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地质雷达学习资料一．雷达理论基本要点1.1地质雷达的波组特征雷达天线发射的是子波而不是单脉冲，子波由几个震荡波形组成，占有一定的时间宽度，反射与折射波依然保持有原来子波的特点，只是幅值上有所变化。这里将雷达子波的周期、持续时间长度和衰减比三个参量作为子波的波阻特征。子波的频率成分与天线的主频相近，持续一个半到两个周期，后续振相略有衰减。例如对于100MHz天线的子波，持续时间可到15-20ns，对于1GHz的天线，持续时间约2ns。子波的波形的确定对于后期处理是非常重要的，它是小波处理的基础。有很多方法可以获得各种频率天线的子波，最简单的方法是利用金属板反射。将一块较大的金属板放置于地面上，发射与接受天线与金属板平行，相距为3个周期的时程，进行数据采集，即可获得子波记录。不同类型的雷达、不同型号的天线，雷达子波的形状是不同的。天线与介质的距离、介质的电导特性对子波的形态和特点也有一定的影响，应根据现场工作条件从记录中分离子波。从下边的记录中也可以辨认出子波的特征。表面反射波、内界面反射波都是近联各州其的衰减波形。对其进行分析可以得到子波的波组特征为获得雷达探测的结果，需要对雷达记录进行处理与判读，判读是理论与实践相结合的综合分析，需要坚实的理论基础和丰富的实践经验。雷达记录的判读也叫雷达记录的波相识别或波相分析，它是资料解释的基础。在此首先介绍波相分析的基本要点。1.2雷达波资料解释三要素要点1：反射波的振幅与方向从反射系数的菲涅耳（Fresnel）公式中可以看出两点，第一点，界面两侧介质的电磁学性质差异越大，反射波越强。从反射振幅上可以判定两侧介质的性质、属性；。第二点，波从介电常数小进入介电常数大的介质时，即从高速介质进入低速介质，从光疏进入光密介质时，反射系数为负，即反射波振幅反向。反之，从低速进入高速介质，反射波振幅与入射波同向。这是判定界面两侧介质性质与属性的又一条依据；如从空气中进入土层、混凝土反射振幅反向，折射波不反向。从混凝土后边的脱空区再反射回来时，反射波不反向，结果脱空区的反射与混凝土表面的反射方向正好相反。如果混凝土后边充满水，波从该界面反射也发生反向，与表面反射波同向，而且反射振幅较大。混凝土中的钢筋，波速近乎为零，反射自然反向，而且反射振幅特别强。因而，反射波的振幅和方向特征是雷达波判别最重要依据。钢筋反射波的振幅与方向要点2：反射波的频谱特性不同介质有不同的结构特征，内部反射波的高、低频率特征明显不同，这可以作为区分不同物质界面的依据。如混凝土与岩层相比，比较均质，没有岩石内部结构复杂，因而围岩中内反射波明显，特别是高频波丰富。而混凝土内部反射波较少，只是有缺陷的地方有反射。又如，表面松散土电磁性质比较均匀，反射波较弱；强风化层中矿物按深度分化布，垂向电磁参数差异较大，呈现低频大振幅连续反射；其下的新鲜基岩中呈现高频弱振幅反射，从频率特性中可清楚地将各层分开。如围岩中的含水带也表现出低频高振幅的反射特征，易于识别。节理带、断裂带结构破碎，内部反射和散射多，在相应走时位置表现为高频密纹反射。但由于破碎带的散射和吸收作用，从更远的部位反射回来的后续波能量变弱，信号表现为平静区。反射波的频谱特性要点3：反射波同向轴形态特征：雷达记录资料中，同一连续界面的反射信号形成同相轴，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，特别是边缘的反射效应，使得边缘形态有较大的差异。对于孤立的埋设物其反射的同向轴为向下开口的抛物线，有限平板界面反射的同向轴中部为平板，两端为半支下开口抛物线。二、典型工程案例信号在工程勘察中，常见的不良地质现象有：断层破碎带、裂隙带、富水带、岩溶洞穴、岩性变化带等。以下分别采用了来自不同工区的地质雷达波形图对以上几种典型地质现象与地质雷达特征图像的对应关系进行分析。