时间：2023-05-30 09:12:21
开篇：写作不仅是一种记录，更是一种创造，它让我们能够捕捉那些稍纵即逝的灵感，将它们永久地定格在纸上。下面是小编精心整理的12篇地质雷达，希望这些内容能成为您创作过程中的良师益友，陪伴您不断探索和进步。
地质灾害是由于各种(自然的或人为的)地质作用导致地质体或地质环境发生变化，给人民的生命财产、生存环境以及国家建设造成损失的灾害事件的统称。近年来，许多地区各种地质灾害(滑坡、崩塌、泥石流、地面塌陷等)频发，给当地的经济建设和人民生命财产安全构成了严重威胁。我们知道，任何地质灾害的发生、发展都会引起地球物理场的变化，因此，加强对地质灾害勘查与治理过程中的物探工作研究是当今环境地质工作中的一项重要课题。
1.地质雷达用于地质灾害调查的可行性
常见的地质灾害主要有地震、地裂缝、地面沉降、岩溶塌陷、滑坡、崩塌以及泥石流等。严格地讲，任何一种地质灾害的发生都会在介质(土壤、岩层等)中留下痕迹，即通常所说的介电界面，如地裂缝留下的裂隙、活动断裂留下的破碎带、滑坡留下的滑脱面以及塌陷留下的地穴或陷坑等，这些界面两侧介质的物性差异很大，致使电磁波穿过该界面时的反射能量发生增减、波形幅值出现明显变化，据此可解译出该界面的准确位置及大致形态等相关信息，因而，探地雷达用于地质灾害调查是可行的。并且由于使用了高频、宽频带、短脉冲及高速采样等技术，其探测精度及速度均高于其它种类的物探手段。
2.地质雷达在地质灾害调查中的应用
2.1工程概况
工程位置位于重庆市沙坪坝区歌乐山镇天池村、新开寺村，该区地表主要岩性为灰岩，区内横向河谷发育，水源丰富，地表灰岩有溶蚀环境。该区域近年多次发生塌陷地质事故，部分民房出现不均匀沉降、开裂等不良现象，且该现象有继续加剧的趋势。为提出合理的治理方案，需要对该区域的岩溶分布进行较为详细的了解，故采用地质雷达对该区域进行探测。由于测区位于居民区，房屋、沼气池、沟渠、地形大起伏等原因对雷达探测效果均会造成一定的不良影响。
2.2探测原理及仪器
探测设备为用美国地球物理公司（GSSI）的SIR-2000型地质雷达，100MHz地质雷达天线。雷达波法检测是利用高频电磁脉冲波的反射来探测目标体的，它通过发射天线向介质发射高频带、短脉冲电磁波，通过接收天线接收其反射波。电磁波在介质中传播时，其路径、电磁场强度、能量衰减及波形变化将随所通过介质的电磁学性质及几何形态的变化而变化。介质的电磁学性质主要包括导磁率μ、导电率σ和介电常数ε，它们与介质的组成物质、密实程度密切相关。根据雷达波的旅行时间、幅度与波形等实测数据，即可探测介质的构造分布及其相关深度等。测试记录如图1。
图1：异常界面雷达典型记录
测试按现行《水电水利工程物探规程》（DL/T5010－2005）、《城市工程地球物理探测规范》CJJ7-2007标准执行，仪器参数设置如下：增益：0～66db；采样点数：2048点；发射速率：主要为50脉冲/秒；时间窗口：500ns；滤波系统：20MHz～200MHz。
2.3地质雷达在地质灾害调查中的应用
2.3.1地质雷达应用范围
2.3.1.1在地裂缝调查中的应用
地裂缝是一种常见且比较严重的地质灾害，地下水过量超采、地面不均匀沉降、断裂活动、砂土液化以及地震活动等均可引起地裂缝。由于地裂缝在地表断续出露，刚出现时规模较小，甚至宽仅数mm，不易引起人们的注意。由于其规模较小，以往常用的超声波法很难探测其横向及纵向的延伸变化情况，而使用地质雷达则可有效地解决这些问题。
2.3.1.2在岩溶塌陷调查中的应用
在隐伏基岩为灰岩及白云岩等可溶性岩石的地区，岩溶塌陷是一种较为常见的地质灾害，由于地下水的溶蚀作用，基岩中出现溶洞，溶洞的扩大可导致其上部覆盖层中形成土洞而造成塌陷。由于这一切均发生在地下，隐蔽性较强，不易引起人们重视，隐患也就更大。在这方面的调查中，地质雷达具有较大的优势。
2.3.1.3在滑坡调查中的应用
在斜坡地貌发育的地区，滑坡是一种较为常见的地质灾害，地表流水的侵蚀、地下水的潜蚀和溶蚀以及工程荷载和地震作用等都可能引发滑坡。滑坡体下滑时与母体之间的分界面称滑坡面。在工程方面，为了对滑坡灾害采取有效的防治措施，首先必须要找出滑坡面。一般采用的是电测法及地震勘测法，但这两种方法的花费较高，且受地质因素的干扰较大，远不及地质雷达快速、高效和经济。
2.3.1.4在活动断裂调查中的应用
活动断裂作为一种巨大的灾害隐患已引起人们的注意和重视，它可以诱发地震、地裂缝以及地面沉降等多种地质灾害，危害极大，如果能准确地确定出活动断裂的位置，从而在以后的工程建设中避开或采取有效的防护措施，可以最大限度地减少损失。在活动断裂的调查方面，快速、高效、经济的地质雷达已逐渐取代了钻探及变形监测等传统方法。
2.3.2探测结果
本次测试共计14条测线，长1479m。各测线所得雷达测试图像清晰，满足预期探测要求。本文对其中3条测线进行了分析阐述。
2.3.2.1测线1
测线长145m，覆盖层厚度为1.2~2.5m之间。详细探测结论见表1与图2。
表1：探测结果
图2：测线1成果图
2.3.2.2测线2
测线长145m，覆盖层厚度为1.2~2.5m之间。详细探测结论见表2与图3。
表2：探测结果
图3：测线2成果图
2.3.2.3测线3
测线长145m，覆盖层厚度为1.2~2.5m之间。详细探测结论见表3与图4。
表3：探测结果
图4：测线3成果图
3.结束语
关键词：隧道 超前预报 地质雷达探测
探地雷达（GRP）又称地质雷达，是现代广泛用于测试地下介质分布的电磁技术之一，它主要是通过地下发射的高频宽带的电磁脉冲信号，然后根据回波信号的振幅、波形和频率等特征，利用地下介质的电磁特性的差异来分析和推断地下介质的结构特征的，具有快速便捷、操作简单、抗干扰和场地适应能力强，无损等特征。目前探地雷达技术已经应用于如采矿工程、水利水电工程、地质工程和岩土工程勘察、建筑工程、桥梁道路、隧道工程、管线勘测、环境检测、考古等方面的行业中[1]。
1 地质雷达工作概述
1.1 地质雷达基本工作原理示意图 地质雷达与对控雷达在原理上是很相似的，他们都是基于地下介质的电性差异存在的，也都会向地下发射高频的电磁波，也都能够接收地下介质反射回来的电磁波，以此对他们进行处理、分析和解释的工程物探技术，两者的主要探测原理就是图1所表示的。
■
图1 地质雷达工作原理示意图
雷达脉冲波的行程方程为：t=■
式中：t为脉冲波走时（ns，lns=s）；z为反射体深度；x为发射机和接收机间的距离；v为雷达脉冲波速。
1.2 地质雷达基本工作方法 主要是通过隧道的掌子面发射天线的电磁波，把主频为数十兆至数百兆乃至数千兆赫的脉波送入隧道掘进方向，这样当在岩体传播过程中遇到不同的目标体的电性介面时，就会有部分的电磁能力被反射回到掌子面，在被接收天线接收时，就会主动生成记录，得到从发射经岩体界面反射回到接收天线的双程走时t。当岩体介质的波速已知时，可根据测到的精确t值求得目标体的位置和深度。这样，可对各测点进行快速、连续地探测，并根据反射波组的波形与强度特征，经过数据处理得到地质雷达剖面图像。而通过多条测线的探测，则可了解隧道掌子面目标体断面分布情况。
1.3 测线布置 在测试过程中，沿右壁向掌子面移动，一直沿着测线测量到左壁，左右两壁每次移动距离大概50厘米，掌子面每次移动距离大概20厘米。测线布置如（图2）。
1.4 资料的解释 地质雷达资料的地质解释基础是拾取反射层。由数据处理后的雷达图像，全面客观的分析各种雷达波组的特征（如波形、频率、强度等），尤其是反射波的波行及强度特征，通过同向轴的追踪，确定波组的地质意义，构造地质-地球物理解释模型，依据剖面解释获得整个测区的最终成果图。
雷达的解释步骤一般为：①反射层拾取。根据勘探孔和雷达图像对比分析，建立各种反射层的波组特征，而识别反射波组的标志为同向性、相似性和波形特征等。②时间剖面的解释。在充分掌握区域地质资料，了解测区所处的地质结构背景的基础上，研究重要波组的特征及其相互关系，掌握重要波组的地质结构特征，其中要重点研究特征波的同相轴的变化趋势。特征波是指强振幅、能长距离连续追踪、波形稳定的反射波。同时还应分析时间剖面上的常见特殊波（如绕射波和断面波等），解释同相轴不连续带的原因等。通常可以将时间剖面特征分为四类，作为解译参考：a雷达反射波同相轴发生明显错动：一般为破碎带及大的风化裂缝含水带，两侧地层性质明显变化。b雷达反射波同相轴局部缺失：一般为地下裂缝、裂隙横向发育及岩体风化发育程度不同引起。c雷达波波形发生畸变：由于地下裂缝、不均匀体对于雷达波的电磁驰豫效应和吸收，造成雷达波畸变，崎变程度与裂隙及不均匀体的规模有关。d雷达波反射波频率变化：一般为岩体或土壤中成分含量及盐碱性质发生了变化。通常，地质雷达时间剖面上会出现多个特征剖面，这就需要解译人员的丰富的实践解译经验，以及参考多种因素综合考虑。
2 应用实例
2.1 探测结果和分析 某二级水电站西端1#、2#引水隧洞工程施工1#引水隧洞超前地质预报
引水隧洞洞号：引（1）洞 预报方法：地质雷达
仪器型号：SIR-20 天线频率：100MHz
掌子面桩号：引（1）1+345 预报范围：引（1）1+345～1+369
测量区域为T2z浅灰色中厚层大理岩，岩类为Ⅲ～Ⅳ类围岩，深埋偏压。由于隧道全长18千米，开挖高19米，宽17米，当隧道的开挖面较大的时候，坑隧道地质周围就会显得复杂，而且存在一定的深埋偏压，这就需要我们在编制施工组织设计的时候根据不同的岩段进行不同的施工方案，但是需要确定准确的地质情况的时候进行，如果是不同的勘探资料，就需要利用不同的地质雷达技术进行。当我们做好隧道掌子面的超前地质预报工作的时候，就需要在准确掌握掌子面数据后，才根据地质情况提供安全施工的决策依据。因此，我们在施工过程中，就需要准确掌握超前预报数据，然后根据雷达的预测，顺利通过隧道的深埋偏压地质破碎带和强风化岩层地带，以此来确保工程施工人员的安全。
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图3 掌子面素描图
图3为对现场所画处理后得的掌子面地质素描图。
图4为通过软件处理后得到的地质探测成果图像。
图5为对探测成果图象解释后得到的解释成果图。
2.2 实际开挖对比分析 ①掌子面前方引（1）1+345～352 段地质雷达无明显异常，引（1）1+352～369段存在异常，推断为裂隙发育，溶蚀，岩体较破碎，局部形成破碎带，含水，出水情况总体成分散状，局部较集中，估计总水量3～5L/S。②左壁引（1）1+325～1+345 段探测深度范围内裂隙发育，局部密集，岩体较破碎。③右壁引（1）1+325～1+333 段探测深度4～12m 范围内裂隙发育，局部密集；引（1）1+337～1+345 段探测深度范围内裂隙发育，岩体较破碎，含水。
开挖时BK1+357段有裂隙发育，有白色大理石填充，无渗水。在后半段的岩体质量逐渐因为增重而破裂。就需要根据预报的实际开挖的数据进行操作。引（1）1+352～369预报为裂隙发育，溶蚀，岩体较破碎，局部形成破碎带，含水，出水情况总体成分散状。开挖时，洞顶为一个长宽约为10×12米破碎带，在比较破碎的地方出现渗水，成线状分散。预报和实际开挖较吻合。
3 结论
①通过对某二级水电站辅助洞为研究对象，多次到辅助洞进行实地考察，这样才能在前期收集大量的勘察资料及现场测试资料等。并且根据辅助洞的超前地质为预报的主要研究对象，我们可以通过大量的现场测试的资料进行分析隧洞的施工情况的的统计数据成果，这样在地质雷达预报溶洞、断裂和裂隙时候，就会效果更佳，就可以作为超前短距离地质预报的首选。②由于地质雷达在探测过程中会受到如来自金属体及空气中的各种电磁波因素的干扰，这样就导致后期的数据受到影响，在数据处理解释上就会产生一定的影响。所以，为了避免探测过程中出现的这些因素的影响，就需要工作人员结合多方面的资料，对数据处理作出更为准确和有效的解释。
参考文献：
[1]翟波，杨峰，孙水明，等.地质雷达信号去除水平噪声算法[J].辽宁工程技术大学学报，2006（S2）：88.
