地质雷达培训

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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。

图1 ZK26+903掌子面左边墙发育一溶腔，向掌子面左上方延伸图2 ZK26+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+893 10
III Ⅳ ZK26+893～ZK26+873
20 III III 2013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
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
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，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4 ZK26+893掌子面左边墙（ZK26+895～ZK26+893区段）溶腔图5 ZK26+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。

含水信号
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
2013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，岩质较坚硬。

掌子面左侧发育一溶洞，揭露溶洞洞口处直径约5m，向内部增大趋势，向上延伸深度约20m，洞内有块石堆积，洞壁有粘土附着，呈可塑～软塑状；溶洞内部ZK26+893拱顶上方约10m处揭露一洞口，直径约2m，向已开挖段延伸，延伸长度未知；ZK26+887拱顶上方约6m处揭露一洞口，直径约2m，向隧道进口方延伸，深度及规模未知（据现场施工人员描述，内部规模较大，向前延伸深度在30m以上）。

掌子面右侧中部发育有裂隙，并有软塑～流塑状黄泥渗出。

掌子面照片如图7～10所示。

图7 ZK26+883掌子面照片（9月19日） 图8 ZK26+883掌子面照片（9月20日，塌落物清理后）
图9 ZK26+883掌子面右侧中部沿裂隙有软塑至流塑状粘土渗出图10 ZK26+883掌子面右侧靠边墙沿裂隙渗出的软塑至流塑状粘土
（3）毕镇线锅庄隧道预报
2015年12月10日，锅庄隧道进口右幅掌子面开挖至YK11+795时，揭露岩性灰黑色中风化薄~中厚层灰岩，掌子面中部拱顶揭露竖向岩溶管道，溶腔内有黄泥夹石块充填充填，充填物无自稳能力，遇水后易形成泥流、突泥现象；我方第一时间赶赴现场与施工方对洞内及地表进行调研。

根据现场调查结果，目前锅庄隧道进口左洞开挖位置已处于断层破碎带影响范围，该区段隧道顶板为大型岩溶漏斗，推测当前掌子面揭露为漏斗范围，后对地表进行调查及走访，发现在地表形成一塌坑，塌坑直径约为3米，深约4米~5米。

掌子面照片如图1-1、图1-2；地表照片如图1-3、图1-4；隧道断面图及位置图如图1-5图1-6所示。

图1-1 YK11+795 揭露竖向岩溶管道。

图1-2 ZK11+822 岩溶管道内有黄泥夹石块充
填
图1-3 地表塌坑图1-4 坍塌内
2. 锅庄隧道地质情况及预报结果与分析
我公司于2015年12月06日对该隧道YK11+788掌子面前方进行了地质雷达测试。

雷达处理后图象见下图：
图2-1 YK11+788掌子面地质雷达波形图
(测线1) 图2-2 YK11+788掌子面地质雷达波形图
(测线2)
表2-1 地质雷达测试成果判释
（4）错误分析案例
4.1雷达图像显示
3-7 I#隧道出口左幅ZK3+257上台阶底部附近前方地质雷达成果图
I#隧道出口左幅ZK3+257上台阶底部附近前方地质雷达成果图
问题：两个图所反映的信息？
高频低频信号的区别？
同相轴连续性？
4.2结果判别
表3-1 地质雷达测试成果判释
隧道名称
及线位测试范围
探测长度
（m）
地质雷达成果分析
I#隧道出口左幅ZK3+257
～
ZK3+237
20
分析测线反射波形图可以发现，前方预报区段雷
达波形较为均匀(1)，能量团分布较为均匀(2)，低频同
相轴连续性一般(3)，结合勘察、设计资料综合分析推
测：初步推测本次预报段内岩性为泥岩夹砂岩、砂岩
夹泥岩(4)，围岩含泥质重，岩质较软至软，围岩节理
裂隙、软弱夹层密集，岩体破碎至极破碎，局部围岩
(2)此处可不提能量团或能量团分布不均匀
(3)同相轴（错断，时断时续，连续性差等）
(4)地质推测不应卸载雷达预报中
(5)雷达能测泥质，能测岩质，难怪业主认为我们的雷达如此万能，总体分析结果：
分析测线反射波形图可以发现，前方预报区段雷达反射波形较为杂乱，能量团分布不均匀，高低频反射信号同相轴错断连续性较差。

结合勘察、设计资料综合分析推测：初步推测本次预报段内节理裂隙发育，岩体破碎，地下水稍发育，总体上围岩完整性类似于现在掌子面。

五、雷达自校
现场雷达异常应检查系统的连接等原因，先从硬件上找原因，保证系统能够运行，在系统运行正常时，如雷达长期在15m，20m等固定位置出现干扰，考虑是否现场干扰，排除该类情况下，应进行雷达自校：并填写自校记录。

自校方式有两种一种是中心自校规程，见附表一：
另一种方式为（1）开阔户外连接系统开机正常；（2）将100Mhz天线底面朝上，空采一定数量数据（时间点测均可）；（3）分析雷达数据，该测试数据主频一般略低于标示主频（如100Mhz天线频率100Mhz，实际测试主频为95左右）
地质雷达仪器自校记录
设备编号JKJC-隧-007-05 生产厂家劳雷（北京）仪器有限公司自校编号
本次自校的技术依据
名称《地质雷达仪器自校方法》编号JKJC-JJ-2009-78
自校所用计量器具
编号计量器具名称
型号/
规格
设备编号检定单位证书编号有效期至
1 钢卷尺5m JKJC-桥-029-01贵州航天计量测试
技术研究所
L字第2013120251
号
2014.12.24
项目校验数据成果图结果
一、外观1、外观是否清洁无损伤？
外观清洁、无损伤
2、仪器各部件是否能正常连通工作？接通仪器后各部件均可正常工作
二、使用高频天
线实测空气电磁波速度值Cc1与空气电磁波速度标准值Co之间的相对误差值β11、实测t1 = / ns Cc1= / m/ns
β1= /
2、是否β1≤±5% ?
/
/
三、使用低频天
线实测空气电磁波速度值Cc2与空气电磁波速度标准值Co之间的相对误差值β21、实测t2 =19.57ns Cc2= 0.306m/ns
β2= 2.25%
2、是否β2≤±5% ？
是
自校结论：
自校员核校员日期日期
直达波信号
汽车反射信号
（注：可编辑下载，若有不当之处，请指正，谢谢!）。