1、地質(zhì)雷達學習資料一.雷達理論基本要點地質(zhì)雷達的波組特征雷達天線發(fā)射的 是子波而不是單脈沖，子波由幾個震蕩波形組成 ，占有一定的時間寬 度，反射與折射波依然保持有原來子波的特點，只是幅值上有所變化。這里將雷達子波的周期、持續(xù)時間長度和衰減比三個參量作為子波的波阻特征。子波的頻率成分與天線的主頻相近，持續(xù)一個半到兩個周期，后續(xù)振相略有衰減。 例如對于100MHz天線的子波，持續(xù)時間可到15-20ns,對于1GHz的天線，持續(xù)時間約2ns。子波的波形的確定對于后期處理是非常 重要的，它是小波處理的基礎。有很多方法可以獲得各種頻率天線的子波，最簡單的方法是利用金屬板反射。將一塊較大的金屬板放置于地面上

2、，發(fā)射與接受天線與金屬板平行，相距為3個周期的時程，進行數(shù)據(jù)采集 ，即可獲得子波記錄。 不同類型的雷達、不同型號的天線 雷達子波的形狀是不同的。天線與介質(zhì)的距離、介質(zhì)的電導特性對子波的形態(tài)和特點也有一 定的影響，應根據(jù)現(xiàn)場工作條件從記錄中分離子波。從下邊的記錄中也可以辨認出子波的特征。表面反射波、內(nèi)界面反射波都是近聯(lián)各州其的衰減波形.對其進行分析可以得到子波的波組特征SKETCH OF TVPlCAL SINGLE WAVEFORM為獲得雷達探測的結(jié)果，需要對雷達記錄進行處理與判讀，判讀是理論與實踐相結(jié)合的綜合分析，需要堅實的理論基礎和豐富的實踐經(jīng)驗。雷達記錄的判讀也叫雷達記錄的波相識 別或波

3、相分析，它是資料解釋的基礎。在此首先介紹波相分析的基本要點.雷達波資料解釋三要素要點1：反射波的振幅與方向從反射系數(shù)的菲涅耳(Fresnel)公式中可以看出兩點，第一點，界面兩側(cè)介質(zhì)的電磁學性 質(zhì)差異越大，反射波越強.從反射振幅上可以判定兩側(cè)介質(zhì)的性質(zhì)、屬性；.第二點，波從介電常數(shù)小進入介電常數(shù)大的介質(zhì)時，即從高速介質(zhì)進入低速介質(zhì)，從光疏進入光密介質(zhì)時， 反射系數(shù)為負，即反射波振幅反向。反之，從低速進入高速介質(zhì)， 反射波振幅與入射波同向。這是判定界面兩側(cè)介質(zhì)性質(zhì)與屬性的又一條依據(jù)；如從空氣中進入土層、混凝土反射振幅反向，折射波不反向。從混凝土后邊的脫空區(qū)再反射回來時，反射波不反向，結(jié)果脫空區(qū)的

4、反 射與混凝土表面的反射方向正好相反。如果混凝土后邊充滿水，波從該界面反射也發(fā)生反向，與表面反射波同向，而且反射振幅較大.混凝土中的鋼筋，波速近乎為零，反射自然反向，而且反射振幅特別強。因而，反射波的振幅和方向特征是雷達波判別最重要依據(jù)。鋼筋反射波的振幅與方向要點2:反射波的頻譜特性不同介質(zhì)有不同的結(jié)構(gòu)特征，內(nèi)部反射波的高、低頻率特征明顯不同，這可以作為區(qū) 分不同物質(zhì)界面的依據(jù)。如混凝土與巖層相比，比較均質(zhì)，沒有巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)復雜，因而圍 巖中內(nèi)反射波明顯， 特別是高頻波豐富。 而混凝土內(nèi)部反射波較少， 只是有缺陷的地方有反 射.又如，表面松散土電磁性質(zhì)比較均勻，反射波較弱；強風化層中礦物按深度

5、分化布，垂向電磁參數(shù)差異較大， 呈現(xiàn)低頻大振幅連續(xù)反射； 其下的新鮮基巖中呈現(xiàn)高頻弱振幅反射，從頻率特性中可清楚地將各層分開。如圍巖中的含水帶也表現(xiàn)出低頻高振幅的反射特征，易于識別。節(jié)理帶、斷裂帶結(jié)構(gòu)破碎，內(nèi)部反射和散射多，在相應走時位置表現(xiàn)為高頻密紋反射 . 但由于破碎帶的散射和吸收作用，從更遠的部位反射回來的后續(xù)波能量變?nèi)?，信號表現(xiàn)為平靜區(qū)。反射波的頻譜特性要點3:反射波同向軸形態(tài)特征：雷達記錄資料中，同一連續(xù)界面的反射信號形成同相軸，依據(jù)同向軸的時間、 形態(tài)、強弱、方向反正等進行解釋判斷是地質(zhì)解釋最重要的基礎。同向軸的形態(tài)與埋藏的物界面的形態(tài)并非完全一致，特別是邊緣的反射效應，使得邊緣形

