探地雷达在地质复杂环境下对富水区的超前预报

探地雷达在地质复杂环境下对富水区的超前预报

唐伟

厦门合诚工程检测有限公司福建厦门361000

摘要：探地雷达是超前地质预报中常用的一种手段，对不良地质和水的探测都具有良好的效果，但是复杂环境下雷达波受到的干扰多、信息量大，这对雷达波的解译特别是对富水区的分辨带来了困难，容易引起误判、漏判。本文通过实例分析研究表明:结合本区域地质构造的雷达波形特征以及富水区探地雷达波形具有波长变长、主频降低、相位突变、能量衰减快、探测距离短等特点进行综合的分析是可以对富水区做出正确判断的。从而表明在复杂地质环境中采用探地雷达对富水区的超前地质预报是可行有效的。

关键词：探地雷达；超前地质预报；介电常数；富水区；隧道建设

1探地雷达的原理

探地雷达,用于探测岩土体内部目标体的大小以及分布位置。通过天线向掌子面内发射高频的短脉冲，电磁波在掌子面前方的传播中，会在电性差异面、电性差异体表面发生反射。接收天线将接收反射波数据，主机则将数据存储，得到了时域波形数据，见图1。在岩土体材料中，电磁波的传播速度可以由式（1）得到。电磁波在介质中的传播速度由介质的介电常数决定，岩体材料中，介电常数越大，则电磁波的传播速度越低

式中:R为反射系数；ε1和ε2分别为界面上下介质的介电常数。

由式（3）可知，界面上下介质的介电常数差异越大，则反射系数越大、界面的反射能力越强、反射波的功率也就越大，此时接收到的反射波能够解译的信息就越丰富。

岩体是固、液、气三相体。岩体的介电常数主要受以下几个因素的影响:①岩石本身的介电常数；②岩体中裂隙的张开度，或者是说岩体的孔隙率；③岩体中裂隙的充水情况，由于水的介电常数达到81，所以岩体的介电常数受富水情况的影响很大。随着含水率w的增加，介电常数εr明显增大，且随着含水率增大，介电常数εr增长的越快。这在探地雷达接收到的反射波中可以有明显的反映，可见探地雷达是探测隧道围岩中地下水的良好手段。

3仪器以及数据预处理

本次探测的雷达设备选用意大利RIS-K2型探地雷达。采用发射频率为100MHz的屏蔽天线，样点数设为880，时窗为800ns，频率1099MHz，叠加次数128次，道间距为0.1m，以连续采集方式采集数据。

数据预处理采用了常规的方法，包括静校正（校正零时）、去值漂移（去除直流引起的波形漂移）、增益（将反射波的能量增益到可以分析）、带通滤波、背景去除（去除二维背景噪音）以及滑动平均等。通过这些预处理，能够抑制噪声突出有效波，增强信噪比。此外，还可以对数据结果的频率等进行处理和分析，最后对得到的结果中的波形、相位、振幅和频率等进行解译和分析。

4实测结果与分析

在该隧道的某段进行探地雷达数据采集，该段内围岩为变质砂岩夹千枚化岩，围岩比较破碎。对采集到的数据，使用Reflexw软件进行预处理，抑制干扰波，提高信噪比，得到最终结果。是该隧道富水区段预报的成果图以及其中第

23道的单道波形图，我们能够得出:

（1）A区域的波形较整齐，同相轴较连续，振幅变化较小，局部有较强反射和相位突变，频率较高，能量一般；

（2）B区域的波形较杂乱，同相轴错断不连续，振幅变化大，强反射和相位突变明显，频率较低，低频穿插高频，能量较高；

（3）C区域的波形整齐，同相轴连续，振幅变化小，没有明显的相位突变，频率较高，能量较低。同时有效的探测时间深度仅500ns，远小于采样时间800ns。

综合以上对波形的直观分析，结合本地的区域地质条件和构造活动历史可以知道:

（1）A区域的岩体相对均一，其间存在一定的结构面且有张开迹象，可以判定该段岩体中为挤压型节理裂隙面，且在爆破的影响下出现一定的张开；

（2）波形和强烈反射可以推测该段岩体含水量较大，低频中穿插了高频，说明岩体中存在较多的节理裂隙面；

（3）C区域的反射能量低，有效探测时间深度短，也可以印证B区域含水量较大；尽管C区域波形看似可以推测岩体较均一完整，但结合区域地质及前面两段分析，可以推测该段岩体中为挤压型节理裂隙面；

（4）整体而言，由于地质构造活动频繁，该段岩体中节理裂隙较丰富，且由于构造应力的影响，局部较破碎且呈张裂隙状态，其间富含地下水。

5结论

通过对地质构造复杂地区隧道的超前预报结果进行分析，对比了富水区段探地雷达结果和干燥区段探地雷达结果，可以得出如下结论。

（1）复杂地质环境下很有必要进行隧道的超前预报勘察，地质雷达在超前预报的应用上具有良好的效果，但是复杂地质环境也给探地雷达的探测结果及其分析带来了干扰，容易引起误判。

（2）复杂地质条件下采用探地雷达对富水区进行探测是可行有效的。

（3）复杂地质环境中层理面、张开的节理裂隙面、富水界面等都会有较强的反射；富水区和较软弱的页岩夹层等的反射波主频都比发射主频低；复杂地质环境中多重地质构造都会引起相位突变；富水区往往存在较多的节理裂隙面等。这些对富水区的解译带来了较大困难。

（4）复杂地质环境中要结合本区域地质构造雷达波形特征以及富水区探地雷达波形具有波长变长、主频降低、相位突变、能量衰减快、探测距离短等特点进行综合分析，研究确定探地雷达反射波中显示的富水区。

（5）若在复杂地质环境中探地雷达波形受到的干扰过大，对雷达波中富水区的解译存在较大困难时，建议采取其他探测手段进行补充勘察。

参考文献

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