地下工程监测与检测技术-第六章-地下工程中的地质雷达测试技术

地下工程监测与检测技术第六章

地下工程中的地质雷达测试技术人民交通出版社地质雷达技术基本理论地质雷达的野外施测与数据采集地质雷达资料处理与地质解译工程实例—某区间隧道地质雷达检测内容提要地质雷达测试技术是采用无线电波检测地下介质分布和对不可见目标体或地下界面进行扫描，以确定其内部结构形态或位置的电磁技术，具有以下特点：非破坏性的探测技术，能连续探测地下目标，并能给出图形显示，成果直观、快速、便于分析；利用脉冲发射，探测指向性好，使用中心频率高，分辨率强；高频数据借助光纤等技术传递，抗电磁干扰能力强，可在各种噪声环境下工作，亦对环境干扰影响小，工作场地条件宽松，适应性强；便携微机控制数字采集、记录、存储和处理；轻便类仪器现场仅需3人或更少人员即可工作，工作效率高。存在以下局限性：由于松散介质多、含水多、含盐度高的岩石与土壤对高频电磁波能量具有强烈的衰减作用，因而在高导厚覆盖条件下，探测范围受到限制；电磁波的参数与岩土力学指标无直接关系，限制了其应用范围。地质雷达的工作原理为：高频电磁波以宽频带脉冲形式通过发射天线发射，经目标体反射或透射，被接收天线接收。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介质的电性质及集合体形态而变化，由此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的空间位置或结构状态。第一节 地质雷达技术基本理论地质雷达反射剖面示意图一.麦克斯韦电磁场理论简介麦克斯韦方程组表明，随着时间变化的磁场会产生时间变化的电场，随着时间变化的电场又会产生随着时间变化的磁场。简言之，就是变化的磁场和变化的电场相互激发，并且变化的磁场和变化的电场以一定的速度向外传播，这就形成了电磁波。二.电磁波在介质中的传播规律电磁波根据其波面的形状可以分为平面波、柱面波和球面波，其中平面波是最基本、最具有电磁波普遍规律的电磁波类型。探地雷达所发射的的电磁波可经傅立叶变换换算一系列的谐波，这些谐波近似为平面波，则探地雷达电磁波传播以平面谐波的传播规律为基础。在探地雷达应用中，通常比较关心电磁波的传播速度和衰减因子。若介质为低损耗介质，此时，平面波的电场强度近似等于磁场强度；大多数岩石介质为非磁性、非导电介质，此时电磁波的速度主要取决于介质的介电常数；衰减常数与电导率成正比，与介电常数的平方根成反比，电磁波能量的衰减主要是由于感生涡流损失引起的。若介质为良导体，此时，随着电导率、磁导率增加，以及电磁波频率升高，电磁波的衰减越快。波速与频率的平方根成正比，与电导率的平方根成反比，波速是频率和电导率的函数。三.地质雷达测试原理1.地质雷达的构造地质雷达由雷达系统和显示处理系统两大部分组成，雷达系统由发射脉冲源、收发天线、取样接收电路和主机控制电路等组成，如所示，用来获得目标的回波信息；显示处理系统由工控机和地质雷达专用测量、处理软件组成，具备动态测试、实时图像连续显示和数据处理功能。工作时，由发射脉冲发出的脉宽为毫微秒量级的射频脉冲，经位于地面上的宽带发射天线(Tx)耦合到地下，当发射脉冲波在地下传播过程中遇到介质分界面、目标或其他区域非均匀体时，一部分脉冲能量反射回到地面，并由地面上的宽带接收天线(Rx)所接收。2.基本工作原理每次遇到存在电磁特性差异的接触界面电磁波均发生反射与折射。入射波、反射波与折射波的方向遵循反射定律和折射定律。对于非磁性介质，电磁波的反射、折射特性与介质的介电常数有密切关系。通常把一种介质的介电常数与空气介电常数的比称为相对介电常数。在混凝土结构中，空洞、裂缝、钢筋、素混凝土、围岩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，故为地质雷达的探测提供了一定的前提条件。地质雷达移动发射和接收天线的同时，接收到反射电磁波的双程走时相应变化。波的双程走时由反射脉冲相对于发射脉冲的延时进行测定。反射脉冲波形由重复间隔发射（重复率为20KHz～100KHz）的电路按采样定律等间隔地采集叠加后获得；考虑到高频波的随机干扰性质，由地下返回的发射脉冲系列均经过多次叠加（次数为几十到数千次）。这样，若地面的发射和接收天线沿探测线以等间隔移动时，即可在纵坐标为双程走时t(ns),横坐标为距离x(m)的探地雷达屏幕上描绘出仅仅由反射体的深度所决定的“时距”波形道的轨迹图。四.影响地质雷达测试的因素影响地质雷达的探测深度、分辨率及精度的因素主要包括内在与外在两方面。内在因素主要是指探测对象所处环境的电导率、介电常数等因素；外在因素主要与探测方法有关，如探测所采用的频率、采样速度等。在实际应用中，综合考虑这些因素，采用适当的方法技术，是探测成功与否的关键。第二节 地质雷达的野外施测与数据采集一.探测目标地质雷达探测项目都会有其确定的检测对象，明确检测目的和要求，以便正确设置仪器参数和合理布置测线。其中探测目标深度关系到雷达时间窗口的大小；探测目标水平尺度决定测线的间距；目标是二度体还是三度体关系到应测线布置方案；要求的分辨率关系到目标与环境电磁向值差异的大小。测线布置一般应尽可能与异常的走向垂直；同时测

