超前预报(地质雷达)
地质雷达超前预报分析
隧道地质超前预报中的解译标志
（1）完整岩体：对于完整的岩体，除图像顶部的直达波外，雷达波不发生反射或反射波能量很小，波形均一，波长基本一致，波幅逐渐减小，同相轴清晰，平直、连续；反射波的主频集中在天线的中心频率附近。
（2）节理裂隙密集带或断层破碎带：由于被节理裂隙切割，反射界面增多。
①当结构面垂直掌子面或不规则发育时，反射波同相轴平直、连续，与完整岩石的差别在于振幅增大，频率增高，断层内反射波杂乱；
②当结构面垂直掌子面或不规则发育时，反射波振幅增大，频率增高，在分界面处同相轴出现弯曲，在断层破碎带内部同相轴错断，同时能量衰减快。
（3）溶蚀裂隙区：其振幅频率因含水量差异而不同（一般反射波振幅衰减较快、频率降低），与两侧反射波差异明显，且同相轴错断。
（4）溶洞:电磁波在溶洞周界发生反射，一般形成振幅较强的弧形反射波，并出现较强的多次反射波
①当溶洞内没有充填物质时，表现为在溶洞顶和洞底界面反射波振幅加强，洞顶反射波相位与直达波相反，洞底反射波相位与直达波相同
②当溶洞充水时，洞顶界面反射波振幅加强，由于水对电磁波能量的强吸收洞底界面消失，洞顶界面反射波相位于直达波相同；同时，在频谱图中，反射波频率向低频移动，高频波消失
③当溶洞内部分充填岩石碎块时，与破碎带相似，表现为振幅增强，波形杂乱
④当溶洞内部分充填黏土时，由于黏土对电磁波的强吸收，表现为局部反射波振幅减弱或消失。
地质超前预报的方法
地质超前预报的方法
地质超前预报是一种通过研究地质现象、地壳变动等手段提前预测地质灾害的方法。
以下是几种常用的地质超前预报方法：
1. 地震预报：通过研究地震活动规律、地壳运动等因素，预测地震的发生时间、地点和强度等，并采取相应的防灾措施。
2. 地质灾害预警：通过对地质灾害危险区域的监测和预警系统的建立，实时监测地质灾害的动态变化，及时向相关部门和民众发布预警信息，提前采取防护措施。
3. 地质雷达：利用地质雷达设备对地下构造进行探测，通过测量反射波的强度和时间差等信息，分析地层结构，预测地质灾害的发生和发展趋势。
4. 地质电阻率法：通过测量地下岩层的电阻率差异，分析地下构造和孔隙情况，预测地质灾害的潜在风险。
5. 地质探查：进行地质勘探和地质调查，获取地质信息并进行分析，以了解地层变化、岩石质量等情况，从而预测可能发生的地质灾害。
6. 气象预报：地质灾害往往与天气和气候有关，通过气象预报可以预测降雨量、强风等天气现象，从而预测地质灾害的潜在风险。
这些方法的应用可以帮助地质学家和相关部门提前发现地质灾害的迹象，及时采取措施避免或减轻损失。
但需要注意的是，地质超前预报并非完全准确，仍存在一定的误差，因此还需结合其他方法和技术进行综合分析和判断。
地质雷达(GPR)在超前地质预报中的应用
地质雷达（GPR）在超前地质预报中的应用超前地质预报是在隧道开挖时，对掌子面前方的围岩等级与不良地质发育情况做出预测、预报。
超前地质预报常用的物探方法有很多，分类不尽相同。
常规地质素描法和物探法是目前隧道施工中普遍采用的超前地质预报方法。
常规法包括：超前导坑法、正洞地质素描、水平超前地质探孔；物探法包括TSP-203、GPR、声波测试、地震反射法、红外探水。
GPR已成为地下工程常用的超前地质预报方法。
GPR被广泛的应用于工程质量检测、场地勘察和隧道超前地质预报工作。
