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3-1-14 地质雷达超前地质预报
1 前言
地质雷达又称GPR（Ground Penetrating Radar）,它是利用电磁波在介质中传播时，其路径、电磁场强度和波形随着通过介质的电性性质和几何形态不同而发生变化的性质进行地下勘探、工程检测的一种物探方法。我国上个世纪八十年代就引进这一先进技术，并用于地面地质勘察、隧道超前地质预报、结构物质量检测等，到目前已有二十多年的应用历史。在隧道超前地质预报方面，地质雷达最初应用在岩层单一、地质条件简单的隧道中，且每次预报距离很短，随着仪器设备不断改进，处理软件不断升级，地质雷达预报距离逐步增大，预报精度、准确度不断提高。目前，地质雷达已成为地质短期预报最主要的方法，被大量应用于岩溶隧道、地下水探测。
2 地质雷达超前地质预报概述
2.1适应范围
地质雷达适用于对断层及其影响带、溶洞、裂隙发育带、软弱夹层，以及地下水的预测预报。
2.2技术特点
地质雷达用于隧道超前地质预报具有适用范围广、操作简单、现场测试环境要求低、预报距离短但准确度高、提交结果及时，以及预报成本低，对施工干扰小等特点。 2.3基本原理
地质雷达是利用发射天线将高频电磁波以宽频带短脉冲的形式传入围岩，电磁波在遇到地质反射面时被反射回来，再被接收天线接收。通过测得反射波的双程走时，计算不良地质距离掌子面的距离，通过分析反射波的振幅、波形、波速、频率等来判断不良地质的性质。图14-1是地质雷达探测原理图。
图14-1 地质雷达探测原理图
根据地质雷达探测原理图求得电磁波在围岩中的旅行时间为：
（14—1） 式中 Z—探测目标体距掌子面的距离；
X—发射、接收天线间的距离； V—电磁波在介质中的传播速度。 当
时,上式即为：
t = 2 Z /
V （14—2） 电磁波在介质中传播与弹性波一样遵循波动方程，电磁波速度V与相位系数α的关系为：V=ω/α。 当
、μ=1时
（14—3）
式中 c—电磁波在真空中的传播速度；
εr—介质的相对介电常数； α—相位系数； ω—电磁波角频率； μ—介质磁导率； ε—介质介电常数； σ—介质电导率。
由式（14—2）、式（14—3）可求得反射面距掌子面距离Z的表达式为：
（14—4） 式中 t—反射电磁波的双程走时；
c—电磁波在真空中的传播速度； εr—介质的相对介电常数。
地质雷达天线发射的电磁波，一部分被介质吸收，一部分发生反射，一部分发生透射。反射波遵循反射定律，反射波的能量大小由反射系数决定，对非磁性介质，当电磁波垂直入射时，反射系数
的表达式为：
（14—5）
式中 ε1、ε2—分别表示反射界面两侧介质的相对介电常数。
由式（14—5）可知，ε1、ε2相差越大，即反射界面两侧介质相对介电常数差异越大，反射系数越大，接收天线接收到的信息越丰富，地质异常在图像上表现得越明显，越利于结
果的分析解释。水、岩溶、破碎带等异常的相对介电常数与完整围岩的相对介电常数存在较大差异，这是地质雷达用于隧道超前地质预报的物理基础。
在隧道超前地质预报中，地质雷达天线发射电磁波的频率越高，电磁波衰减越快，探测距离越短，但分辨率越高；电磁波频率越低，电磁波衰减越慢，探测距离越长，但分辨率越低。实际应用中，常选用100MHz雷达天线，这主要是综合探测深度和隧道内掌子面可操作性两方面因素决定的。
2.4仪器设备及主要参数
目前国内使用最多的是美国GSSI公司生产的SIR系列地质雷达，下面以SIR－20型地质雷达为例，介绍其主要参数。
用于隧道超前地质预报的地质雷达仪器设备主要包括SIR－20地质雷达主机、100MHz天线（根据天线探测深度和天线、隧道断面净空尺寸确定）和数据处理软件三部分。该雷达具有轻便、操作简单、预报精度高等特点，其天线为屏蔽天线，受外界干扰小，非常适合在隧道内工作。SIR－20地质雷达主要技术指标如下：
增益范围：-20－+100dB可调
垂直滤波：时间域滤波。无限脉冲响应（IIR）、有限脉冲响应（FIR）、矩形和三角型高低通滤波器。
叠加:2 到 32768个扫描 背景消除:2 到32768个扫描 通道数：4个
天线：适配所有的GSSI天线 记录长度：0-8000ns 可选 输出数据格式：8位或16位可选 扫描样点数：256、512、1024和2048可选 扫描速率：2 到 800扫描/秒可选 时基精度：0.02% 工作温度：-10℃-40℃ 工作相对湿度：<95% 2.5劳动力组织 2.5.1劳动组织体系
项目负责人
技术负责人
检测工程师 检测工程师
数据采集小组 报告编写小组
2.5.2劳动组织人员配置及分工
人员 项目负责人 技术负责人 人数 1 1 主要任务 全面负责测试工作的协调、组织、安排工作 全面负责地质预报技术相关工作 检测工程师 2 负责数据采集、数据分析处理和报告编写工作 工人 3 负责天线的移动、稳定和现场辅助工作 2.6地质预报流程图
测线布置
仪器连接
参数设