岭隧道、西康线秦岭隧道，以及渝怀线圆梁山隧 道等工程中，开展了大量不良工程地质超前预报的研究工作，积累了一定的经验，才引 起了工程界普遍的关注；中铁西南科学研究院有限公司和山东大学联合利用国家自然科 学基金委员会、二滩水电开发有限公司雅砻江水电开发联合研究基金资助项目“高压大 流量岩溶裂隙与不良地质情况超前预报和治理”开展岩体温度法隧道施工掌子面前方 含水体位置预测。但是，从目前开展这一项工作的总体来看，效果并不理想，具体针对 公路隧道，开展该项工作尚没有充分重视，即使有的施工单位开展此项工作，但在其成 果充分运用上，都还没有完全真正意义上从超前预报中受益。 1 2 2 隧道前方地质预报方法 从专业的角度，对目前在隧道施工阶段采用的开挖前方不良工程地质预报方法进行 分类，可分为常规地质法和物探法两大类。 1 2 2 1 常规地质法 ( 1 ) 超前导坑法 超前导坑法可分为超前平行导坑和超前正洞导坑。平行导坑法是把小断面导坑布置 平行于正洞，和正洞之间有一定的距离；而正洞导坑法是把导坑布置在正洞中。它们的 作用都是在导坑开挖过程中对遇到的构造、结构面或地下水等情况作地质素描图，通过 4 长安大学博士学位论文 地质素描图对正洞的地质条件进行预报，采用这种方法的优点是：比较直观、精度高， 可以进行长距离预报；同时该方法可以增加工作面，加快施工进度，还可以起到排水减 压放水，改善通风条件的作用。但是采用超前导坑法进行预报也有缺陷：一是成本太高， 有时需要对全洞进行平导开挖i t 二是在构造复杂地区准确度不高。 ( 2 ) 正洞地质素描 地质素描是对开挖面的地质情况如实而准确的描述，素描的主要内容包括地层岩 性、构造发育情况( 含断层、贯穿性节理、夹层或岩脉) 、地下水的出水状态、围岩的稳 定性及初期支护采用的方法等。正洞地质素描超前预报是利用所见到正洞已开挖段的地 质情况预报前方可能出现的不良地质条件。正洞地质素描的优点是不占用施工时间，设 备简单，不干扰施工，出结果快，能提供了完整的地质资料。缺点是对与隧道夹角较大 而又向前倾的结构面容易产生漏报，如对结构面向开挖后方倾斜的断层预报效果较好， 因为断层先在隧道底出露：对于向掌子面前方倾斜的结构面因为先在顶部出现，预报时 效果相对较差。 ( 3 ) 水平超前探孔 水平超前探孔方法是在隧道内安放水平钻机进行水平钻进，根据水平方向上钻进速 度的变化、钻孔取芯鉴定、钻孔冲洗液的颜色、气味、岩粉以及在钻探过程中遇到的其 他情况来推断掌子面前方的地质情况，钻孔的数量、角度及钻孔长度可人为设计和控制， 可以通过直接采集岩芯进行各种抗压强度试验以获取岩石的物理理学特征，也可以通过 钻孔及时释放影响隧道施工的瓦斯和地下水等有害气体和液体。这种方法是一种传统而 可靠的方法，能了解掌子面前方几米、几十米甚至上百米的范围内围岩的工程地质情况， 基本上可以反映前方岩体的大概情况，比较直观。但该方法也存在不足之处：在复杂 地质条件下预报效果较差，很难预测到正洞掌子面前方的小断层和贯穿性大节理，特别 是与隧道轴线平行的结构面，其预报无反映：钻孔与钻孔之间的地质情况反映不出来； 探测速度慢，一次探测距离短，投入费用高，影响隧道正常施工。 1 2 2 2 物探法 地球物理探测是间接、无损的测试手段。从原理上讲，凡是能进行隧道掌子面勘探 的所有地球物理方法均能用来进行隧道开挖前方的不良工程地质预报，但是由于受到工 作条件的限制或全空间探测解释困难的因素制约，目前只有低频探地雷达、t s p 法、声 波探测超前水平钻探、红外线探测法、工作面浅孔探测等方法得到应用。 ( 1 ) t s p 技术 5 第一章绪论 t s p 技术通常在隧道- t 贝 j 边墙按一定间距成一条直线布置炮点，用小量炸药激发， 产生的振动信号沿隧道方向以球面波形式传播，同时采用接收器对反射回的信号进行接 收，通过对接收到的信号进行分析，可实现对掌子面前方不良地质体的预报，图1 2 为 t s p 工作原理图。弹性波在介质中传播，当遇到地震界面，如断层破碎带、溶洞，大的 节理面等，一部分地震波就被反射回来，反射波经过一段时间后到达接收器被记录仪接 收，通过计算机软件分析前方围岩软硬状况、界面位置、界面与隧道轴线相交所呈现的 角度及距掌子面的距离，初步测定岩石的弹性模量、密度、泊松比等参数；再经过专门 的分析软件进行处理，可得到清晰的反射波图像，然后对反射波特征的进行分析，结合 区域地质资料、跟踪观测地质资料就可以确定隧道前方及周围区域地质构造的位置和特 性。t s p 探测的关键在于合理的数据采集、数据处理和正确的解译技术，t s p 解译人员 应具有丰富的地质知识和长期的野外、洞内地质工作的经历。 图1 2 r s p 探测原理 ( 2 ) 声波测试 声波对裂隙反应很敏感，遇到裂隙即发生介面效应( 反射、折射和绕射) ，耗损波能， 波形变复杂，波速减缓，此外，声波速度的大小还和岩体强度有关。声波测试方法主要 有岩面测试和孔内测试两种，其中孔内测试又分为单孔和双孔测试两种。岩面测试是 在已开挖地段进行的，由于隧道开挖放炮形成许多裂隙，所测波速表面岩石比实际岩体 的波速略偏低。孔内测试分单孔和双孔两种。单孔测试是把发射源和接收器放在同一 孔内，只能测到钻孔周围一倍波长左右范围内的地质情况；双孔测试是把发射源和接收 器放在不同的钻孔内，测试两孔之间的岩体波速。孔内测试按耦合方式又分为干孔和 湿孔两种，湿- t l n 试是向钻孔内灌水耦合，但由于水充填了裂隙影响测试结果，往往使 测试波速偏高，岩石越破碎偏差越大；干孔测试是在发射器和接收器的外面套上环行胶 囊，然后再向胶囊内注水，使接收器、发射器和孔壁祸合，其测试结果比较真实。 ( 3 ) 地震波反射法 6 长安大学博士学位论文 地震波反射法：又称为“地震负视速度法”。其基本原理是：在隧道掌子面前方一 定距离，沿边墙布置激振点和一系列的接收点；激发时产生的地震波在围岩中传播，当 遇到断层或岩性界面变化时产生反射波，返回信号被接收点的检波器接收，反射信号与 反射界面的距离成正比，然后通过专用的软件及相关的解释技术能提供一种较为直观的 探测结果；同时对纵横波的综合分析还可以了解反射界面的两侧的岩性和密实度的变 化。该方法和t s p 法原理相同，不同之处是t s p 是多点激发，一点接收。地震反射法的 优点是不占用掌子面，探测距离远，可达数十米，条件好时可达一、二百米，这种方法 主要用来探测大断层、大的岩性界面、平直地质界面效果好，对于形状复杂的岩溶边界， 探测效果不好。另外，该方法成本较高，工艺复杂，不易施工。 ( 4 ) 红外线探测 红外线探测是通过红外分析进行地质超前预报的方法，因为在隧道中，围岩每时每 刻都在i h 夕l - 辐射红外波段的电磁波，并形成红外辐射场，岩层在向外辐射红外辐射的同 时，必然会把它内部的密度、能量、方向等信息传递出来。例如红外探水就是通过接收 岩体的红外辐射强度，根据围岩红外辐射场强度的变化来确定隧道掌子面前方或周围是 否有隐伏的含水体。该方法的优点：测量快速，基本不占用施工的时间；资料分析快， 测量完毕即可得到初步的结果。缺点是只能定性的结论，不能定量测量含水量的大小、 水压等重要的参数。 ( 5 ) 探地雷达 探地雷达探测是利用不同岩体的波阻抗差异形成的分界面对电磁波反射的原理，对 探测目标进行成像，该方法能清楚的探测前方一定范围空洞、溶洞等不良地质体的分布 情况和周围岩性的变化。采用低频天线和中频天线相结合的方法可以保证一定的探测深 度和探测精度。探地雷达进行掌子面前方不良工程地质预报具有以下的优点：使用范 围广，抗干扰能力强，不受外界条件限制。探测时间短，一次完成只需要3 0 分钟左 右，加上探测前准备工作，全部工作时间不超过1 小时，对隧道施工干扰小，基本上不 影响隧道掘进施工。提交资料及时，图形直观，现场采集数据时就可以了解掌子面前 方的地质情况。可以节约大量的工程投入费用，据相关统计，采用探地雷达进行不良 地质体预报比不开展此项工作为施工方节省费用能达到全部工程的1 5 - - - 2 0 。 1 3 国内外探地雷达探测技术发展现状 探地雷达( g r o u n dp e n e t r a t i n gr a d a r ，简称g p r ) 与探空雷达技术相似，是利用 7 第一章绪论 宽带高频时域电磁脉冲波的反射探测目标体，只是频率相对较低，用于解决地质问题。 早1 9 0 4 年由德国人h u l s m e y e r 首次将电磁波信号应用于地下金属体的探测，1 9 1 0 年 l e t m b a c h 和l o w ) , 以专利的形式提出探地雷达这一概念，在随后的6 0 年中该方法仅限 于应用在对电磁波吸收很弱的盐、冰等介质中。直到2 0 世纪7 0 年代以后，探地雷达技 术的理论和工程应用方面才得了迅速的发展。 1 3 1 探地雷达技术的相关理论研究现状 1 3 1 1 雷达波( 电磁波) 理论研究 在采用电磁波进行地球物理勘探时，为了从地下发射或反射回来的电磁波进行的定 性或定量分析中以获得地下的有用信息( 即电磁反演问题) ，必须了解电磁波在复杂有 耗介质的中的传播特性。而关于电磁波在复杂有耗介质中辐射和传播问题相对于自由空 间研究滞后，随着社会的发展及实际工程的需要，电磁波在复杂有耗介质中的辐射与传 播问题越来越得到科学家和工程师们的关注。 a s o m m e r f e l d 在1 9 0 9 年，第一个发表了关于偶极子在有耗半空间存在时如何求解 基本辐射问题的论文，他是以柱面波函数描述h e r t z 矢量来求解分界面上垂直电偶极子 ( v e d ) 的辐射场；戴振铎( c t t a i ) 在1 9 5 1 年，首先研究了埋在地面以下的线天线 的辐射问题；但是，他们均将大地视为一半无限大均匀有耗介质，这显然是个极为粗糙 的近似。从5 0 年代开始，考虑到大地的分层性，对分层有耗介质中的场与波进行了大 量的研究；其中，主要研究是纵向和横向分层有耗介质中电磁波传播与衰减理论，并取 得了大量研究成果。近年来，随着电磁技术的应用越来越广泛( 如无线电波、探地雷达 等) ，人们对电磁波的研究提出了了更高的要求，希望对各种复杂有耗介质情形，能做 出尽量符合实际情况的研究，这在国际电磁学界形成了一个新的热点。 在地球物理勘探中，目标的电磁散射是雷达探测、地质勘测等信息的来源，散射特 性的定量分析是这些应用系统设计和运行的主要依据，近年来关于电磁波的复杂有耗介 质是的散射和逆散射问题的研究也取得了一定的进展。其中散射问题是分析已知目标的 散射场，而逆散射问题则根据散射场测量值重构目标的几何形态或介质参数，乃至对目 标成像显示。