2.1完整岩体完整岩体一般介质相对均匀，电性差异很小，没有明显的反射界面，雷达图像和波形特征通常表现为：能量团分布均匀或仅在局部存在强反射细亮条纹；电磁波能量衰减缓慢，探测距离远且规律性较强；一般形成低幅反射波组，波形均匀，无杂乱反射，自动增益梯度相对较小。该类岩体的探测和解释精度通常比较高，其典型图像见图1。图1中最上面的几条水平强反射波同相轴为直达波和地表层受爆破松弛影响所致(6)。图1完整岩体的地质雷达特征图像(6)爆破松弛所致2.2断层破碎带和裂隙带断层是一种破坏性地质构造，其内通常发育有破碎岩体、泥或地下水等，介质极不均匀，电性差异大，且断层两侧的岩体常有节理和褶皱发育，介质均一性差。而裂隙带通常存在于断层影响带、岩脉以及软弱夹层内，裂隙内也有各种不同的非均匀充填物，介电差异大。他们一般都有明显的反射界面，这就为地质雷达创造了良好的应用条件。在断层或裂隙带，其地质雷达图像和波形特征较为相似，通常表现为断层和裂隙界面反射强烈，反射面附近振幅显著增强且变化大；能量团分布不均匀，破碎带和裂隙带内常产生绕射、散射，波形杂乱，同相轴错断，在深部甚至模糊不清；电磁波能量衰减快且规律性差，特别是高频部分衰减较快，自动增益梯度较大；一般反射波同相轴的连线为破碎带或裂隙带的位置。其典型地质雷达特征图像如图2和图3所示。图2断层破碎带地质雷达特征图像图3裂隙带的地质雷达特征图像虽然两者的雷达特征图像相似，但通过对比分析可大致把它们分辨开来：a.断层破碎带的影响范围通常比裂隙带宽，在地质雷达图像上有较宽的异常反应。相反的，裂隙带异常在雷达图像上一般表现为相对较窄的条带。b.断层破碎带的波幅变化范围通常比裂隙带大，而裂隙带的振幅一般为高幅。c.在相对干燥情况下，断层破碎带在地质雷达图像上同相轴的连续性不如裂隙带，它的同相轴错断更明显，其波形更加杂乱，而裂隙带在地质雷达图像上同相轴的连续性反映了裂隙面是否平直、连续。d.探测时可参考当地的区域地质背景资料和钻孔资料，对可能遇到的地质现象做出大致的判断，为图像解释时对这两种地质现象的分辨识别提供依据。2.3富水带地下水经常存在于断层带、裂隙密集带以及岩溶发育带中，含水程度和储水条件主要受构造控制。在常见物质中，水的相对介电常数最大为80，与基岩介质相比存在明显的电性差异。富水带地质雷达图像和波形特征一般表现为：地质雷达波在含水层表面发生强振幅反射；电磁波穿透含水层时将产生一定规律的多次强反射，在富水带内产生绕射、散射现象，并掩盖对富水带内及更深范围岩体的探测；电磁波频率由高频向低频剧烈变化，脉冲周期明显增大，电磁波能量快速衰减,能量团分布不均匀，自动增益梯度很大；因含水面通常分布连续，反射波同相轴连续性较好，波形相对较均一；从基岩到含水层是高阻抗到低阻抗介质的变化，因而反射电磁波与入射电磁波相位相反。其典型地质雷达特征图像见图4。2.4岩溶洞穴岩溶洞穴一般出现在灰岩地层中，洞穴中可能为空、含水或填充其他物质，其地质雷达图像和波形特征通常表现为：岩溶洞穴在地质雷达图像上的形态特征主要取决于洞穴的形状、大小以及填充物的性质，一般表现为由许多双曲线强反射波组成；在洞穴侧壁上一般为高幅、低频、等间距的多次反射波组，特别是无填充物或充满水时反射波更强，而洞穴底界面反射则不太明显，只有当洞穴底部部分充填水或粘土、粉砂、砂砾性物质时底部反射波会有所增强，可见一组较短周期的细密弱反射；如果洞穴为空洞或充水洞则在洞体内部几乎没有反射电磁波；有充填物时电磁波能量迅速衰减，高频部分被吸收，反射的多为低频波，自动增益梯度大。其典型地质雷达特征图像见图5。岩溶洞穴的地质雷达图像特征比较明显，相对容易判断，一般根据当地岩体类型、水文地质资料及前期岩溶地质调查资料等，都能做出准确的解释。以上典型地质现象与地质雷达图像和波形特征的对应关系简单总结，示于表2。对不同地区的工程勘查，结合钻探和其它物探资料证实，利用这种地质雷达特征图像与典型地质现象的对应关系进行解释是比较准确的。当前期地质、水文及钻探资料不健全时，借助于这种地质雷达图像判别经验和其它物探方法，也可以最大程度的减少多解性，提高解释的准确性。