线的间距应小于或等于目标

尺度与分辨率尺度，以防目

标漏测；对于一般的二度体，可以布置一个方向的测线，

如需反映三度体的特性或做

成三维成像，应布置多条测

线或构成测网。二.测线布置与标记观测现场记录很重要，它是资料解释的基础。有些环境干扰信号被记录下来，如电线杆、侧面墙、金属物品反射等，如不参考现场记录很容易被错判为地下异常体。现场记录的要点是把那些可能产生反射干扰的地物都记录下来，注明它们的性质、与测线的距离、位置关系等。三.观测场地与环境记录四.地质雷达的观测方式1.剖面量测法该方法是使收、发天线以固定间隔距离沿测线同步移动的一种观测方式，发射天线和接收天线同时移动一次便获得一个记录，其中T为发射天线，R为接收天线。当发射天线和接收天线沿测线移动时，就可以得到由一个个记录组成的地质雷达时间剖面图象。2.宽角量测法在宽角法观测当中，一个天线固定在地面某一点不动，而

另一个天线沿测线移动，记录地下各个不同层面反射波的双程走时，其中T为发射天线，R为接收天线。记录的电磁波是通过地下各岩层的传播时间，它反映了地下介质各岩层的速度分布。通过宽角法测量成果的分析，可以确定地下各岩层的传播速度。宽角剖面与速度图探地雷达在探测来自地下深部界面的反射波时，由于信噪比过小，不易识别。这时可采用类似地震的多次覆盖法技术，应用不同天线距的发射、接收天线在同一测线进行重复测量。然后把所得到的测量记录中测点位置相同（其中心点）的记录进行叠加，能增加所得的记录信噪比，抑制多次反射波以及随机噪声的干扰。3.多次覆盖法4.多天线法利用多个天线进行测量。每个天线道使用的频率可以相同也可