关于电磁波在地下结构的近场散射，有许多学者在分层介质中异常结构的 散射分析、测井技术中的频域散射、探地雷达的时域散射、测井和测地用导电介质中( 或 界面上) 天线的研究等方面进行了相关研究。对于脉冲雷达的波形合成技术的目标重构 成像技术的研究，主要有：抵消脉冲( k i l lp u l s e ) 按目标的瞬态散射场响应最小化来合 8 长安大学博士学位论文 成基激励波形，熄灭脉冲( e x t i n c t i o np u l s e ) 利用目标时域散射场的后期自由振荡响应 中自然谐振频率的消除来合成其激励波形，单模提取脉冲( s i n g l em o d ee x t r a c t i o n p u l s e ) 使用响应波形等于目标的某一自然模式等研究成果。总之，电磁散射研究，现在 和将来都会继续受到更多的关注，也会有更大的发展。 电磁场的计算方法方面的研究，仍是异彩纷呈，f d t d 法、小波理论等在电磁场计 算中的应用已成为近年来的热点。双各向异性( b l a n i o t r o p i c ) 媒质和手征( c h i r a ) 媒质 中波的传播问题，瞬态或时域电磁场的研究，仍然受到人们的关注。 当代电子技术的发展，愈来愈多在工程应用的背景中透现其电磁场的本质，也愈来 愈依赖各种电磁波场问题的解决，关于电磁波应用基础研究显得十分重要。但至今，电 磁波在真正在非均匀有耗介( 媒) 质中传播与衰减规律研究，仍是一个理论难题。 1 3 1 2 探地雷达理论研究 目前，国内外主要从探地雷达波场分析、地质解释模型与系统、数据信号及图象处 理三方面，进行探地雷达理论研究。 ( 1 ) 探地雷达波场分析 在理论研究方面，加拿大g t u r n e r 等人系统地研究了探地雷达基本理论，得出其 探测范围与衰减规律曲线，并分析了钻孔雷达与低频井中电磁技术之间的差异；挪威 s e h a m r n 等人从理论上，研究了合成脉冲雷达的测试方法与测试范围之间的关系；美 国l a n b ol i u ( 刘蓝波) 等人采用主频分析来研究雷达波的衰减，并认为在宽带数据处理 中，主频分析十分有效：美国r i c h a r dg p l u m b 等人试图用雷达波形变化性能图表来 刻画探地雷达的探测能力；澳大利亚d a v i da n o o n 等人用独立频率来表征探地雷达探 测深度与性能，并得出结论：循环增益( l o o pg a i n ) 和分部带宽( f r a c t i o n a lb a n d w i d t h ) 这两个独立的频率参数，可以确定探地雷达的最大探测深度与性能；中南工业大学的张 树风在其硕士学位论文中，探讨了有耗介质中电磁波介电常数频散机理，并提出了集经 典力学、电动力学和量子力学于一体的介电常数频散新公式；中国地质大学的黄南晖， 对探地雷达波场分析也进行了深入的研究，特别针对高频电磁场中矿岩特性，研究了电 磁波的传播规律。 在实验研究方面，美国i r e n ec p e d e n 等人，构建了一个研究探地雷达在低耗介 质中散射特性的实验模型，通过对多次测试结果分析，探讨了雷达波的散射特性；美国 y u r e nj i a o ( 焦余仁) 等人通过实验证明，从理论上可推导出线形偶极子天线发射的电磁 9 第一章绪论 波在半无限空间非磁介质中传播方程；美国r u i l id e n g ( 邓瑞利) 等人通过室内实验， 研究雷达波在分层有耗介质中传播规律，得出：频率在i 2 g h z 之间的雷达波在有耗介 质中的传导率最大不超过3 0 m s m ；意大利m b e r a b i n i n 等人通过一个室外实验，研究 探地雷达天线特性与雷达波传播之间的关系；瑞士a r o b e r t 等人则通过在实验室内对 混凝土模型空洞内充填水或空气进行实验，研究不同充填介质在探地雷达图像中显现特 征，并将实验结果应用于隧道质量检测与病害诊断之中。 ( 2 ) 探地雷达地质解释模型与系统 目前，探地雷达的地质解释模型主要还是正演模型与反演模型两种，但有不少学者 提出一些改进的正演模型或反演模型。德国m a k k ys j a y a 等人提出一种改进的反演 模型，并用测试数据成功反演出在混凝土中钢筋的图像。在国内，何兵寿、岳建华、邓 世坤等对正演模型有所研究，他们将理想频散关系、超吸收边界条件等因素引入探地雷 达正演合成分析中，使正演结果更精确、更符合实际。 探地雷达地质解释系统，目前还主要依靠人工判读和经验解释，但它必将向智能化 方向发展，国内外，已有学者在做这方面的研究工作。 ( 3 ) 数据( 信号) 及图象处理 九十年代以来，随着计算技术与图象处理技术迅猛发展，许多科研人员开始致力于 探地雷达测试数据( 信号) 与图象处理技术研究。他们将图像处理技术和探地雷达信号处 理技术有机地结合起来，利用直方图均衡、中值滤波、边缘提取等图像处理技术以及根 据探地雷达回波信号的具体特征，提出的一些具体算法对回波图像进行处理，在消噪、 提高图像清晰度等方面取得了良好的效果。在数据( 信号) 处理方法上，采用了时域有限 差分法偏移、拟浅层地震、多次叠加等技术和手段。 1 3 2 探地雷达技术的工程应用 1 3 2 1 应用现状 探地雷达因具有分辨率高，成果解释可靠的特点，自8 0 年代末以来，该项技术的 应用领域得到了进一步推广，己服务于多行业，尤其在浅地层地质勘探中，有着非常广 泛的应用。如探测覆盖层厚度、基岩面起伏、查找潜伏断层、破碎带、古溶洞、管道沟、 涵洞以及地下掩埋体等；在工程探测中使用探地雷达可以进行高速公路、机场道路等质 量的无损检测，进行隧道衬砌质量检测，探测建筑物地下边坡、机场地下古墓等不良地 质体分布，探测水库坝体结构层及结构层材料老化变质，检测灌浆质量及混凝土厚度， 1 0 长安大学博学位论主 探测地下管道以及使用探地雷达调查滑坡体及滑坡面、评估崩塌、滑坡及地面沉降等地 质灾害调查。总之，随着探地雷达探测技术的不断发展和进步，其应用领域正在不断地 扩展，已经成为工程地质勘察中最有效的地球物理方法之一。 i3 22 发展趋势 目前，随着计算机技术、网络通讯技术及电子科技的加速发展，雷达探澜4 技术在高 精度探测、三维探测、超深度探测技术方面取得了长足的进步。尤其是探地雷达用于工 程质量定量精度检测方面取得了进展，已纳入许多西方国家的质检标准体系中，相应的 硬件设备和数据处理软件系统也已经研发成功，部分高端产品也已经进入到中国市场， 图1 3 是美国s i r 系列多通道三维探地雷达探测结果可视化成果解释界面。 囵霉雾 图1 3 撵地雷达三维探测可视化成果解释界面 此外，探地雷达技术己被应用于航空、卫星测量和环境污染检钡4 等一些特殊的领域， 近年来探地雷达应用在遥感技术中的地位比较突出，在2 0 0 3 年i e e e 的i g a r s s 2 0 0 3 ( 国 际地质科学与遥感会议) 中，在“a p p l i c a t i o no fr e m o t es e n s i n g ”等目录下有“m i n e & t a r g e td e t e c t i o n ”、“g r o u n d & f o l i a g ep e n e t r a t i n gr a d a r ”等多个有关探地雷达的 会议主题。