[2]徐宏武，邵雁，邓春为.探地雷达技术及其探测的应用[J].岩土工程技术，2005（04）.
[3]方建立，应松，贾进.地质雷达在公路隧道超前地质预报中的应用[J].中国岩溶，2005（02）.
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[5]陆鑫.探地雷达在隧道初支背后空洞检测中的应用[J].黑龙江交通科技，2013（05）.
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【关键词】地质雷达；岩溶地质勘察；工作原理分析；电磁波特征分析
前言
岩溶地区的地质勘察工作有其特殊性，勘察的目的是为设计和施工提供工程地质依据， 是保证岩土工程质量的重要因素。特别是对地下隐伏地形分布情况的勘察， 如位置、范围、分布、深度等， 为工程的顺利进行提供了可靠的地质资料。结合不同工程地质条件， 选择适宜的勘察方法， 也是物探工作的基本原则之一。岩溶地形勘察的常规物探方法有直流电法、瞬变电磁、地质雷达等， 其中， 地质雷达方法能够对地下介质电性、完整性、含水性等特征的差异， 做出敏感反应， 且具有采集方便， 速度快， 易于调整， 适应性强， 对工作条件要求不高， 有较强的普适性等特点， 因此更适用于岩溶地形勘察。作者在本文中， 主要从岩溶地区电磁波反应特征的角度， 来介绍岩溶地形的地质雷达勘察技术。
1 工作原理与方法
地质雷达方法是一种用于确定地下介质分布的广谱电磁波技术，其利用一个天线向地下发射无载波电磁脉冲，另一天线接收由地下不同介质界面的反射回波。高频电磁波在介质中传播时， 其路径、电磁场强度和波形， 将随所通过介质的电性特征及几何形态而变化， 故通过对时域波形的采集、处理和分析， 可确定地下界面或目标体的空间位置及结构。地质雷达的探测原理与浅层地震相似， 在探测过程中， 它通过发射天线， 将高频电磁波（ 10MHz～1GHz） ， 以宽频带脉冲形式定向送入地下。电磁波在地下介质传播的过程中， 当遇到存在电性差异的地下地层或目标体时， 便会发生反射并返回地面， 被接收天线所接收。
地质雷达测量方法有剖面法、宽角法等， 通常采用剖面法， 即发射天线和接收天线以固定间距，沿测线同步移动的一种测量方式， 每个发射周期获得一个记录， 见图1。在一条测线测量完成后， 多次记录可用时间剖面图像来表示。图1横坐标记录了天线的移动位置， 纵坐标表示反射波的双程旅行时间。鉴于岩溶地形的复杂性， 多采用点测的工作方式， 测点点距的确定取决于天线的中心频率与地下介质的性质。一般来说， 在频率较低， 介质介电常数较小的情况下， 可适当增加点距， 大致为介质子波波长的四分之一。时窗的选择受测深和波速的影响， 考虑到速度和目标埋深的变化， 一般根据时窗大小适当增加其值（一般增大30% ），以避免溢出。中心频率和采样率， 关系到探测的精度和测距的大小， 可根据具体探测目标的埋深及性质来设定， 一般应在工作前通过测试来确定。此外， 考虑岩溶地形的发育特征和对电磁波的吸收能力， 可在测试时进行重复测量和适当改变天线的排列方式。
2 岩溶地形下电磁波反应特征
在不同工程地质条件下， 电磁波传播的反应特征各不相同。岩溶地形下的电磁波传播， 往往呈现出较强的差异性和不规则性， 在进行岩溶勘察时，需充分了解电磁波的反应特征， 包括电磁波的衰减、速度、距离特征， 以及交界面反射、介质含水量特征和波形的曲线特征等。
2.1 衰减特征
由于岩溶地区地质条件非常复杂， 地下地形千姿百态， 因此其衰减特征也特别明显。高频电磁波的传播可以用一组麦克斯韦方程来表示， 考虑到高频电磁波在地下有耗介质中传播时电能损失，介电弛豫特性， 以及磁导效应对电磁波能量衰减的影响， 考虑用德贝尔函数表示衰减因子：
（1）
（2）
（3）
（4）
（ ） （5）
其中 E 为电场强度矢量； B 为磁场强度矢量； D为位移电流矢量； H 为磁场密度矢量； 为电流密度矢量（无源时 = 0） ； 为衰减函数， 类似于黏弹性介质中的响应函数； 为真空中的介电常数（ = 8.85×10- 12 F·m- 1 ） ； 为高频条件下相对介电常数； 为低频条件下的相对介电常数； σ为电导率； 为磁衰减函数； 为真空中的导磁率； 为高频下的导磁率； 为松弛时间； L 为衰减函数的总个数。
可以看出， 影响电磁波传播的参数包括介质的导磁率、电导率、介电常数、松弛时间等， 由于对电磁波来说， 地下介质属于有耗介质， 这些参数影响着电磁波的能量、走时和形态。
在岩溶地区， 由于介质的电磁特性变化较大，电磁波的衰减特性很难进行量化， 对于介质磁性和导电性较差的地区而言， 电磁波的衰减速率大致随电导率和导磁率的增大而增加， 随介电常数的增大而减小， 电磁波的吸收特性可近似描述为：
（6）
其中β为吸收系数， 它能够反应电磁场强度在传播过程中的衰减速率。
在理想条件下， 通过对介质相对介电常数、电导率、导磁率等参数的确定， 能够大致推断出电磁波在介质中的衰减特征。
2. 2 速度与距离特征
由电磁波的传播特性可知：
（7）
其中 为相位系数， 即单位距离波的弧度； λ为波长； 为电磁波的频率； ω为角频率。由此得到：
υ=ω/α （8）
可以看出， 相位系数是决定电磁波速大小的因素， 而相位系数受介质电导率和介电常数影响， 而且受影响的程度随着频率的变化而有差异。对于介质磁性和导电性较差的地区而言， 电磁波的传播速度可近似表示为：
υ=c/ （9）
其中 c为电磁波在真空中的传播速度； ε为相对介电常数； μ为介质的相对磁导率， 其值一般取1。
在进行结构层厚度和地质体埋深的勘察中， 需要了解地下结构层的介电常数， 可通过雷达反射波幅来进行推导。确定方法如下： 反射面上层下层材料的介电常数， 与界面的反射系数R 之间存在一定关系：
（10）
式中 、 分别为上层和下层的介电常数； 是上层反射系数， 它是反射波幅A 与全反射波幅Am 的比； 〔 〕是上一层在反射过程的能量损失。当表层面反射时， 上层空气的介电常数1， 忽略反射层能量损失， 依次类推， 可求出不同层的介电常数。
电磁波在地下介质传播的过程中， 当遇到不同的结构层或地质体时， 部份能量发生折射， 其余能量发生反射并返回地面。由于电磁波在各不同介质中的传播速度V不同， 根据发射器和接收器所接收的反射波信息， 可获得雷达脉冲在地下传播过程中的双程旅行时间T ， 于是有式（ 11）， 并由此来推算地层厚度或埋深信息。
（11）
2.3 交界面反射特征
利用地质雷达探明溶洞或地层交界面的基本原理， 是利用交界面对高频电磁波反射信号的影响来判定。界面介质的异常， 往往会导致反射电磁波的波形异常（如强反射、夹层反射和绕射等） ， 由此便能够判断出交界面地质体的性质、大小和分布情况。
在检测时， 当电磁波垂直入射时， 反射系数R和折射系数T 可以用式（ 12）来表示。
（12）
式中 、 分别为上、下介质的介电常数。一旦结构层出现变化或遇到空洞和裂隙等， 便会出现明显的异常特征反射， 并反映在雷达资料上。
2.4 含水量特征
覆盖层和结构层的含水量特征， 是判断岩溶地形发育状况的重要因素， 也是电磁波图像识别的重要辅助手段， 可根据介电常数与含水量之间的关系测得该层的含水量。设 、 、 、 分别为水、固体、结构层和空气的密度， 、 、V、 分别是水、固体颗粒、结构层和空气的体积， 、 、 分别为水、固体颗粒和基层的容重（忽略空气容重），则有：
其中， 固体颗粒的干密度 为测定值， 那么， 结构层含水量取决于水的体积百分比N 1。此时， 便可以按照前面所述的， 利用地质雷达的方法来测含水量的基本原理， 根据介电常数与含水体积之间的关系， 可以测得该层的含水量。
2.5 曲线特征
岩溶地形由于其表面的复杂性和发育的不规则性， 且对电磁波吸收能力较强， 往往会对雷达的成像效果产生较大影响。加之偶极子源的辐射场是一种球面波， 在接收器接受电磁波的过程中， 会受到不同程度干扰波的影响， 致使岩溶地形雷达波曲线往往具有干扰多、衰减快、特征弱的特点， 为雷达波的图像特征识别增加了难度。因此， 在进行岩溶地形电磁波曲线特征识别时， 应最大限度地了解数据的采集环境与地质条件， 熟悉各种岩溶地形的成像特征以及电磁波的反射特征。
一般来说， 地下不同介质的介电常数差别较大， 会导致反射能量迅速增加， 交界面图像反射特征明显， 在局部或某方向范围内成像有较大差异。