以不同；每个天线道的参数如点位、测量时窗、增益等都可以单独

用程序控制。多天线测量又有两种方式：第一种方式是所有天线相

继工作,形成多次单独扫描，这多种扫描使得一次测量的覆盖面积广，从而提高工作效率；另外也可利用多次扫描结果进行叠加处理，有

利于提高记录的信噪比。第二种方式是所有天线同时工作，利用时

间偏移推迟各道的接收时间，可以形成一个合成雷达记录，改善系

统的聚焦特性，即天线的方向特性；聚焦程度取决于各天线之间的

间隔；一般来讲，天线间距越大聚焦效果越好。五.地质雷达仪器参数的选择1.探测深度与时窗长度2.A/D采样分辨率扫描样点数扫描速率增益点数的选择滤波设置7.选择合适的采集方式8.选择适宜的显示方式9.分辨率第三节 地质雷达资料处理与地质解释一.地质雷达资料处理与地质解释1.处理的目的地质雷达资料处理的目的就是消除干扰，突出有用信号,提高信噪比。由于地质雷达反射记录的波形比地震波复杂的多，一方面是地质雷达分辨率高，记录的信号很丰富；另一方面是由于电磁波的干扰因素多；同时由于雷达发射的子波比较复杂，并非简单的脉冲。因而雷达资料的处理和解释是一项复杂、细致的工作。此外，现场采集时天线移动难保证匀速，记录标记也不均匀。对于不同的探测对象，资料处理的技术选择也不完全相同。一般的处理都包含记录标记的归一化、水平与垂直滤波、电磁波速分析等三步。在完成上述处理之后，根据不同的探测对象，选择针对性的处理办法。2.记录标记的归一化雷达记录标记有时用手打，有时用测量轮。用测量轮打的标记记录比较均匀，每米的扫描数是相等的。用手工打的标记因移动速度不等，一般每米扫描数都不太均匀。资料处理的第一步就是作标记的归一化处理，使每米扫描数相同。不同雷达厂家提供的软件均应包含该项功能，否则软件功能是不完备的。在处理中根据选择每米扫描数，软件会根据标记位置，自动增补或删除一些扫描线。3.电磁波速分析与标定标定的方法有多种，一个是直接破孔，将雷达波反射走时与破孔深度对比；也可以利用声波测厚数据进行对比计算；还可以用雷达CDP（CMP）方法作速度扫描，或用反射抛物线叠代计算厚度和速度。标定得到波速值后，要与经验值进行比较，分析同异的原因。特别是作混凝土厚度检测时，混凝土配比不同，浇筑的时间长短不同，孔隙率和含水量不同，对介电常数有很大影响，其值可在5~12之间变动，如果波速取的不正确，会给检测带来很大误差。4.数字滤波处理技术地质雷达测量中，为了保持有更多的反射波特征，通常利用宽频带进行记录，在记录各种反射波的同时，也记录了各种干扰波。数字滤波技术就是利用频谱特征的不同来压制干扰波，以突出有效波,它包括水平滤波和垂直滤波。1）水平滤波水平滤波对处理雷达资料特别重要，雷达资料中水平波特别发育，它产生于雷达仪器本身；来自于控制器、馈线、天线的相互作用，是难以避免的。水平波具有时间相等的特点，水平滤波就是利用这一特性。滤波过程中，可将相邻的一定数量的扫描线求平均，再与个别扫描线相比较，就可消除水平波。水平滤波中选取的扫描线数越大，滤波效果越小。相反选取的扫描线数越小，滤除水平波的效果越明显。但如果水平滤波扫描线取得太少，可能会滤掉一些缓变界面信号。因而在进行水平滤波时，要根据对象进行试验、调整，以求最佳效果。一般情况下先选10～100条扫描线开始尝试。2）垂直滤波垂直滤波就是地震资料处理中常用的滤波方法，其中较为常用的方法有带通滤波、高通滤波、低通滤波和小波变换等。垂直滤波的目的是为了消除杂散波干扰，这些杂散波是来自于外源，不是天线自身发出的，频率不在雷达天线频带内。有时为了区分不同的地质体，选取不同的频带，都要用到垂直滤波。垂直滤波是一种数学变换，有时会带来较大的失真，滤波的频带越窄，失真越大，应用中要认真选取方法和参数。因为雷达天线的发射与接收都设定了带宽，也就是说雷达信号本身已经过滤波，所以一般资料处理中的滤波处理改善并不明显。增益调节与显示方式选择是雷达资料的处理最有效的手段，它可使图像目标更加清晰，易于识别。增益调节主要是调节增益点的数目，同时也就改变了增益点的位置，使用自动增益可使有用信号得到清晰显示。一般情况下对50ns长的记录选择3～4点增益比较合适，100ns以长的记录选择4～5点增益，400ns以长的记录可选择5～6点增益。显示选择包含两个层次的选择，一个层次是选择显示方式，另一个层次是选择显示模板，根据不同的对象，选择合适的模板，可达到显示目的。5.增益调节与显示选择地形校正在场地勘察和滑坡等地质病害诊断中经常遇到。地质雷达记录是以表面为零点的相对深度，要确定反射面的空间位置需要将深度换算成海拔高程。