因此，对探地雷达晟新技术的跟踪和研究也就成为科技工作者们关注的一个 重要方向。 i3 3 国内探地雷选的现状 13 31 工程应用中的探地雷达仪 目前国内使用的探地雷达仪器多是由美国、加拿大、瑞典、俄罗斯等国家引进， 其主流仪器以美国g s s i 公司的s i r 系列、加拿大探头及软件公司( s s i ) 的p u l s ee k k o 第一章绪论 系列探地雷达仪以及瑞士地质公司( s g a b ) 的r a 枞c g p r 钻孔雷达为代表，雷达工作频段 可覆盖2 0 删z 2 g h z ，时窗可调到o 2 0 0 0 n s ，探测深度可达4 0 8 0m ，分辨率可达到 几厘米，雷达技术相对先进、软件配套和设备稳定，其天线模式分组台式和分体式两种。 国内在这方面也做了大量工作，相对比较成熟的以中国电子集团青岛电子二十二所研发 的l t d 型系列雷达、煤炭科学研究院重庆分院的k d l 系列雷达为代表。 ( 1 ) s i r 系列雷达探测仪 美国g s s i 公司生产的s i r 系列探地雷达在国内占有重要的份额，该公司最早打入 国内市场是产品是s j r 一2 型探地雷达仪，如今该系列的探地雷达仪已有多个型号，如 s i r 一2 0 0 、s i r 一3 0 0 、s i r i o b i o h 和s i r 一2 0 等，其工作频率覆盖整个雷达工作频段， 并可以进行多通道探测和三维探测。图14 是采用美国劳雷公司开发的相对比较高端的 s i r 一2 0 型号探地雷达探测仪进行现场工作测试，由图中可见s i r 一2 0 探地雷达仪体积小， 操作方便快捷。 s i r 系列探地雷达仪相比其雷达具有采集速度快、抗干扰信噪比高和成像精度高的 优势，并且其数据处理软件配套功能较强；但是对中低频段雷达探测深度问题解决得不 够理想。 ( 2 ) 加拿大e k k o 系列雷达探测仪 加拿大e k k o 系列的中低频段探地雷达对于探测深度问题进行了技术改进尝试，对 雷达的天线发射功率作了增强改进，在2 0 2 0 0 删z 工作频段，探地雷达增加了发射功 率，使雷达探测深度有所增加，但是该系列的探地雷达信号采集速度低和数据处理软件 功能较差是它的弱点所在。图15 为加拿大e k k o - 1 0 0 型探地雷达。 妻梢 圈14 美国s i r - 2 0 探地雷迭探铡仪在现场工作 图1 5 加拿大e 腻o - 1 0 0 型探地雷达 长安大学博学位论文 当然，其他一些国家的探地雷达产品也在国内占有一些份额，如瑞典、日本、意大 利、荷兰、捷克和俄罗斯等国都有相关产品引入国内，但真正得到认可的具有成型的雷 达探测技术方法以及完备的硬件设备和成熟的数据处理软件系统的为数不多。 ( 3 ) 国产雷达 我国在探地雷达仪器的研制始于2 0 世纪8 0 年代初期，由电子科技大学、西安交通 大学、二十二所、五十所、长春物理所、北京遥感设各研究所、西南交通大学、东南大 学、中国矿业大学等多家高校和研究机构进行仪器研制和野外试验工作，取得了一定的 成果，许多单位推出了自己的探地雷达样机，如中国科学院长春地理研究所的s 1 2 r 型 地质雷达，东南大学的g p r - i 型地质雷达，大连理工大学的d t l i 型地质雷达等。但由 于种种原因这些产品没有完全成功推向市场，仍处于试验阶段。这些雷达虽然存在不少 的缺点和不足，但作为我国的第一代