如果不同介质的分界面比较光滑和规则， 则反射波走时比较稳定， 在图像上会形成一道细密的波形；如果介质表面很复杂， 特别是在裂隙和破碎带， 波形会变得很杂乱， 受反射延迟的影响， 反射波范围较大， 交界面特征不明显。
在电磁波传播过程中， 如果遇到裂隙、断裂破碎带， 特别是充水溶蚀破碎带， 波形往往会发生突变， 边界反射信号明显， 反射波同向轴位置发生错动， 而且由于地层破碎， 使断裂带内部对电磁波的吸收增强， 内部反射波强度会减弱。如果地下裂缝、裂隙沿横向发展、发育， 那么由于其对雷达反射波的吸收和衰减作用， 往往使得在裂缝、裂隙的发育位置造成可连续追踪对比的雷达反射波同相轴局部缺失， 而缺失的范围与地下裂缝、裂隙的横向发育范围及大小有关。
由于溶洞与周围介质物性差异明显， 容易在边界形成反射， 且反射形状能够大致反映溶洞的位置和大小， 充填型溶洞往往边界反射非常明显。溶洞内部反射特征与内部充填介质的类型、规则性和均匀性有关：
如果填充物比较单一或填充物较集中，则内部会表现出反射信号弱或反射信号被吸收的特征； 如果内部空间表面起伏较大、连续性不好， 则会引起多次反射和绕射， 形成多次波或绕射波。
断裂破碎带、溶蚀裂隙、裂缝等对电磁波的吸收作用很强， 往往会使反射波能量的衰减在时间剖面上表现明显， 这是判断上层构造发育的重要依据。此外， 在勘察过程中， 电磁波会受地表溶沟溶槽、地形突变、覆盖物、出露灰岩， 以及地下隐伏不规则体的影响， 出现不同类型的干扰波。根据干扰介质、干扰类型、中心频率或采样率的不同， 这些干扰波往往会导致电磁波曲线呈现出倾斜线形， 上下错动形，“V”形或“X”形震荡反应， 这些主要体现在振幅和同向轴的变化上。干扰的识别和判断一方面是依靠勘察人员的工程经验， 而在更大程度上是依靠对勘查区地质情况的深入了解和分析。
【关键词】地质雷达；探测技术；管道异常
0.引言
地质雷达作为一种集合了目前较高科技的检测设备，可以实现对待探测物体的定位以及相关信息的搜集，最重要的是还可以在探测的同时实现对目标物的位置和形态的图像生成，这是目前其他的探测设备所不具备的。由于其在应用中有着诸多的使用优势，已经被广泛的应用于矿产、水利、电力以及铁路工程的相关研究和探测活动中。尤其是随着我国城市化进程的进一步加快，我国的各种市政工程建设也突飞猛进，这种情况下要想实现对公路桥梁以及相关基础设施工程的优质建设，就必须要对现有的地质情况进行准确的分析和定位，尤其是潜藏于地下的地下水资源的流向和流量问题，如果处理不当不仅会影响施工的进度，还会影响工程的施工质量以及后续使用过程中的排水问题。地质雷达作为一种新型的地质情况的探测设备，在对水文情况的检测过程中，会通过电磁波的传输和反射情况来识别地下水的分布情况，并且可以根据信号的不同波长和强度，来推测地下水的位置和流量。
地质雷达归根结底是一种地球物理方法，具有地球物理方法的共同特征，但是在实际的操作过程中，又同其他的地球物理方法有所区别，主要表现为以下几个方面：①地质雷达具有较其他探测设备更高的分辨率和识别率，可以更加准确的定位和绘制待测物体。②地质雷达具有较强的无损性特点，也就是说在使用和探测的过程中可以不对待测物体和周围的地质环境造成损害。③地质雷达的探测效率高，也就是说这种方式同以往的探测方式相比，可以实现更加简便的操作，一点程度上提高了工作效率。④ 地质雷达可以再探测后形成直观的探测结果，也就是说它说独具的图像显示功能，可以更加直观的反应待测物体。⑤技术难度大。也就是说由于地质雷达的作用原理是通过电磁波的传输来实现的，所以在实际的操作过程中需要较为严格的实施环境，因而也就一定程度上加大了施工难度。
1.国内外地质雷达的研究和发展现状
国际上对于地质雷达这种新技术的研究和实验一直都在进行，并且经历了近 “联合”、“移植”和“借鉴”等几个阶段，虽然经过长期的研究得到了一定的发展成果，但是还存在一些未解决的技术问题。
地质雷达工作原理与特点：
地质雷达的主要工作原理是通过对电磁波的传输和信号反馈来实现对周围地质情况的分析的一种探测技术，其应用的主要原理是传播介质的不同导致的电磁波信号的差异规律，操作过程中使用的是高频电磁波，在信号接收的过程中使用的是R天线。
地质雷达相较于传统的地质探测技术具有这样几个方面的应用优势：①地质雷达可以实现更加安全和高效的施工，减少了施工探测过程中的繁琐劳动，节约了人力。②地质雷达技术可以实现更强的抗干扰能力，也就是说操作过程中只受到电磁波传输信号的好坏影响，而不会受到天气以及环境的限制。③地质雷达技术可以实现直观的成像，并且可以提供较高分辨率的图像供探测结果分析。④地质雷达探测技术可以实现更加高效的数据采集，简便易行。
2.工程案例
某居民住宅区内的一个地下排水管被施工过程中的桩基击穿，这种情况下不仅导致了污水的大量外泄，还形成了地表的下陷，为了更好的进行维修和施工，必须要对管道的排水管的漏水情况进行探测，下面就采用地质雷达方式进行施工探测。
2.1探测技术
由于地下存在水喝岩石，砂石等几种物质，要想较快的区分出水的位置和流量，就必须要从水的特殊属性入手，因为水的导电率明显的高于其他两种物质，所以在探测过程中，可以采用电流探测的方式。①可以根据地质雷达的电磁波的反射情况，确定出电流较大位置为水。②根据电磁波的变化情况，确定水的流向问题。
在对本次地质情况进行探测的过程中，施工人员通过对塌陷位置的布设剖面来实现，总共的布设长度为十二米，其中打点的间隔为一米，总共布设的测量点为七十个。
2.2探测资料解释与分析
在本次探测中，混凝土管道的周边情况为探测的重点环节，所以为了确定混凝土管道周围是否存在异常的水流破坏情况，必须要采用多种方式对其进行定位和绘制图像以及频谱分析。
2.2.1富含水异常
在发射电磁波的过程中发现，电磁波进入传播介质的速度较快，而反射回来的速度较慢，这种情况显示管道内存有较多的地下水。又因为在管道中产生了连续负波，所以表面该区域的能量较弱，水含量较高。
2.2.2管道异常
在测量活动开展前，一定要对周围的环境进行处理，要保证测量场地的平整，避免由于地形和地势影响测量的结果。
通过对该区域的探测和图谱的绘制可以发现，管道周围的区域为低能量区，而右侧不远位置有一个较为明显的高能量区，并且呈现出圆弧形。这也就表示圆形的封闭区内存在着水流的异常。进一步通过对高频波的发射和回收我们可以发现，管道内存有大量的污水，所以导致了其呈现出一个特定形状的波频。
2.2.3其他各典型测线的解释
测线6与1附近管道异常特征存在明显差别，差别在于圆形异常区内高能量高频率的信号基本不存在，推断管内的污水排出较多；7线管道异常特征极不明显，其他测线上的圆形异常区在该测线上基本不存在，推断该区域的排污管被管桩打碎，推断管内的污水排出多、且有较多泥沙流入，因为泥沙的成分和含量决定了具有较低的导电率，所以如果波频的变化不明显，就应该判断为此处的地下水已经排出；8 线管道异常显示为“云状”，也就是说还存在较大面积的污水和泥沙的混合区域，所以可以推断该处排污管虽然未被管桩击穿、但已经严重变形，泥沙流入相对较少、管内的污水排出慢。所以要求工程施工人员在制定施工方案时要充分的考虑这些因素，避免造成二次伤害。
2.3探测结果
通过对探测结果的分析可以得出本次地质雷达探测大深度管道有效，采用频谱分析技术效果好。 根据地质雷达资料分析，排污管被击穿的位置处在地面可见塌坑一侧。在排污管被击穿一侧的地质雷达成果资料普遍存在低频低能量区域。虽无明显的空洞异常特征，但可以推断该区域的土体严重松散且含水量较大。
3.结束语
综上所述，地质雷达探测技术是一种新型的地质探测方式，由于地质雷达检测技术（GPR）应用范围广、穿透深度大、非接触连续测量、快速简便、结果直观等优点，其用于地下水探测以及地下环境监测已成为水利和物探行业研究的热点。由于地下水对于各种市政工程和基础设施建设工程的施工都有着非常重要的影响，所以地下水的检测和探测技术也就值得有关部门关注。这种情况下，如何更好的应用地质雷达技术实现准确的地下水的探测，更好的为我国的工程施工服务，就成为了有关工程技术部门要面对和解决的又一难题。 [科]
【参考文献】
[1]胡少伟，陆俊，牛志国.高速地质雷达在引水隧洞混凝土衬砌质量检测中的应用[J].水利水运工程学报，2010（2）：1-6.
[2]陆俊，游日，牛志国.高速地质雷达在公路隧道衬砌质量检测中的应用[J].筑路工程与施工机械化，2010，27（5）：24-27.
[3]杨峰，彭苏萍.地质雷达探测原理与方法研究[M].北京：科学出版社，2010.