地形校正需要输入测线的高程文件和表层波速，校正计算是以地形最高点为基点，凡是比它低的点的记录在开头都增加一个时间延时，延时的大小取决于双程高差与速度的比，校正后的地质雷达记录中表面反射振幅随地表起伏变化，地下反射层的埋深未变，但起伏形态改变了。表层速度选取的是否合适关系到校正结果的误差大小。6.地形校正处理第三节 地质雷达资料处理与地质解释一.地质雷达资料处理与地质解释1.解释参考资料地质雷达资料的解释一定要参考地质与工程资料，这些资料对于辨认雷达波的特点、确定反射层位置都有重要的参考价值。要收集的参考地质资料包括地质报告、钻探物探资料，并对工作区域进行详细的地质考察，了解工作区的地层出露层序、岩性特征、岩体结构特征等，包括岩体的节理、裂隙、层理的产状、密度、穿透性等，岩体的风化程度、地下水分布及富集地段等；工作区的构造特征，包括断裂的走向、产状、规模，断裂的组合关系等。这些资料对于雷达资料的解释非常重要，要学会使用和分析地质资料，并学会用地质语言表达探测结果。2.地质雷达记录的判读1）反射波的振幅与方向反射波有以下两个特点，第一，界面两侧介质的电磁学性质差异越大，反射波越强；因此从反射振幅上可判定两侧介质的性质与属性。第二，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。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。3）反射波同向轴形态特征地质雷达记录资料中，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。3.解释技术及结果表示方法雷达的探测结果应尽量图形化、图象化。比如将雷达探测结果表示成彩色地质剖面、混凝土厚度表示成曲线图、二维厚度分布图等，用WINSURF、EXCELXECEL、CORDRAW、POWERPONIT等绘图工具可达到这一目的。三.地质雷达地下检测项目及反射波形态特征1.隧道检测地质雷达技术在隧道检测中用于检测衬砌厚度、衬砌混凝土胶结情况、衬砌背后回填情况、格栅钢架和钢筋布置是否符合设计要求，隧道超欠挖断面检查、超前导管注浆效果检测和隧道衬砌含水情况调查等。测线布置以纵向线为主，横向线为辅。纵向线的布置应在隧道拱顶、左右拱腰、左右边墙和底部各一条；横向布线一般情况间距8-12m。采用点测时，每断面不少于5个点。三车道隧道应在隧道拱顶部位增加两条测线。测线每5-10m应有一里程标记。1）隧道衬砌厚度检测混凝土衬砌厚度检测是隧道施工质量的重要指标，直接影响衬砌结构承载力和隧道运营使用寿命。2）衬砌混凝土胶结情况检测根据混凝土反射雷达电磁波在雷达图像上的特征,混凝土胶结质量可分为二种情况:密实、不密实。混凝土密实是指混凝土振捣均匀、材质均一,浇筑质量好,在雷达图像上表现为图像清晰,电磁波反射能量分布均匀、能量衰减慢,同相轴连续性较好、波形稳定、规律性强;混凝土不密实是指混凝土密实度差、振捣不均匀、局部骨料架空,存在蜂窝、离析现象,浇筑质量差,在雷达图像上表现为电磁波能量分布不均匀、能量衰减快,局部出现离散现象,同相轴连续性差,波形波幅不稳定、杂乱。3）衬砌内存在空洞或脱空质量检测胶结紧密,雷达图像表现为电磁波反射能量分布均匀、规律,信号幅度较弱,波形稳定,图像清晰;轻微脱空,表现为衬砌胶结界面反射波波形杂乱,能量强弱无规律性,相位不连续,在剖面图上不能够追踪到连续的同相轴,局部存在较明显的反射现象;脱空,表现为衬砌胶结界面反射雷达电磁波能量强,频率成份丰富,频带较宽,在剖面上形成近圆弧状的、同相轴连续可追踪的反射波组,并伴有多次强反射，且衬砌层底部的反射波振幅明显增强，但层底的反射波同相轴依然连续清晰，形状未发生大变化。三角形空洞的反射波形态特征空洞和不密实带的信号特征为，在雷达时间剖面图上，将“双曲线”异常解释为衬砌内或回填层内的空洞，将零乱的团块状或条带状的强反射异常判识为衬砌内或回填层内的不密实带。4）格栅钢架和钢筋布置检测地质雷达也可应用于对隧道内支撑钢架的位置进行检测，衬砌内钢筋或钢格栅对隧道薄弱或重要部位起着不可忽略的加固作用，地质雷达能够检测钢架位置。金属导体中电磁波速为零，不能传播。钢筋对于电磁波的能量几乎全部都反射回来，反射系数近乎为1，反射极强。应用高频天线探测，钢筋形成清晰的反射弧，呈半张开的伞形；可靠地检测出钢筋网密度，钢筋粗细，布置位置。在雷达时间剖面图上，钢筋的特征主要表现为沿垂直方向成密集型连续的小双曲线形强反射信号。(a)钢筋分布良好（b）钢筋布置不够(c)钢筋布置参差不齐钢架的特征主要表现为沿垂直方向成离散的、月牙形强反射信号。钢架雷达分布图因为金属物体对雷达波的屏蔽及反射强烈，且钢筋间距较小，所以通常只能判读靠近混凝土表层的一排钢筋数量，后排钢筋往往反射信号很弱。另外，如果二次衬砌内设计有钢筋网，这时初衬的钢架