其特点为：操作方便、分辨率高、预报距离短（20m～30m）和易受电磁干扰的特点。
二、GPR探测基本原理GPR是一种无损的探测技术，它利用宽带电磁波传播反射规律，查明地下不可视地质体情况。
发射天线Tx发出高频电磁波脉冲，被地下介质介面反射，被接收天线Rx接收，接收的信号经过GPR软件处理、分析，判明地下有无不良地质现象，见图2-2GPR电磁波脉冲传播示意图。
图2-2GPR电磁波脉冲传播示意图三、GPR实验数据特征：GPR溶洞、断层破碎带和裂隙密集带数据特征如表3-1所示：表3-1GPR数据特征图2-3GPR岩溶探测成果图图2-4GPR断层破碎带探测成果图图2-5GPR裂隙密集带探测成果图四、结语GPR在隧道开挖时，能够对掌子面前方的围岩等级与不良地质发育情况做出预测、预报。
地下岩溶发育，对雷达波的反射特征为：溶洞边界的反射雷达波为强反射波，同时经常伴有绕射现像。
断层破碎带内岩体的介电常数受孔隙度和含水率的影响较大，致使其与完整岩体的波阻抗差异明显。
当电磁波传播至两种地质体界面时[Ⅵ]，反射波能量增强、波形幅值增大；当电磁波传播至断层破碎带内部时，由于破碎的岩石胶结程度不同，致使反射的雷达波波形杂乱。
应用GPR软件得到雷达波场，其特征为：反射波强烈且振幅加强，同相轴错段。
有时候还可出现断面波和绕射波[Ⅷ]。
裂隙密集带主要存在于岩脉带及软弱夹层、断层影响带中，由于裂隙内有不均匀、不同成分的充填物，与周边围岩形成电性差异[Ⅸ]。
地质雷达图像解释(含超前地质预报及检测)
电缆
陶瓷
PVC
金属
污水管
钢拱架
双层钢筋
钢格栅
地质雷达进行隧道地质超前预报的反射波形相对复杂很多，各种 地质体的地质雷达图像特征如下表：
富含水的淤泥夹层
地质雷达应用实例
地下洞群
波形堆积图
说明：电磁波在地下的传播过程中遇到空洞等异常，其强度和相位将有明 显变化，典型显示为双曲线。
二衬欠厚
其他不利地质体的地质雷达图像
其他不利地质体的地质雷达图像
其他不利地质体的地质雷达图像
其他不利地质体的地质雷达图像
二衬板缝三角形脱空
其他不利地质体的地质雷达图像
二衬中的空洞及管线
其他不利地质体的地质雷达图像
孤石脱空
其他不利地质体的地质雷达图像
路面检测
天线不耦合产生雷达干扰波
二衬表面管槽的雷达干扰波
空洞的雷达干扰波
电线的雷达干扰波
3 常见目标的雷达图像特征
1)钢拱架 反射波同相轴呈向上凸起的弧形，顶部反射振幅最强，弧形
两端反射振幅最弱 2)钢筋
反射波同相轴呈向上凸起的尖状，类似于钢拱架的反射波形。 3)空洞
界面反射信号强，三振相明显，在其下部仍有强反射界面信号， 两组信号时程差较大； 4) 钢格栅
富含水和淤泥的大型岩溶
裂隙
溶 洞 顶 部
裂隙
溶 洞 中 部
说明：图像中存在多次强烈的多次反射，此溶洞后经钻孔验证，两条裂 隙补给溶洞的水和淤泥
典型溶洞的地质雷达图像仰拱ຫໍສະໝຸດ 的溶洞典型溶洞的地质雷达图像
典型溶洞的地质雷达图像
其他不利地质体的地质雷达图像
断层
其他不利地质体的地质雷达图像
超前地质预报（地质雷达法）和半航空物探（半航空瞬变电磁法）在隧道工程施工的运用
超前地质预报（地质雷达法）和半航空物探（半航空瞬变电磁法）在隧道工程施工的运用摘要：复杂的地质条件和地质灾害是隧道施工中的难题，发生地质灾害将造成巨大的生命和财产损失。