关键词：地质雷达技术埋地管道缺陷探查
中图分类号： F407 文献标识码： A
1地质雷达探查技术简介
地质雷达(Ground Penetrating Radar,简称GPR) 也称探地雷达，是一种新兴的地下探测与混凝土建筑物无损探查设备，它是利用宽频带高频电磁波信号探测介质结构分布的非破坏性的探测仪器，是目前国内外用于测量混凝土内部缺陷最先进、最便捷的仪器之一，天线屏蔽干扰小，探测范围广，分辨率高，具有实时数据处理和信号增强，可进行连续透视扫描，现场实时显示二维彩色图像。地质雷达工作示意图见图1。
图1 地质雷达工作示意图
地质雷达技术(Ground Penetrating Radar Method)是利用雷达发射天线向建筑物发射高频脉冲电磁波，由接收天线接收目的体的反射电磁波，探测目的体分布的一种勘测方法。其实际是利用介质等电磁波的反射特性，对介质内部的构造和缺陷(或其他不均匀体)进行探测。
地质雷达通过雷达天线对隐蔽目标体进行全断面扫描的方式获得断面的扫描图像，具体工作原理是：当雷达系统利用天线向地下发射宽频带高频电磁波，电磁波信号在介质内部传播时遇到介电差异较大的介质界面时，就会发生反射、透射和折射。两种介质的介电常数差异越大，反射的电磁波能量也越大；反射回的电磁波被与发射天线同步移动的接收天线接收后，由雷达主机精确记录下反射回的电磁波的运动特征，再通过信号技术处理，形成全断面的扫描图，工程技术人员通过对雷达图像的判读，判断出地下目标物的实际结构情况。地质雷达工作原理示意图见图2。
图2 地质雷达工作原理示意图
电磁波的传播取决于介质的电性，介质的电性主要有电导率μ和介电常数ε，前者主要影响电磁波的穿透(探测)深度，在电导率适中的情况下，后者决定电磁波在该物体中的传播速度，因此，所谓电性介面也就是电磁波传播的速度介面。不同的地质体(物体)具有不同的电性，因此，在不同电性的地质体的分界面上，都会产生回波。基本目标体探测原理见图3。
图3 基本目标体探测原理示意图
2地质雷达探查实例简介
（1）探查部位
探查部位为某引水工程玻璃钢夹砂管道。对存在渗漏、管道底板起鼓、裂缝等缺陷的问题管道，采用数字地质雷达进行管道脱空探查、管材内部及管材与基础结合面探查。
（2）探查设备及人员安排
地质雷达探查采用瑞典RAMAC/GPR ProEx型数字地质雷达，配备500 MHz、800 MHz和1.6 GHz屏蔽天线，探查深度分别为3m、1.2m、0.3m。现场探查工作方式为连续探测，采用距离触发模式。现场探查时安排3人，1人负责主机操作，1人负责操作天线，1人负责现场照明。
3地质雷达探查结果分析
（1）管道基础缺陷雷达图像
该管道基础不密实，存在局部脱空、典型裂隙、管底孔洞等基础缺陷。
现场对地质雷达探查发现的管底脱空的管道进行了敲击验证，敲击验证表明，地质雷达判断有脱空的管道底板敲击有空鼓声，但范围均不大，宽度均小于0.5m，沿管线并不连续，有间隔，显示脱空范围均不大，目前尚不构成危害。管道承插口部位雷达图像全部异常，与承插口之间的缝隙有关。缝隙的两界面反射信号强，时程差小，因此在承插口部位下部基础仍有强反射界面信号，但不表示承插口部位下部基础不密实。见图4。
管底基础2m深范围内雷达图像明显异常，出现连续、多次强反射信号，推定为原管道基础问题。鉴于同相轴呈平弧形，时程差较小，显示基础内有层间水平裂隙，可能是该管段基础换填采用了块石，由块石层间缝隙造成，也不排除原基础为富水不密实区域。见图5。
深度0.5m至1.0m存在典型基础裂隙，该管段基础不密实。见图6。
深度1.5m范围内图像异常，推断管底部存在空洞。见图7。
图4 管道基础局部脱空雷达图像 图5管道基础不密实区域雷达图像
图6 管道基础裂隙区雷达图像 图7管底孔洞雷达图像
（2）管道鼓包和裂隙雷达图像
玻璃钢夹砂管与钢管连接处，距离插口85cm，管身左腰位置有直径25cm的鼓包，鼓包中间有环向裂缝，图8为鼓包和裂隙处现场照片。鼓包处雷达图像解释：顺水流方向测线显示，鼓包裂缝下游侧深度0.1m至0.4m范围内存在典型的不密实区域，有基础裂隙。环向测线显示，沿鼓包裂缝深度0.15m至0.45m范围内存在典型的不密实区域。鉴于不密实区域较小，可对玻璃钢夹砂管鼓包裂缝部位进行修补，不进行灌浆处理。图9和图10为鼓包和裂隙顺水流方向测线和环向测线雷达图像。
图8 鼓包和裂缝照片
图9 鼓包和裂隙顺水流方向测线雷达图像 图10 鼓包和裂隙环向测线雷达图像
（3）管道承插口渗漏图像
承插口涌水较为严重，现场照片见图11。承插口雷达图像解释：顺水流方向雷达图像显示，测线4.6m到5.3m段的70 cm长度为承插口段，深度0.1m至0.6m区域为典型的不密实区域，黄线位置的波形图显示，深度0至0.2m范围雷达波振幅接近为零，说明富含水。环向雷达图像黄线位置的波形图显示，深度0至0.25m范围内部没有振幅，说明富含水。表明该承插口渗漏部位已形成渗漏通道，通道宽度为60cm，深度20～25cm。建议立即进行灌浆处理，封闭渗漏通道。图12和图13为承插口顺水流方向测线和环向测线雷达图像。
图11 承插口渗漏照片
图12 承插口顺水流方向测线雷达图像 图13 承插口环向测线雷达图像
（4）探查结论
雷达探查图像显示，该管道基础不密实，存在局部脱空，敲击验证有空鼓声，宽度均小于0.5m，单节管道沿管线方向脱空不连续，有间隔，显示脱空范围均不大，目前尚不构成危害。
管道存在鼓包和裂隙，该部位雷达探查显示，不密实区域较小，可对玻璃钢夹砂管鼓包裂缝部位进行修补，不进行灌浆处理。
承插口渗漏部位已形成渗漏通道，通道宽度60cm，深度20cm，需在恢复通水前进行灌浆处理，封闭渗漏通道。
4 结语
此次实际工程地质雷达探查结果证明，地质雷达技术是探查埋地管道缺陷的可靠方法，对于存在渗漏、管道底板起鼓、裂缝等缺陷的问题管道，可以采用数字地质雷达进行管道基础脱空探查、管材内部及管材与基础结合面探查，该方法可实现埋地管道缺陷的快速无损诊断。
参考文献
[1] 中国水利水电科学研究院，深圳北部水源工程2012年停水检修玻璃钢夹砂管缺陷探查报告，2013.3.
[2] 冷兴武等，现行RPM管道标准中存在的若干问题，哈尔滨玻璃钢研究院，2007.3.
【关键词】公路隧道；地质雷达；检测；超前预报；应用
1、工程概况
小北山二号隧道为长隧道，按左、右线分离布设。左线隧道起讫里程ZK19+571～ZK21+091，长1520m，揭阳端洞口采用削竹式，洞口设计标高30.353m，惠来端洞门采用削竹式，洞口设计标高17.398m，坡高0.5%～-1.317%，隧道最大埋深约209m。右线隧道起讫里程ZK19+599～ZK21+081，长1482m，揭阳端洞口采用削竹式，洞口设计标高30.493m，惠来端洞门采用削竹式，洞口设计标高17.490m，坡度0.5%～-1.321%，隧道最大埋深约212m。隧道位于丘陵地区，山体地形陡峭，山体植被较发育，山体发育花岗岩孤石，大小不一。隧址区基底主要为燕山期花岗岩，局部见辉绿岩岩脉，覆盖层由粘土、全～强风岩组成，基岩由中~微风化岩组成。隧址区地下水类型主要为潜水，含水层主要为第四系松散层的孔隙及中～微风化岩的风化裂隙。
2、地质雷达的发展及其应用
随着社会的高速发展，有很多的方便加上很多的仪器可以在岩土勘察中使用，重要的方法有弹性波法及其电磁波法。在实际工程当中经常使用的电磁波法就是地质雷达，隧道地震探测仪比较适合远距离宏观的地质问题探测；并且地质雷达方法可以结合高频电磁波而进行非常快的无损伤探测，因此频段非常高的话可以在隧道结构当中进行检测。公路的隧道工程埋深、规模以及数量随着时间的增加而不断地变多，而在施工的过程当中也遇到了很多复杂的工程地质条件。虽然说在设计以前都作了非常详细地质勘察，但是在隧道实际的开挖施工当中，还会有非常多的问题发生的。从这些方面就可以很好地说明，在隧道施工过程当中的围岩稳定性状况以及一些掌子面前方的实际情况，并且做出及时地超前预报。当隧道发生一些事故或者竣工以后，应该结合现行的规范上面要求以及隧道本身的结构特性，不但应该在隧道的表面进行观测以及净空断面进行测量，需要的时候还应该采用地质雷达进行一些更深入的检测，例如围岩的密实完整稳定的情况、钢拱架的分布情况、有无离析以及蜂窝麻面、衬砌混凝土的均匀一致性以及相对应的完整性以及衬砌有效厚度等等。经过实际的情况可以证明，地质雷达技术可以在隧道的施工当中作出非常详细的超前地质预报。现在，地质雷达检测技术已经发展到了单点探测以及连续探测的实时自动成图。而国外的国家探地雷达基本上是单脉冲雷达，其工作的频率在50到2G赫兹，最为代表性的国家是美国和加拿大。我们国家所生产的一系列地质雷达，结合地下工程的超前预报的特点，采用的是脉冲调制式，这个的探测距离非常大，而且分辨率也非常高，其工作的频率大约在160到220兆赫兹，其探测的距离可以达到40到60米，可以很好地适应超前地质预报以及部分的工程检测。
3、探测的原理以及方法
结合设计的图纸以及设计的任务书按照规定进行开展地质超前预报的工作，其预测应该是沿着隧道纵向三十米的范围以内对一些不安全的地质问题进行检查，对前面的地层岩性变化以及水文地质特征（软弱岩层的分布、断层发育及其影响带、水的赋存情况等）进行探测，对隧道围岩的级别进行分析，并列出一些施工的建议，确保隧道施工的安全，减少一些不必要的损失，为动态的设计提供所需要的地质参数，从而可以更好地为隧道施工进行服务。本次的地质预报使用的是地质雷达系统，运用了空气耦合型100兆赫兹的天线，结合探测的前方岩石的特点以及现场施工的条件，对距离30米左右进行详细地探测。而这次预报的工作面位于ZK19+735里处的地方，使用一些点测的方式，使用一系列的方法对工作面的正前方进行详细地预测。
4、数据的处理以及得出来的结果
对实际测量出来的资料用一系列的软件进行处理分析，再结合现场的岩性所具体的实际情况，选择一个比较适合的相对介电常数，进而得出来一些成果，在成果的解释当中，开始的时候，假如发现了有非常明显的反相位反射波组出现的话，就应该岩性变坏的一个表现；假如发现了有非常明显的正相位强波反射波组出现的话，就应该是岩层岩性变好的一个表现，结合反射波反射强度的实际大小就可以区分反射界面前方介质的一系列的特征。依据雷达数据处理结果并结合地质资料分析得出以下预报结果：（1）掌子面为强风化花岗岩，上方自稳能力差，中部伴随严重掉块，局部潮湿明显，推断围岩级别为Ⅴ级。（2）掌子面右侧前方4~10m（ZK19+739~ZK19+745）区域反射信号强烈，同相轴紊乱，推测此区域与掌子面情况类似，有明显破碎带，围岩完整性差，推断围岩级别为Ⅴ级。（3）掌子面前方10~15m（ZK19+745~ZK19+750）区域反射信号衰退稳定，同相轴平稳但仍存在断开处，推测此区域岩性略微好转，但依旧破碎且含水，推断围岩级别为IV级。（4）掌子面前方15~30m（ZK19+750~ZK19+765）区域信号较弱，加大增益后发现同相轴较为连续，推测此区域岩性好转，级别应为IV级。依据结果给出的建议：（1）ZK19+735掌子面围岩为强风化花岗岩，自稳能力差，局部潮湿明显，中部掉块严重，应严格控制进尺，加强支护，预防坍塌。（2）掌子面前方10m区域围岩与掌子面情况相似，稳定性差，破碎带明显，容易坍塌。严格控制进尺，及时做好初期支护工作并保证强度，防止掉块与坍塌，同时做好排水工作。（3）掌子面前方20m区域后，岩性有所好转。建议采用上下台阶方法，并严格控制进尺，及时做好初期支护工作并保证强度，防止掉块与坍塌，同时做好排水工作。
5、结束语
关键词：隧道； 地质雷达； 介电常数； 脱空；
Abstract：On the basis of the application of geological radar in tunnel detection, the feasibility is elaborated in detecting the common flaw of tunnel, proceeding from the principles. Meanwhile the instances prove the monitoring ability of geological radar in tunnel construction. It is helpful for the popularization and application of geological radar.