6、態(tài)有較大的差異.對于孤立的埋設物其反射的同向軸為向下開口的拋物線，有限平板界面反射的同向軸中部為平板，兩端為半支下開口拋物線。二、典型工程案例信號在工程勘察中，常見的不良地質(zhì)現(xiàn)象有：斷層破碎帶、裂隙帶、富水帶、巖溶洞穴、巖 性變化帶等。以下分別采用了來自不同工區(qū)的地質(zhì)雷達波形圖對以上幾種典型地質(zhì)現(xiàn)象與地 質(zhì)雷達特征圖像的對應關(guān)系進行分析 .2.1完整巖體完整巖體一般介質(zhì)相對均勻，電性差異很小，沒有明顯的反射界面，雷達圖像和波形特征通常 表現(xiàn)為：能量團分布均勻或僅在局部存在強反射細亮條紋；電磁波能量衰減緩慢， 探測距離遠且規(guī)律性較強；一般形成低幅反射波組， 波形均勻，無雜亂反射，自動增益梯度相對

7、較小。該類巖體的探測和解釋精度通常比較高，其典型圖像見圖 1.圖1中最上面的幾條水平強反射波同相軸為直達波和地表層受爆破松弛影響所致 （6）。陶線m圖1完整巖體的地質(zhì)雷達特征圖像（6）爆破松弛所致2。2斷層破碎帶和裂隙帶斷層是一種破壞性地質(zhì)構(gòu)造，其內(nèi)通常發(fā)育有破碎巖體、泥或地下水 等，介質(zhì)極不均勻，電性差異大，且斷層兩側(cè)的巖體常有節(jié)理和褶皺發(fā)育，介質(zhì)均一性差。而裂隙帶通常存在于斷層影響帶、巖脈以及軟弱夾層內(nèi)，裂隙內(nèi)也有各種不同的非均勻充填物，介電差異大。他 們一般都有明顯的反射界面，這就為地質(zhì)雷達創(chuàng)造了良好的應用條件。在斷層或裂隙帶， 其地質(zhì)雷達圖像和波形特征較為相似，通常表現(xiàn)為斷層和裂隙界面

8、反射強烈，反射面附近振幅顯著增強且變化大；能量團分布不均勻，破碎帶和裂隙帶內(nèi)常產(chǎn)生繞射、散射，波形雜亂，同相軸錯斷，在深部甚至模糊不清；電磁波能量衰減快且規(guī)律性差，特別是高頻部分衰減較快，自動增益梯度較大；一般反射波同相軸的連線為破碎帶或裂隙帶的位置。其典型地質(zhì)雷 達特征圖像如圖 2和圖3所示.也in 仆 HI 叫 加 44)M)圖2斷層破碎帶地質(zhì)雷達特征圖像圖3裂隙帶的地質(zhì)雷達特征圖像雖然兩者的雷達特征圖像相似，但通過對比分析可大致把它們分辨開來： a。斷層破碎帶的影響 范圍通常比裂隙帶寬，在地質(zhì)雷達圖像上有較寬的異常反應。相反的，裂隙帶異常在雷達圖像上一般表現(xiàn)為相對較窄的條帶。b.斷層破碎

9、帶的波幅變化范圍通常比裂隙帶大，而裂隙帶的振幅一般為高幅。c.在相對干燥情況下，斷層破碎帶在地質(zhì)雷達圖像上同相軸的連續(xù)性不如裂隙帶，它的同相軸錯斷更明顯，其波形更加雜亂，而裂隙帶在地質(zhì)雷達圖像上同相軸的連續(xù)性反映了裂隙面 是否平直、連續(xù)。d.探測時可參考當?shù)氐膮^(qū)域地質(zhì)背景資料和鉆孔資料，對可能遇到的地質(zhì)現(xiàn)象做出大致的 判斷，為圖像解釋時對這兩種地質(zhì)現(xiàn)象的分辨識別提供依據(jù)。富水帶地下水經(jīng)常存在于斷層帶、裂隙密集帶以及巖溶發(fā)育帶中，含水程度和儲水條件主要受 構(gòu)造控制。在常見物質(zhì)中，水的相對介電常數(shù)最大為80,與基巖介質(zhì)相比存在明顯的電性差異。富水帶地質(zhì)雷達圖像和波形特征一般表現(xiàn)為：地質(zhì)雷達波在含水