图4富水带地质雷达特征图像图5岩溶洞穴的雷达特征图像破碎带（波形杂乱）含水层（基本均匀）注：以上典型图像基本出自铁道部隧道预报规范三、实际工作案例（1）翁隧道出口YK54+840掌子面进行地质雷达探测，推断掌子面前方地质情况,为隧道下一步的施工提出建议。下图为普翁隧道YK54+840掌子面地质雷达探测成果图及其波形情况图，从雷达图像分析可见在掌子面前方15m至17米见一明显强振荡反射，且该反射信号振幅基本未衰减。推断该隧道继续开挖将揭露一溶蚀空腔，且无任何填充物，因为空气中雷达传播速度约为围岩波速的3倍，故该溶洞轴向宽度约为6米左右且靠近隧道掌子面左半幅。隧道继续开挖至YK54+830处揭露一空溶腔，溶腔发育段为YK54+830~YK54+825段。（2）老黑山隧道出口左洞信息交流卡图1ZK26+903掌子面左边墙发育一溶腔，向掌子面左上方延伸图2ZK26+903掌子面左侧距左边墙约2m处拱顶发育一结构面，充填有粘土图3老黑山隧道出口左幅ZK26+903掌子面地质雷达波形图根据雷达图像显示，ZK26+903～ZK26+893区段反射波强烈，波形相似性差，存在连续的同相轴，推断该区段岩体节理较发育，岩体整体较破碎，存在溶蚀构造，前方地下水稍发育。据此，我方提出如表1所示围岩级别变更建议。表1围岩级别建议表线位里程长度（m）原设计围岩级别预报建议围岩级别左洞ZK26+903～ZK26+89310IIIⅣZK26+893～ZK26+87320IIIIII2013年10月11日至10月14日，隧道继续开挖过程中揭露ZK26+903～ZK26+893区段掌子面左侧岩体较破碎，存在溶蚀现象，局部夹泥，掌子面右侧区段岩体较完整，呈块状结构，实际情况与我方预报情况相吻合。2013年10月15日，老黑山隧道出口左幅掌子面开挖至ZK26+893，掌子面揭露为灰白色中风化细晶白云岩，岩质较坚硬；岩体节理较发育，多为方解石脉充填；岩体整体较完整，呈块状结构。掌子面左侧靠边墙ZK26+895～ZK26+893区段发育一溶腔，向掌子面左上方发育，直径约1.5～3m，深度2m左右，内部有粘土充填，呈可塑～软塑状。掌子面左侧距左边墙约2m处拱顶发育一结构面，ZK26+903～ZK26+893区段岩体较破碎，夹泥ZK26+888～ZK26+873区段夹泥，存在溶蚀构造倾角约为90°，几乎沿隧道轴线方向向掌子面前方延伸，揭露延伸长度约为4m，结构面充填有泥质，含水量较高，呈软塑～流塑状。掌子面潮湿，地下水稍发育。掌子面照片如图4、图5所示。图4ZK26+893掌子面左边墙（ZK26+895～ZK26+893区段）溶腔图5ZK26+893掌子面左侧距左边墙约2m处拱顶发育一结构面鉴于掌子面揭露情况，我方决定增加预报频次，于2013年10月15日对老黑山隧道出口左幅ZK26+893掌子面前方30m进行了超前地质预报，雷达图像如图6所示。图6老黑山隧道出口左幅ZK26+893掌子面地质雷达波形图综合两次雷达图像进行分析，推断ZK26+893掌子面前方区段岩体整体较破含水信号碎，存在溶蚀构造，掌子面揭露溶洞与裂隙有贯通趋势，前方地下水稍发育。依据已开挖段揭露地质情况，结合两次地质雷达数据处理结果，我方提出如下围岩级别变更建议。表2围岩级别建议表线位里程长度（m）原设计围岩级别预报建议围岩级别左洞ZK26+893～ZK26+87320IIIⅣZK26+873～ZK26+86310IIIIII2013年10月16日至10月20日，隧道继续开挖过程中揭露ZK26+893～ZK26+883区段掌子面左侧岩体较破碎，揭露溶洞逐步扩大，夹泥较多；掌子面右侧区段沿裂隙有软塑～流塑状粘土渗出，土体含水量较高，拱顶岩体表面湿润，局部存在点滴状渗水、掉泥。总体上，实际情况与我方预报情况相吻合。2013年10月20日，掌子面开挖至ZK26+883。掌子面揭露为石炭系摆佐组灰白色中风化细至中晶白云岩，岩质较坚