Key words：tunnel； geological radar； dielectric coefficient； hollow；
中图分类号：TN95文献标识码：A文章编号：2095-2104(2013)
进入21世纪，随着我国经济迅速发展和科技水平的不断提高，铁路建设对隧道的应用越来越引起人们的重视，并得到迅猛发展。但受诸多因素影响,隧道衬砌混凝土可能会出现空洞、欠密实和欠厚等工程质量问题。为及时发现隧道衬砌混凝土的质量问题,可利用具有高分辨、高效率的地质雷达法进行无损检测。
地质雷达工作原理
地质雷达是由主机、天线和配套软件等几部分组成，根据电磁波在有耗介质中的传播特性，发射天线向被测介质发送脉冲形式的高频宽带电磁波。电磁波在介质中传播过程中，当遇到存在电性差异的地下目标体，如空洞、分界面时，电磁波便发生反射，返回到接触面时由接收天线所接收。在对接收天线接收到的雷达波进行处理和分析的基础上，根据接收到的雷达波形、强度、双程走时等参数便可推断目标体的空间位置、结构、电性及几何形态，从而到达对地下隐蔽目标物的探测。地质雷达采用非接地性测量，可作快速连续无损检测，能比较直观地表现检测目标物。因此,采用地质雷达法对隧道衬砌混凝土质量进行检测是可行的。
图1.地质雷达工作原理
地质雷达工作时，由发射天线（T）向地下介质发射一定中心频率的高频电磁脉冲波，经地下地层或目的体反射后返回地面，被接收天线（R）所接收（见图1）。
1.1电磁波行走时间
式中： t—地质雷达记录时间
D—探测目的层深度
X—发射天线与接收天线的距离
V—电磁波在介质中的传播速度
当采用的天线为收发一体时X=0，公式可简化为
电磁波在介质的传播速度
电磁波通常被近似为均匀平面波，其传播速度在高阻介质中取决于介质的相对介电常数即：
式中，C—电磁波在大气中的传播速度，约为m/s；
ε—相对介电常数，不同的介质其介电常数亦不同
常见介质的介电常数值见表1。从表1中可知介质的组成不同，介质的性质也不同，导致了电磁波在不同介质传播中的差异。
表1.常见介质的相对介电常数值
1.3电磁波反射系数
电磁波反射信号的振幅与反射系数成正比。对于地质雷达，发射和接收天线靠的很近，几乎垂直发射和反射，此时入射角趋近与零。因此，反射系数r可表示为：
反射信号的强度主要取决于上、下层介质的电性差异，电性差越大，反射信号越强。当两个介质的介电常数相同时，反射系数为0，不发生反射，仅有透射。
现场检测
2.1 测线的布置及里程标记
对于铁路双线隧道而言，现场需要对隧道衬砌的拱顶、左右拱腰（距起拱线1米处）、左右边墙（距轨面2米处）和左右仰拱中心线（见图2）这7条测线进行数据采集。如果是单线隧道仰拱只检测仰拱中心线即可。检测点定位以各隧道施工单位所提供测量为准。为保证点位的准确,在各隧道壁上每5 m 作一标记,标上里程,当天线对齐某一标记时,由仪器操作员向仪器输入标记,在雷达记录中每5 m 作一标记。
图2.测线断面布置示意图
2.2 天线的选择
用于隧道检测常用的天线，其频率为100MHz~1.5GHz。频率高的天线，精度较高，能量衰减较快，探测深度较浅；频率低的天线，精度相对较低，能量衰减较慢，探测的深度较深．因此，选用天线时，应根据隧道衬砌设计的厚度及检测要求而定。如果建设方不作具体要求，一般采用400MHz的天线。
2.3 雷达采集参数的选择
现场检测开始前，应该对地质雷达的采集参数进行设定。参数设定的主要内容包括天线频率、天线发射率、记录长度、介电常数和扫描速度等。参数设置的是否合理影响到记录数据的质量，更加关系到后期数据分析的准确性。
典型图像分析
下面简单的对常见的几种雷达图像进行分析。
3.1 异常图像
在雷达图像分析前，我们首先要掌握所检测隧道衬砌的相关参数，如围岩等级、衬砌厚度和钢筋间距等；其次应根据现场记录，分析可能存在干扰的预埋管件等刚性构件的位置，准确地去区分衬砌内部缺陷异常与预埋管件异常。如图3所示，雷达天线经过的拱顶测线位置安装有接触网预留滑槽，使得图像出现异常反应，但这不能判定为缺陷。因此，排除干扰对缺陷判识起到重要的作用。
图3
3.2 标准钢筋及拱架图像
如我们所检测隧道衬砌内钢筋排列整齐，混凝土密实；同时，我们在现场采集时选择参数合理，我们采集的图像即为雷达标准图像（如图4所示）。图像中混凝土内无异常反应，钢筋为分散的倒“V”字型反射信号。
图4 雷达标准图像
在隧道衬砌初期支护内布设的钢架，在雷达图像中呈现出分散的月牙形强反射信号（如图5所示）。
图5 初支内布设的钢架图像
3.3 围岩裂隙
在隧道二衬检测中我们通常选用400MHz的天线，它的探测深度在2米左右。当衬砌内为未布设钢筋时，图像能清晰的反应出初支背后较明显的围岩裂隙的图像（如图6所示）。
图6 初支背后存在明显围岩裂隙的图像
3.4 衬砌内脱空
在隧道衬砌现在施工过程中，由于各种因素的影响经常会导致衬砌内出现脱空的现象。当遇到脱空时，由于空气与混凝土介电常数差别较大，电磁波在喷混凝土与空气之间将产生强反射信号，图像呈弧形且反射界面明显。如图7所示，为比较典型的三角形脱空图像。
图7 典型三角形脱空图像
结束语
地质雷达法现在已经广泛应用于对隧道衬砌的现场检测。它采用高科技手段，以其高分辨率和高准确率，快速、连续且高效的无损检测方法很快得到人们的认可，人们在实际工程中的推广和应用，经过长期实践和不断发展，现已形成一套完整的检测系统。这种无损检测方法对于隧道质量的监控提供了很好的保证。
参考文献
[1] 李大心.探地雷达方法与应用. 地质出版社.1994
关键词：超前地质预报；探地雷达；岩溶隧道；数据解释
中图分类号：U452 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）31-0043-02
隧道超前地质预报是利用钻探以及各种现代物探等手段，探测隧道开挖面前方的地质情况，力图在施工前掌握前方的岩土体结构、性质、状态以及地下水、瓦斯等的赋存情况、地应力情况等地质信息，为进一步的施工提供指导，以避免施工及运营过程中发生涌水、瓦斯突出、岩爆、大变形等等地质灾害，保证施工的安全和顺利进行。特别是岩溶发育地区的山岭隧道，因为隧道前方岩溶分布情况，极大地影响到施工安全和施工进度，所以超前地质预报的地位更为显著，在探明前方地质概况后，可以事先做好相应施工准备，避免岩溶酿灾，同时还能确保经济、快速施工。
1 探地雷达原理简介
探地雷达是地球物理探测手段的一种，其地球物理前提是待测目标的物理性质和周边介质存在差异，这里所说的物理性质主要是介质的介电性质，探地雷达的工作原理可以表述为：主机控制发射天线向目标体发射电磁波，电磁波在目标介质中传播，当遇到电性分界面的时候，电磁波被反射回来，地质雷达接收天线接收反射回来的电磁波，并传回主机记录。主机记录到的电磁波在能量、波形、波相、传播时间等都会根据介质的物理性质的不同而变化，通过识别这些变化就能推测出介质中的界面位置、形态等信息。原理图如图1所示。在隧道短距离超前地质预报中，探地雷达具有分辨率高、操作简单、检测时间短、对正常施工影响小、具备实时数据处理功能等优势，因而深得人心。
2 探地雷达数据处理步骤
探地雷达原始数据的好坏直接影响后期处理乃至地质解释等环节，因此，清晰、真实、高信噪比的原始数据是一切解释工作的前提。为此，在测量过程中需要严格做到如下三点：（1）对可能对探测带来干扰的干扰源进行处理，如台车、交流电线等，不能进行处理的要详细记录其所处的位置及形态等，以便在探测结果中能正确识别；（2）雷达天线要与掌子面围岩密切贴合，采用连续测量时，天线移动速度要尽可能均匀，并在掌子面及数据体中对应打标记。若掌子面平整度差，需采用点测，则要注意天线每次移动的距离不应过大，以保证横向采样能充分覆盖探测目标；（3）测试结束后要回放数据，对数据进行预判，对于存在疑虑的异常点，可重复测量，验证一致性，同时判断是否是现场干扰。
得到原始记录后，通常并不能直接进行解释，为了解释成果的尽可能准确，需要对原始数据作一系列处理，以达到去伪存真，提高数据信噪比的目的，常规处理过程如下：（1）信息挑选，测量中并非所有采集到的数据都能被有效利用，如测量开始前及测量结束后被意外采集的空白数据、天线被架空时的纵向干扰带、在同一位置重复的采集数据等都需要去除，否则会给后续处理带来影响；（2）确定地面反射时间，其目的是为了准确确定反射目标的深度位置；（3）确定增益参数，适当的增益可以使反射目标更加清晰，易于辨别，但需要特别注意到：增益过大或使用不当可能给原始数据带来各种假象或异常体局部特征被放大，不利于整体目标的识别；（4）压制各种背景数据及干扰，这一过程通常通过滤波来实现，从而提高原始数据的信噪比，达到突出异常反射的目的；（5）偏移处理，由于发射天线和接收天线之间存在距离，因此电磁波在探测目标中的孤立异常体周围会发射绕射，对孤立异常体形态的识别带来干扰，偏移能让绕射波归位，让孤立异常体形态变得清晰可循，有利于对目标体的识别；（6）深度转换，野外获取的探地雷达数据是电磁波随时间变化在目标体中的传播展示，而后期解释需要的是异常目标体的具体深度位置，因此，准确的深度转换是非常重要的，这涉及到准确提取探测目标体速度的问题。
上面仅简单列举了地质雷达超前地质预报数据的常规处理过程，根据原始数据品质的不同以及实际需要的差异，通常还有增加里程标识及高程信息、静校正、数据测量方向反转、反褶积等处理手段。
3 探地雷达超前地质预报实例
3.1 预报工作面地质概况