10、層表面發(fā)生強振幅反 TOC o 1-5 h z 射；電磁波穿透含水層時將產(chǎn)生一定規(guī)律的多次強反射，在富水帶內(nèi)產(chǎn)生繞射、散射現(xiàn)象，并掩蓋對富水帶內(nèi)及更深范圍巖體的探測；電磁波頻率由高頻向低頻劇烈變化，脈沖周期明顯增大，電磁波能量快速衰減，能量團分布不均勻，自動增益梯度很大；因含水面通常分布連續(xù)，反射波同相軸連續(xù)性較好， 波形相對較均一；從基巖到含水層是高阻抗到低阻抗介質(zhì)的變化，因而反射電磁波與入射電磁波相位相反。其典型地質(zhì)雷達特征圖像見圖4。巖溶洞穴巖溶洞穴一般出現(xiàn)在灰?guī)r地層中，洞穴中可能為空、含水或填充其他物質(zhì)，其地質(zhì)雷達圖像和波形特征通常表現(xiàn)為：巖溶洞穴在地質(zhì)雷達圖像上的形態(tài)特征主要取決于洞

11、穴的形狀、 大小以及填充物的性質(zhì)，一般表現(xiàn)為由許多雙曲線強反射波組成；在洞穴側(cè)壁上一般為高幅、低頻、等間距的多次反射波組，特別是無填充物或充滿水時反射波更強，而洞穴底界面反射則不太明顯，只有當洞穴底部部分充填水或粘土、粉砂、砂礫性物質(zhì)時底部反射波會有所增 強，可見一組較短周期的細密弱反射；如果洞穴為空洞或充水洞則在洞體內(nèi)部幾乎沒有反射電磁波；有充填物時電磁波能量迅速衰減，高頻部分被吸收，反射的多為低頻波，自動增益 梯度大。其典型地質(zhì)雷達特征圖像見圖5。巖溶洞穴的地質(zhì)雷達圖像特征比較明顯，相對容易判斷，一般根據(jù)當?shù)貛r體類型、水文地質(zhì)資料及前期巖溶地質(zhì)調(diào)查資料等，都能做出準確的解釋。以上典型地質(zhì)現(xiàn)

12、象與地質(zhì)雷達圖像和波形特征的對應關(guān)系簡單總結(jié)，示于表2。對不同地區(qū)的工程勘查，結(jié)合鉆探和其它物探資料證實，利用這種地質(zhì)雷達特征圖像與典型地質(zhì)現(xiàn)象的對應關(guān)系進行解釋是比較準確的。當前期地質(zhì)、水文及鉆探資料不健全時，借助于這種地質(zhì)雷達圖像判別經(jīng)驗和其它物探方法，也可以最大程度的減少多解性，提高解釋的準確性.泗”，由-Z匚宣pi/idtacu ty pimlphtiiviiitiiutL indjir* *eFurm雷送出譚及謹”咻祝他113介本It*文化間也觸連檢H.A j時代界任親禮品博富尖卡人均力杵一定,他硬快甫ft A匕去爪士&W代底坤麗寬帖吉海運穴拄色我理快a釀班找蛙桂找尊比一收為鬲生i破

13、碎帶（波形雜亂）含水層（基本均勻）注：以上典型圖像基本出自鐵道部隧道預報規(guī)范三、實際工作案例（1）翁隧道出口 YK54+840掌子面進行地質(zhì)雷達探測，推斷掌子面前方地質(zhì)情況，為 隧道下一步的施工提出建議。下圖為普翁隧道YK54+840掌子面地質(zhì)雷達探測成果圖及其波 形情況圖，從雷達圖像分析可見在掌子面前方15m至17米見一明顯強振蕩反射，且該反射信號振幅基本未衰減。推斷該隧道繼續(xù)開挖將揭露一溶蝕空腔，且無任何填充物，因為空氣中雷達傳播速度約為圍巖波速的3倍，故該溶洞軸向?qū)挾燃s為 6米左右且靠近隧道掌子面左半幅。隧道繼續(xù)開挖至 YK54+830處揭露一空溶腔，溶腔發(fā)育段為 YK54+830YK5

14、4+825段。OO(2)老黑山隧道出口左洞信息交流卡圖1 ZK26+903掌子面左邊墻發(fā)育一溶圖2 ZK26+903掌子面左側(cè)距左邊墻約腔,向掌子面左上方延伸2m處拱頂發(fā)育一結(jié)構(gòu)面，充填有粘土圖3老黑山隧道出口左幅 ZK26+903掌子面地質(zhì)雷達波形圖ZK26+903 ZK26+893 區(qū) 段巖體較破 碎，夾泥ZK26+888 ZK26+873 區(qū)段夾泥，存在 溶蝕構(gòu)造I - - , :.J. B-i r =根據(jù)雷達圖像顯示，ZK26+903ZK26+893區(qū)段反射波強烈，波形相似性差，存在連續(xù)的同相軸，推斷該區(qū)段巖體節(jié)理較發(fā)育，巖體整體較破碎，存在溶蝕構(gòu)造，前方地下水稍發(fā)育。據(jù)此，我方提出如

15、表1所示圍巖級別變更建議。表1圍巖級別建議表線位里程長度(m)原設計圍巖級別預報建議圍巖級別左洞ZK26+903 ZK26+89310IIIIVZK26+893ZK26+87320IIIIII2013年10月11日至10月14日，隧道繼續(xù)開挖過程中揭露 ZK26+903ZK26+893區(qū)段掌子面左側(cè)巖體較破碎，存在溶蝕現(xiàn)象，局部夾泥，學子面右側(cè)區(qū)段巖體較完整，呈塊狀結(jié)構(gòu)，實際情況與我方預報情況相吻合2013年10月15日，老黑山隧道出口左幅掌子面開挖至ZK26+893,學子面揭露為灰白色中風化細晶白云巖，巖質(zhì)較堅硬；巖體節(jié)理較發(fā)育，多為方解石脈充填；巖體整體較完整，呈塊狀結(jié)構(gòu)。掌子面左側(cè)靠邊墻

16、ZK26+895ZK26+893 區(qū)段發(fā)育一溶腔，向掌子面左上方發(fā)育，直徑約1.53m,深度2m左右，內(nèi)部有粘 土充填，呈可塑軟塑狀。掌子面左側(cè)距左邊墻約2m處拱頂發(fā)育一結(jié)構(gòu)面，傾角約為90。，幾乎沿隧道軸線方向向?qū)W子面前方延伸，揭露延伸長度約為4m,結(jié) 構(gòu)面充填有泥質(zhì)，含水量較高，呈軟塑流塑狀.掌子面潮濕，地下水稍發(fā)育.學子 面照片如圖4、圖5所示。圖4 ZK26+893掌子面左邊墻圖5 ZK26+893掌子面左側(cè)距左邊墻約(ZK26+895ZK26+893區(qū)段)溶腔2m處拱頂發(fā)育一結(jié)構(gòu)面鑒于學子面揭露情況，我方?jīng)Q定增加預報頻次，于 2013年10月15日對老黑山隧道出口左幅ZK26+893

17、學子面前方30m進行了超前地質(zhì)預報，雷達圖像如圖6所示。YEM圖6老黑山隧道出口左幅 ZK26+893掌子面地質(zhì)雷達波形圖 Ik k- k含水信綜合兩次雷達圖像進行分析，推斷ZK26+893學子面前方區(qū)段巖體整體較破 碎，存在溶蝕構(gòu)造，掌子面揭露溶洞與裂隙有貫通趨勢，前方地下水稍發(fā)育.依據(jù)已開挖段揭露地質(zhì)情況，結(jié)合兩次地質(zhì)雷達數(shù)據(jù)處理結(jié)果，我方提出如 下圍巖級別變更建議。表2圍巖級別建議表線位里程長度(m)原設計圍巖級別預報建議圍巖級別左洞ZK26+893 ZK26+87320IIIIVZK26+873 ZK26+86310IIIIII2013年10月16日至10月20日，隧道繼續(xù)開挖過程中揭

18、露 ZK26+893ZK26+883區(qū)段掌子面左側(cè)巖體較破碎，揭露溶洞逐步擴大，夾泥較多;學子面右 側(cè)區(qū)段沿裂隙有軟塑流塑狀粘土滲出，土體含水量較高，拱頂巖體表面濕潤,局部存在點滴狀滲水、掉泥?？傮w上，實際情況與我方預報情況相吻合.2013年10月20日，掌子面開挖至ZK26+883。掌子面揭露為石炭系擺佐組 灰白色中風化細至中晶白云巖，巖質(zhì)較堅硬。掌子面左側(cè)發(fā)育一溶洞，揭露溶洞洞口處直徑約5m,向內(nèi)部增大趨勢，向上延伸深度約 20m,洞內(nèi)有塊石堆積， 洞壁有粘土附著，呈可塑軟塑狀；溶洞內(nèi)部ZK26+893拱頂上方約10m處揭露一洞口，直徑約2m,向已開挖段延伸，延伸長度未知；ZK26+887