拟预报段落隧道围岩为灰岩，根据前段施工经历，该隧道岩溶十分发育，掌子面整体较完好，基本平整，细微节理发育，延伸短，掌子面略显潮湿，但未见明显出水。现场测试采用100MHz屏蔽天线，相对介电常数设置为7，测量时窗为350ns，采用点测方式测量，测线布置于掌子面中下部，如图2所示，测点间距控制在10～15厘米每点，测线长度约10米。
3.2 掌子面前方地质解释
图3所示为预报结果，其中左图为灰阶谱图，其特点是反射波同相轴连贯（若存在），有利于识别异常体形态，适合追踪界面以及勾勒异常体轮廓；右图为波形图（又称Wiggle图），波形清楚地展示了反射波的波形、波相以及能量的变化情况，有利于推测反射目标体的物理性质。
结合图3左侧灰阶谱图可以看出深度2.5～6米、横向2～5.5米范围内电磁反射回波能量异常增强，呈团状反射，上部包络依稀呈双曲线状，后续多次反射波发育；从图3右侧Wiggle图对应位置可以看到反射波多以较“锋锐”的中高频为主，偏“胖”的低频回波发育较少；基于以上认识，推测对应位置为小型空洞。在图3中下部位置，有斜向右上角发育的强反射同相轴，连贯性好，具界面特征，其频率中等，推测为裂隙或破碎夹层，少量掺泥。整个探测范围内，电磁回波频率都集中在中高频段，推测前方围岩受地下水影响相对较小。
3.3 开挖验证
为积累原始资料同时提高解释人员水平，超前预报后技术人员对开挖情况进行了跟踪。在开挖至前方2米时，掌子面左侧掘遇溶洞，形态与预报结果相当，但规模小于预报结果，纵横向尺寸约为2×2米，底部填少量泥质，微微润湿-干燥状；9～13米段落间陆续发现破碎夹层，厚度约20厘米，充填岩屑及少量泥质，微微润湿-干燥状。在预报范围内掘进中发现地下水影响较小。
4 结语
探地雷达是隧道超前地质预报中准确有效、方便快捷的探测手段之一，但由于地下介质的复杂性，对探测结果进行准确的解释还需要解释人员注重经验积累：
（1）探测结果中异常体的尺寸以及位置是值得反复推敲的问题，应绕射现象的存在，异常体规模通常小于探测结果中规模，这在本次探测中是有体现的；另外，关于异常体的精确埋深，通常也不宜准确获取，因为现场测试中，围岩相对介电常数值通常不是一成不变的，也不易精确获取，数据解释中应予以注意。
（2）隧道超前地质预报应作为隧道建设必不可少的一环来做，从而降低施工的盲目性，提高高全系数；同时，也能从某种意义上加快施工进度，节约费用。
（3）物探手段因探测目标的不可见及复杂性而广泛存在多解现象，这一特点是不可以消除的，只能通过多种手段从不同角度去修正探测结果，提高准确率。如隧道超前地质预报通常辅以一定数目的超前钻孔或加深炮孔来对预报结果进行修正，同时，注意积累工程经验也是提高预报成功率的必经之路。
参考文献
[1] 周治国.隧道工程超前地质预报技术研究[D].同济大学，2004.
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[4] 王红霞.地质雷达探测铁路路基的原理与应用研究[D].同济大学，2001.
[5] 梁栋，黄鑫.探地雷达在隧道超前地质预报中的应用与数据处理[J].科技信息，2011，（16）：396.
[6] 周青.地质雷达探测铁路路基数据处理技术研究[D].同济大学，2001.
【关键词】地质雷达；隧道工程质量检测；应用
1 引言
近年来，我国的铁路、公路相关隧道工程得到了很大的发展，在很多地区，隧道工程也已经成为了很多线路中的控制工程，其建设的质量将直接对隧道的整体安全性带来影响。但是，由于隧道的部分工作如衬砌等较为隐蔽，在隧道建设完成后，用普通的方式很难对其施工质量进行检测。而这时，就需要使用地质雷达技术对其进行检测。地质雷达技术是目前在国际中应用广泛的一种检测方法，其有着无损、快速的检测特点，同时以实时成像的方式来对结构的剖面进行显示，从而使检测人员能够更为直观的对其进行分析与判断。而如何能够通过地质雷达技术对隧道工程质量进行良好的检测，则成为了目前行业人员关注的问题。
2 地质雷达技术在隧道工程应用的实例
在南部地区的某隧道中，其地质组成主要是二叠、三叠系灰岩，对于隧道施工带来了以下难点：爆破超挖、欠挖、断层破碎带等等，以上问题对于施工的衬砌质量都带来了一定程度的影响，下面我们就以地质雷达检测的方式，以无损的方式对以上问题进行解决。
2.1 异常体地质雷达检测资料的特征分析
通过将地质雷达紧贴衬砌壁的方式进行检测，当雷达信号发出后，就会遇到衬砌壁，并以极快的速度返回从而被雷达所检测，这样就会在雷达图中形成了垂直坐标为0的坐标，其所对应的基本水平的支线。
而对于质量合格的混凝土衬砌来说，其在正常情况下不会发生反射，这种情况在雷达图像中将以黑色的形式进行呈现，而有异常的位置则会在雷达图像中以规律的图形形式进行显现，其形成的电性差异将会对反射信号的强弱进行决定，而这种反射信号会随着电性差异的增大而更加强烈。如衬砌位置回填不够密实，那么就会因为混凝土与空气间的巨大差异而会以白色的方式在雷达图像中进行显现。而由于衬砌中混凝土与钢筋存在着较大的电性差异，就会以浅灰色在雷达图像进行呈现。而如果衬砌内部的混凝土没有捣固均匀，那么其存在的小反射面就会以灰黑色或者晦涩在雷达中显示。
2.1.1 脱空现象
当防水板悬挂方式不当或者光爆效果不佳的时候，就会出现衬砌接触不密实或者衬砌脱空的现象。而当光爆效果不佳时，按照相关规定则应当在支护的初期使用同级别的混凝土对其进行找平。而如果没有按照上述方式施工，而在拱部钢筋网背后垫片石后再进行混凝土的喷射，从而在喷射层后部出现一连串连续的空洞，从而对质量形成了一定的隐患。
图1 衬砌接触不密实的雷达图像
在上图中，我们发现纵坐标10.0处有一连串的白色圆状图像，这就是接触不密实在雷达图像中的表现，而图中的一串白色长条区域就代表这此处有着脱空现象的存在，而在其两侧，分辨分布这空气与混凝土，同时因为其有着较大的电性，从而使得其在雷达图像中以白色进行显示。
2.1.2 欠挖现象
如果对光面的爆破没有控制好，那么就会较为频繁的出现欠挖、超挖的现象。此时如果没有在施工的过程中采取适当的补救，就会在隧道断面出现一连串类似锯齿样的起伏，这种情况的出现不仅会很容易出现脱空现象，还有可能导致隧道由于其衬砌的厚度不够而对施工的质量产生影响。
图2 衬砌防水板背后脱空、厚度不够的雷达图像
在上图中，在混凝土反射界面之后，有着一个类似八字形的白色反射截面，而这个截面就应当衬砌同岩石的截面。通过界面可以看到，此混凝土的衬砌厚度有着中间薄、两边厚的现象出现。且图像中2080079.99处的衬砌厚度明显过薄。
2.1.3 钢筋布设不合格
在隧道施工的过程中，常常会由于控制不当的原因，从而出现钢筋布设数量不够、钢筋网缺失、错断等布设不合格的问题出现。
图3 钢筋缺失、错断、趁机后连续脱空的雷达图像
在上图中，就是由于钢筋缺失、错断问题的雷达图像。且由于围岩同钢筋之间有着较大的电特性差异，其介电常数也有着较大的差别，所以很利于我们使用地质雷达对其中的钢筋情况进行探析。在上图中可以看到，在隧道钢筋的反射中，其显示图像为外部白色、内部浅灰色的半圆型，从而可以看出图左半区的钢筋布设是符合要求的，而在129.93.99处则可以明显的看出钢筋出现了错断的现象。
2.2 具体应用
在该地区测试段中，其衬砌材质为C35号混凝土，以双层钢筋的形式进行布置，在同等条件下其混凝土的电磁波波速为13cm/ns，经地质雷达检测后，其波形图如下所示：
图4 有钢筋段雷达波形图
而在另一段没有钢筋的混凝土衬砌段中，其使用的混凝土型号为C30，经过同样的混凝土标定后，其电磁波速约为11cm/ns，经地质雷达检测后，其波形图如下所示：
图5 无钢筋段雷达波形图
由于混凝土同钢筋之间有着较大的电性差异，所以其在雷达图像中就属于一种由较强反射能力的异常体存在。在图4中我们可以看到，在5.00纵坐标处有很多的小圆圈所组成的两条曲线，而这就代表着两排钢筋。从图像中可以看到，该区段的混凝土布置情况较为均匀，大体上没有缺失现象的出现，且混凝土厚度也能够较好的满足施工要求。而为了进一步对预想结果进行证实，我们在该衬砌段的雷达测线中以任意选取两点的形式对其进行了钻芯验证，结果表明符合设计要求。而在图5中，其显示为普通无钢筋的混凝土雷达图像，可以看到，其在50cm的范围内，没有发现较为明显的异常体存在，而在雷达检测结果合格的同时，我们也对其进行了进一步的实际检测，发现其厚度也能够施工的需求。只是在其衬砌后方的初期支护处存在少量的不密实现象。
2.3 地质雷达检测中的相关经验
2.3.1 对于普通的混凝土来说，如果混凝土内部较为均匀，且没有存在异常体，那么就会以黑色的形式在雷达图像中显现。而如果其中存在异常体，那么就会在雷达图像中以一定有规律、其它颜色的形式进行显现。而对于雷达图像有较暗、较弱的反射面来说，其就应当判断为混凝土内部有着不均匀的现象，而不是存在异常体。
2.3.2 对于混凝土来说，钢筋则属于异常体的一种，由于这两者之间有着电性的差别，从而会在雷达图像中以很多小圆圈组成的曲线存在，颜色主要为浅灰色以及白色。通过雷达图像，则可以对其判定钢筋的布设情况是否合理以及钢筋是否有缺失、错断的情况存在。
3 结束语
总的来说，地质雷达技术在我国目前的隧道工程质量检测中有着重要的作用，是对隧道工程质量进行检测的重要保障。在实际的隧道工程检测中，我们也应当根据地区实际情况，以对地质雷达技术良好应用的方式，来对我国的隧道工程质量进行保证。
参考文献：
[1]王先桃，包太.地质雷达在某公路路面检测中的应用[J].贵州大学学报（自然科学版），2010（03）.
[2]李华，张庆旺.浅谈地质雷达在公路工程质量检测中的应用[J].黑龙江科技信息，2011（26）.
关键词：地质雷达、空洞、城市道路
中图分类号：U41 文献标识码：A 文章编号：
随着城市地下空间的不断开发利用，特别是大规模的地铁建设施工，因为复杂的地质条件和多变的施工环境，不时有地面下陷和沉降过大的报道。在繁忙的城市道路上快速、准确的对存在的较大空洞提前预警并准确定位，地质雷达成为最主要的探测技术之一。
1、地质雷达工作原理
地质雷达是一种宽频带高频电磁波信号探测介质分布的无损探测仪器。它通过天线发射和接收电磁波反射信号，在测线上不断移动天线来获得相关的剖面图像。地质雷达天线的发射端向地下发射高频电磁波，电磁波信号在地下传播时遇到不同介质的界面时就会发生反射，反射的电磁波被与发射端同步移动的天线接收端接收后，通过雷达主机精确记录反射回的电磁波的波形特征，再通过相关的技术处理，得到雷达剖面图，通过对剖面图波形特征的分析，判断测线位置下是否存在空洞或异常。
介质的介电常数差异越大，反射的电磁波能量也越大。由于空洞内填充的介质与周边的介质存在明显的电性质差异，电磁波会在空洞的界面处发生反射，反射的电磁波由地面的接收天线接收，根据电磁波发射与反射波返回的时间差和介质中电磁波的传播速度来确定空洞距测量表面的距离，达到检出地下空洞位置的目的。
电磁波传播时间与空洞深度的关系如下：
其中：z：目标体深度，单位米；v：电磁波在介质中的传播速度，单位米/秒；c：电磁波在真空中的传播速度；：介质的相对介电常数，无单位；t：地质雷达记录的电磁波传播时间。通过这个公式，可以将雷达接收到的双程走时转换为反射目标体的深度。地质雷达的工作原理见图1。
地质雷达主要利用宽高频时域电磁脉冲波的反射探测目标体。
地质雷达根据测得的电磁波传播时间，自动求出反射物的深度z和范围。
图1 地质雷达的工作原理示意图
2、地质雷达探测方法的优点
地质雷达具备设备轻便、探测速度快、信号屏蔽效果好、分辨率高、对检测对象无破坏等优点。地质雷达系统通常由雷达主机、天线和连接光纤或电缆组成，能够在复杂的城市交通路面上快速拖动，采集数据速度快，无需特别准备，能够在短时间内迅速采集到大量的地下信息；地质雷达在进行城市道路地下空洞探测时，使用的天线频率较高，因此可以得到高分辨率的探测结果；地质雷达系统对探测对象本身不产生破坏，达到完全的无损检测，达到保护探测对象的目的。
3、天线的选择和参数设置
根据检测工作分辨率的需要，通常选用两种频率的天线对测区进行探测，例如100MHz和500MHz屏蔽天线。雷达检测参数设置通常遵循如下原则：
①采样频率（Sampling Frequency）：数值设置为大约天线频率的10倍，。采样频率与波形长度有关，采样频率越高，对应的时窗越小。
②采样数（Number of Samples）：采样数设置较高，将会增大整个的时窗长度，降低采集速度并增大数据文件。
③时窗（Time Window）：受采样频率和采样数的控制。时窗=采样数/采样频率。
④触发间隔（Trig Interval）：数值大小会影响目标体在雷达图上的成像比例。经过试验对比，100MHz和500MHz屏蔽天线触发间隔分别为0.05m和0.02m时，图像效果较好。
⑤叠加次数：自动叠加（Auto Stacking），雷达系统自动执行尽可能多的叠加次数。
⑥触发方式：距离触发，连续采集数据。
4、资料处理
地质雷达在数据采集过程中，会受到其他电磁信号、仪器噪音和复杂地下构造等因素的影响，仪器记录的信息除有用信号外，还会产生许多干扰信号，这些干扰信号降低了信号的信噪比，掩盖了真实异常并且经常产生假异常，使检测结果不准确，因此在利用雷达资料进行检测结果解释之前，还需要进行数字处理来压制干扰波，提高信号的信噪比。地质雷达资料处理的主要任务是依据地质雷达探测的基本原理，利用电磁波在介质中的传播规律和数字信号处理的方法，在计算机上对采集的雷达数据进行有效的滤波处理，使得到的记录中突出显示与地下信息的位置、形态、结构和大小等有效信息，为后期的解释服务。通常需要采用的处理步骤有：
①DC removal：通常每道波形的振幅都存在一个常量的偏移，我们称之为直流偏移。这步处理将在数据中去除DC部分，每道波形都将被单独的计算，作用范围通常取时窗长度下部的三分之一，时窗开的越大，这个滤波作用效果越明显。
②Subtract Mean Trace：这步处理通过减去一个所有道波形的平均值来在雷达图像上消除水平或近似水平的特征。这步处理的作用是通过减去一个一定道数或全部道数振幅的平均值在雷达图像上消除水平或近似水平的特征。处理后可以明显看出图像顶部的地面反射或直达波影响明显削弱。如果图像处理的目的是突出分层效果，这个步骤可以省略不用。
③Automatic gain control(AGC)：自动增益控制能够调整每道波形的增益，主要通过调整时间窗口内的平均振幅来实现。AGC滤波器主要目的通过对时窗信号的放大来突出深部的有用信息。放大系数的选择非常重要，放大倍数小了，达不到突出深部有效信号的作用，但放大倍数如果过大，则会起到相反的作用。
④Band Pass：带通滤波主要是在数据中去除不想要的频率，在低取舍点和高取舍点区间之外的频率成份都将被削弱。地质雷达仪器的频带宽度非常大，在数据处理中，可以根据想要的效果，使用带通滤波器在数据中去除不想要的频率，保留需要的频率。处理过后，图像上的“毛刺”消失，看起来更加直观。
⑤Running Average：这步处理通过对激活采样窗口内全部采样的平均值来替换每个采样值，这使雷达图像看起来更加平滑。该步处理是通过对一定范围内的像素点取平均值来替换该范围内的每个采样值，这使雷达图像看起来更加平滑。取点范围可以是3×3、5×5、7×7、9×9或11×11，选取的范围越大，图像处理后就越平滑。
5、资料解释和实例
通过对地质雷达数据进行有效处理后，可以得到高信噪比的资料，但是要得到准确的检测结果，还需要结合地质资料和现场记录，尽量剔除假异常，得到真正的地下结构信息，使雷达检测信息和地下真实情况相对应，获取真正的异常信息，并对该异常信息作合理解释。
城市道路下空洞的形成通常是因为各种因素的原因造成土层局部下沉，土层之间形成空洞或者脱空，空洞范围一般较大，空洞区填充物一般为空气、水或其他混合填充物，厚度一般为数厘米到数十厘米。因为空洞区填充介质与周围介质的介电常数差异较大，所以雷达剖面上的空洞波形特征反映明显，一般表现为同相轴不连续，上部界面反射信号强，三振相明显，在其下部仍有反射界面信号，两组信号时程差较大。
5.1 应用实例1
图2是在北京城区某处探测得到的地质雷达剖面图，雷达主机采用瑞典MALA公司CUII型号主机，天线采用100Mhz屏蔽天线。从图上可以看出，红的方框区域内同相轴不连续、反射能量强，三振相明显，下部有反射界面信号，基本符合空洞波形特征。后来对此区域进行了注浆加强处理。
图2 地质雷达剖面图
5.2应用实例2
图3是在北京大兴某处探测得到了地质雷达剖面图，雷达主机采用瑞典MALA公司X3M型号主机，天线采用100Mhz屏蔽天线。因探测区域地质情况良好，雷达探测深度也较大。在图上蓝色椭圆框内，可以明显看出同相轴不连续，上部界面反射信号强，三振相明显，在其下部仍有反射界面信号，两组信号时程差较大，符合空洞的波形特征。
图3 地质雷达剖面图
6、结束语
地质雷达虽然具有探测速度快、分辨率高、抗干扰能力强等优点，但作为一种物探方法，它还是具有物探检测方法的明显特点---多解性，因此，对地质雷达探测出来的重点区域，还应采用其他方法进行确认和复测。
参考文献：
关键词：介电常数 地质雷达 检测 公路隧道
一、地质雷达进行检测过程中基本的原理分析
所谓的地质雷达，其实就是一种通过高频电磁波方式进行信号探测的探测办法，其本身是利用物体结构内部的电磁波信号在传递的过程中实际的运动特点来实现相关的检测的。一般情况下，常常被应用在一些对象比较复杂、区域面积较大、并且进度要求较高、检测速度比较突出的特殊环境下。
对于地质雷达的组成而言，其一般情况下通过下面的两个部分共同组成，一个是天线，另一个便是控制主机。而控制主机的作用便是对控制信号进行提供，而天线这是用于对高频电磁波进行发射以及接受。对于地质雷达而言，其主要使用的电磁波为几十赫兹一直到几千赫兹频段，一般所使用的形式为宽频带短脉冲形式。并且通过天线发射装置直接发送到地下位置，并且经过地下目标本身所释放的放射以后回到地面装置，同样被天线接收装置所接接收。对于地质雷达而言，其天线种类主要区分为双置式以及单置式两种类型，对于单置式而言，其主要特点便是接收器以及反射器都是融合一体的；而对于双置式而言，其主要是接收器以及反射器相互分离。
二、地质雷达相关技术参数分析以及数据采集分析
（一）相关技术参数浅析
某试验工程在进行质量检测的过程中，其所使用的地质雷达类型为美产的sir20类型，就目前而言，该类型地质雷达是世界上技术最靠前的地址勘探雷达种类，其主要的技术参数包括有以下方面：
其处理器类型为双通道实时类型的数字采集装置，工作中可以同时对2条通道的数据进行有效地记录，并且在4组数据收集后完成相应的处理分析工作；对于其主机而言，其通常情况下能够适用于所有频段的雷达天线。其适合的频率范围包括有1.60mhz一直到2.20ghz；可实现的量程增益为-22db到100db的氛围中，可以选择自动增益或者是通过手动选择的方式。在进行增益曲线的段落选择过程中，可以从1.2～8当中进行对应的选择。对于其滤波器而言，还是有自动选择以及用户手动选择两种方式，其中包括有水平滤波以及垂直时间域的滤波。其有效地扫描速率包括的范围有最小2次，直到最大800次地扫描。并且还拥有dsp数据采集系统；其信噪比大于100分贝，有效动态范围为120分贝，有效记录长度为120分贝。