19、拱頂上方約6m 處揭露一洞口，直徑約2m,向隧道進口方延伸，深度及規(guī)模未知（據(jù)現(xiàn)場施工人 員描述，內(nèi)部規(guī)模較大，向前延伸深度在30m以上）。掌子面右側(cè)中部發(fā)育有裂隙， 并有軟塑流塑狀黃泥滲出。掌子面照片如圖710所示。圖7 ZK26+883掌子面照片（9月19日） 圖8 ZK26+883掌子面照片（9月20日，塌落物清理后）圖9 ZK26+883掌子面右側(cè)中部沿裂隙圖10 ZK26+883掌子面右側(cè)靠邊墻沿裂隙有軟塑至流塑狀粘土滲出滲出的軟塑至流塑狀粘土(3)畢鎮(zhèn)線鍋莊隧道預報2015年12月10日，鍋莊隧道進口右幅掌子面開挖至 YK11+795時，揭露 巖性灰黑色中風化薄中厚層灰?guī)r，學子面中

20、部拱頂揭露豎向巖溶管道， 溶腔內(nèi)有 黃泥夾石塊充填充填，充填物無自穩(wěn)能力，遇水后易形成泥流、突泥現(xiàn)象；我方第 一時間趕赴現(xiàn)場與施工方對洞內(nèi)及地表進行調(diào)研。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果，目前鍋莊隧道進口左洞開挖位置已處于斷層破碎帶影響范圍，該區(qū)段隧道頂板為大型巖溶 漏斗，推測當前學子面揭露為漏斗范圍，后對地表進行調(diào)查及走訪，發(fā)現(xiàn)在地表形 成一塌坑，塌坑直徑約為3米，7約4米5米。學子面照片如圖11、圖1 2;地表照片如圖1-3、圖1-4;隧道斷面圖及位置圖如圖1 5圖1-6所示。圖1-1 YK11+795揭露豎向巖溶管道. 圖1-2 ZK11+822巖溶管道內(nèi)有黃泥夾石塊充填圖1-3 地表塌坑圖1-4 坍塌

21、內(nèi)2 o鍋莊隧道地質(zhì)情況及預報結(jié)果與分析我公司于2015年12月06日對該隧道YK11+788學子面前方進行了地質(zhì)雷達測試.雷達處理后圖象見下圖:圖21 YK11+788掌子面地質(zhì)雷達波形圖圖2-2 YK11+788掌子面地質(zhì)雷達波形圖表21地質(zhì)雷達測試成果判釋隧道名稱及洞另測試范圍探測長度(m)地質(zhì)雷達測試成果判釋鍋莊隧道進口右幅YK11+788 YK11+81830分析測線反射波形圖可以發(fā)現(xiàn)，前方預報區(qū)段地質(zhì)雷達波形整體較雜亂，向相軸連續(xù)性一般，其中426m范圍內(nèi)呈現(xiàn)多處強反射信號，反射波波形雜舌L同相軸時斷時續(xù)，能量團/、均勻；結(jié)合掌子面圍巖地質(zhì)情況，綜合推斷YK11+792YK11+8

22、14區(qū)域在受構(gòu)造影響，構(gòu)造裂隙及沿裂隙溶槽發(fā)育,豎向巖溶管道或溶腔，充填物無自穩(wěn)能力；地下水發(fā)育，圍巖自穩(wěn)能力極差。(4)錯誤分析案例4.1雷達圖像顯示3-7 I#隧道出口左幅ZK3+257上臺階底部附近前方地質(zhì)雷達成果圖I#隧道出口左幅ZK3+257上臺階底部附近前方地質(zhì)雷達成果圖問題：兩個圖所反映的信息？高頻低頻信號的區(qū)別？同相軸連續(xù)性？4.2結(jié)果判別表3-1地質(zhì)雷達測試成果判釋隧道名稱及線位測試范圍探測長度(m)地質(zhì)雷達成果分析I #隧道出口左幅ZK3+257 ZK3+23720分析測線反射波形圖可以發(fā)現(xiàn)，前方預報區(qū)段雷達波形較為均勻(1),能量團分布較為均勻 (2),低頻同相軸連續(xù)性一般(3),結(jié)合勘察、設計資料綜合分析推測:初步推測本次預報段內(nèi)巖性為泥巖夾砂巖、砂巖夾泥巖(4)，圍巖含泥質(zhì)重，巖質(zhì)較軟