（二）数据采集浅析
在某试验工程进行的过程中，我们按照隧道相关的质量检测规范以及标准，顺延这隧道内部的左右弓腰部分以及边墙部分进行5条测试轴线的布置，具体的布置示意图按照下图1中所示，在进行实际的操作过程中，在车上便将地质雷达的主机进行安装，并且由相关工作人员持天线送到固定的测试位置，在进行实际的采集过程中高的时候，挖掘机以及车，或者是操作人员以及车必须保持匀速缓慢前进的状态，以方面对数据进行采集。
在以混凝土作为测试例子进行估算的时候，其相应的相对介质参数为6.4，并且在其中其电磁波有效的传播速度保持为0.120m/ns，并且其衬砌厚度最大值则是保持在1.101m左右，并且可以根据相关的公式对时窗值进行计算。在进行外设天线的选择过程中，选择双置类型的天线（规格：900mhz）；在进行数据采集方式的确定过程中，选择线测的方式进行，对于一些异常的区域，通过点测或者补测的方式进行，在进行增益方式的选择过程中，一般情况下选择 5点进行自动增益。
三、地质雷达实测数据分析与解译
雷达记录资料中，同一连续界面的反射信号形成同向轴，依据同向轴的时间、形态、强弱、方向反正等进行解释判断是地质解释最重要的基础。同向轴的形态与埋藏的物界面的形态并非完全一致，但经过细致的分析研究，还是能够较为准确地判断其物界面。下面就针对隧道检测的基本项目对地质雷达数据分析加以说明。
（一）隧道衬砌厚度检测
足够的隧道衬砌厚度是隧道力学承载能力及使用寿命的重要保证，采用SIR-20型地质雷达能够准确、迅速、直观地检测出隧道衬砌厚度，检测方法采用五测线法（见图1）。二衬、初支与围岩之间由于组分及物性差别较大，介电常数差别较大，反射波形振幅较大，反射界面较明显，判断衬砌厚度较容易。
（二）脱空区检测
脱空区是隧道工程常见的病害，对隧道的质量有着严重影响。通常，在脱空区内填充有空气，局部富水段填充有水，而水与空气和围岩及衬砌介电常数差别较大，因为混凝土和围岩的波阻抗差异很大，反射波正反相间，波相先蓝后红，反射很强，脱空区断续蜿蜒，位置清晰明显，极易辨别。
（三）回填欠实检测
回填欠实也是隧道的常见的质量隐患，严重影响隧道的使用寿命，易造成隧道衬砌漏水、开裂，可采用地质雷达检测出。
如图2所示，回填欠实区在雷达图像上反映的波形比较杂乱，反射振幅忽强忽弱，相位变化比较大，在该区域，回填一般采用片石，片石之间有很大的空隙，使波的反射较为杂乱。
（四）混凝土裂缝检测
在衬砌的施工中，由于施工过程中的工序安排不当、混凝土龄期不够、外界温度的急剧变化等因素，经常会使衬砌混凝土产生裂缝，严重影响了衬砌的防水及承载能力，因此，采用地质雷达检测混凝土的裂缝情况有着重要意义。
结束语
在进行实际检测的过程中，地质雷达能够有效地将相关信息进行收集以及分析，并且对整个隧道质量进行科学性评估，同时将相关隐患在实际使用以前便尽可能排除。但是就目前而言，仍然存在一定的盲点，但是经过相关研究人员不断的研究以及试验以后，其一定会得到不断地完善以及改进。
参考文献：
[1] 刘四新，曾昭发.频散介质中地质雷达波传播的数值模拟[J].地球物理学报，2007，50（1）：320-326.
关键词:探地雷达;桥梁桥面;缺陷检测
中图分类号:U416文献标识码:A文章编号:1009-2374(2010)07-0028-03
在桥梁病害中,由于桥头引道高填土产生不均匀沉降,致使许多桥梁桥面与引道路面衔接处不够平整顺适,从而使车辆驶过桥头时,产生轻微或严重跳车。桥后台背沉降也是目前国内城市道路较常见的病害,而且随着城市道路桥梁建设的加快,交通流量的增加,这个问题越来越突出。桥头沉降跳车不但影响车速,影响行车质量,也会影响桥梁使用寿命;由于路面沥青材料的老化,极易造成上部的沥青混凝土砼铺装层由于沉降而破坏,这种破坏的直接结果是路面开裂,地表水沿裂缝下渗直接冲刷台背填土,导致台背填土变形或者流失,最终使得该处路基发生沉降,破坏了受力结构,出现空洞、路面沉陷的严重问题。
近年来地质雷达在路面、桥面的探测工作中得到越来越广泛的应用,它具有探测精度高,探测时间短,探测深度可控等一系列优点。但是在地质雷达的实际应用中,仍然存在着一些问题。例如读图难度较大,需要大量工程经验等。因此,本文在总结前人的基础上,对地质雷达的应用进行了总结,并结合工程实例对地质雷达的应用进行了全面的描述。
一、地质雷达探测原理
探地雷达作为路面检测的一项新技术,具有连续无损探测、高效、高精度等优点。该方法既能准确地提供城市道路面层和基层的厚度参数,同时又可以探测路基内存在的病害隐患及其结构缺陷,有助于道路养护管理部门及时发现和尽早处理,确保道路行车的安全畅通。探地雷达由主机、天线和配套软件等几部分组成,根据电磁波在有耗介质中的传播特性,发射天线向地下发射高频脉冲电磁波,当其遇到地下不均匀体(界面)时会反射一部分电磁波,其反射系数主要取决于地下介质的介电常数,雷达主机通过对此部分的反射波进行适时接收和处理,达到探测识别地下目标物的目的,如图1、图2所示:
电磁波在特定介质中的传播速度是不变的,因此根据探地雷达记录上的地面反射波与地下反射波的时间差ΔT,即可据下式算出基层异常的埋藏深度H:
H=V・ΔT/2 (1)
式中,H即为目标层厚度;V是电磁波在地下介质中的传播速度,其大小由下式表示:
式中,C是电磁波在大气中的传播速度,约为3×108 km/s;ε为相对介电常数,取决于地下各层构成物质的介电常数。
雷达波反射信号的振幅与反射系统成正比,在以位移电流为主的低损耗介质中,反射系数可表示为:
式中:ε1、ε2分别为上下介质的介电常数。
由上式可知,反射信号的强度主要取决于上、下层介质的电性差异,电性差越大,反射信号越强,对于非磁性介质,电磁波的反射特性仅与介质的介电常数有关。城市道路为层状结构,均为非磁性介质,各层介质的介电常数有明显的差异,它们之间能形成良好的电磁波反射界面。探地雷达发射的电磁波脉冲向下传播遇到这些反射界面时,就会产生发射。当结构层发生破损(如出现空洞、裂缝、脱空等),在雷达资料中便会出现明显的特征反射,如:脱空时将产生夹层反射,空洞会产生绕射等;当结构层因透水性问题而使某层含水量增大,或出现软弱夹层时,介电常数将明显增大,在资料中就可以得到高含水性的反射;且探地雷达具有极高的探测精度,在道路的结构层划分、病害检测、隐患调查中具有良好的检测效果。
各类岩石、各类土的电磁学性质有了很多的研究和测定。空气是自然界中电阻率最大、介电常数最小的介质,电磁波速最高,衰减最小。水是自然界中介电常数最大的介质,电磁波速最低。干燥的岩石、土和混凝土其电磁参数虽有差异,但差异不大,基本上多数属于高阻介质,介常数在4～9之间,属中等波速介质。但是由于各类岩土不同的孔隙率和饱水程度,显现出较大的电磁学性质差异。这些差异表现在介电常数和电导率方面,决定了不同岩性对应不同的波速和不同的衰减。
二、应用实例
勘察所用仪器为意大利IDS公司生产的RIS_K2-0型雷达,根据现场情况,选用400MHz天线工作,具体测试参数见表1:
(一)简介
浙江省某桥建于1988年,全桥长273米,主桥为预应力钢筋混凝土T梁,桥墩为钢筋混凝土空心墩。
(二)测线布置与工作量完成情况
沿车辆通行方向南测引道布置测线5条,测线号分别为:02线、03线、04线、05线、11线;沿绍兴路方向北测引道布置测线5条,侧线号分别为:06线、07线、08线、09线、10线,测线长均为30米。测线布置示意图如图3所示:
工作量完成情况:
纵测线:10条×30米/条=300米。
(三)勘察结果分析
所有结果均在普通模式下查找存在缺陷的位置。进行Move to Start处理,并在map_cl_01模式下观察道路层状结构的完整性。在map_cl_01模式下路面沥青面层呈蓝色,垫层呈红色,基层呈现红蓝交替的层状结构。这种现象是由于沥青面层与垫层介电常数差异较大,且垫层介电常数大于沥青面层,反射雷达波反相且反射强烈。
02～05线:02～06线典型区段如图4所示。02～06线不存在明显的缺陷,图中可见,地基层厚实,反射强烈,同相轴连续,说明路面下结构状况良好。
06线:06线位置如图5所示。06线自起始点12米以后的部分尚在施工,路面未铺装。从图5中可以看到在12米处雷达图像出现明显的跳动,且同性轴出现错位,与实际情况符合很好。
07～09线:07～09线位置如图6所示。07～09线不存在明显的缺陷,其典型区段如图6所示。图中可见,地基层厚实,反射强烈,同相轴连续,说明路面下结构状况良好。
10线:10线位置如图7所示。从图7中可见,在路面下距起始点7m存在疑似金属管线物体,物体呈现正相雷达反射且反射强烈,反射曲线呈近似双曲线,图中13.5～16m处0.5～1.5m深处存在似高含水区。其它位置雷达探测图如图8的典型区段。从图8中可见,同相轴连续,说明路面下结构状况良好。
三、结论
根据以上的雷达探测图像分析并结合已有的对垂直于行车方向进行探测所得结果得出如下结论:该桥桥台后背基本完好,部分存在疑似沉陷、松散、高含水等区域等缺陷。该探测结果与后期钻孔取样所得结果符合很好。因此,本次地质雷达探测是成功的。
地质雷达探测具有经济,高效,非破坏性等优点,探测精度高,分辨率高。在公路桥桥面破损长期动态监测方面必将有广泛的应用前景。
参考文献
[1]李大心.探地雷达方法与应用[M].北京:地质出版社,l994.