因此，可靠地探测地质缺陷特征，如断层、岩溶洞穴和地下水，具有重要的现实意义和理论价值。
本文介绍了超前地质预报（地质雷达法）和半航空物探（半航空瞬变电磁法）在隧道工程施工的运用。
引言在中国，许多大型项目正在进行中水利、水利等建设水电站、铁路、公路、能源储存和运输系统，以及地下矿山。
这些项目为我们提供了一个重要的机会地球工程的进展。
然而，严重的由于环境复杂，也存在挑战地质条件和潜在地质灾害在隧道施工过程中，造成了巨大的生命损失还有财产。
因此，改进地质缺陷的探测能力是非常重要的，例如探测断层、溶洞和地下水涌出。
中国在建隧道具有长度长、体积大的特点覆盖层和复杂的地质条件。
例如，宜昌至万州铁路建在山区，以高风险岩溶程度高的突水危险。
该地区已发现严重的突水危险马鹿青隧道和沿途的野三关隧道宜昌至万州铁路发生严重伤亡事故经济损失。
在水电工程领域，北京锦屏二级水电站副洞四川省有2375米深和17.5公里深长覆盖层使隧道埋在下面极高的地应力。
1.隧道工程施工的探测技术1.现有的探测技术在这下面在这种情况下，隧道的施工可以受到潜在岩爆的影响通过释放地应力，尤其是在不良地质条件，如断层、软弱岩石特征和地下水。
地质灾害防治研究在隧道施工过程中已经成为一个重要的问题中国的问题，包括相关机制治疗技术和探测技术。
地质缺陷特征的探测在危险控制中起着重要作用本文提出。
目前，探测地质灾害的方法危险源可分为两类：地质调查和地球物理勘探。
地质调查包括工程地质分析、先导开挖和岩心钻探，同时地球物理勘探包括地震、电磁和地质雷达方法。
每种方法它有自己的优点和缺点。
2、隧道工程施工探测的难点可靠探测的挑战性问题包括：（1）故障的识别和定位，裂缝、溶洞和地下水体（如地下河）；（2）含水层探测；（3）探测的解释结果在多种解释的背景下物探成果及优化探测方法的选择。
地质雷达法在隧道超前预报检测中应用的探讨
44交通科技与管理工程技术0 引言近年来，随着我国经济水平的蓬勃发展，我国开始注重完善基础设施建设，增加各类高速铁路、高速公路的建造量，除此之外也建造了大量如隧道工程般的隐蔽工程。
由于隧道工程是处于地下环境中的隐蔽工程，复杂多样、无法预知的地质因素为隧道工程带来了极大的影响和挑战。
在隧道工程的前期勘测阶段，容易因时间、技术和经济等因素影响勘测结果，导致设计结果与实际施工环境不匹配的情况。
而在施工过程中，尤其是在地质复杂的区域，易出现如地层破碎带、断层、溶洞、地下暗河等对施工不利的条件，若无法提前预测前方地质情况，不仅会影响正常施工，还会对施工队伍的安全造成威胁，造成较大的人员和经济损失，因此隧道地质超前预报对隧道工程具有重大意义。
隧道超前预报检测中常用的方法有：地质雷达法、红外探水法、TSP 预测法、超前钻探法等。
地质雷达法由于具有操作简单、成本较低、高效便捷、不会对施工环境造成影响等优点，且对于破碎岩体、溶洞等复杂地质探测效果较好，被广泛运用于隧道超前预报监测之中。
本文就地质雷达法对贵州某铁路隧道在建工程进行隧道超前预报检测，对地质雷达法在隧道超前预报监测中的准确性进行论述和验证。
1 地质雷达探测原理地质雷达是一种电磁无损探测技术。
通过向地下发射频率通常在106 Hz~109 Hz 的高频窄脉冲电磁波，对接收到的反射波形的振幅、波形、频率等特征进行分析，进而推断地质因素的探测技术。
该方法的理论依据是，探测对象内部存在明显的介电性差异，电磁波遇到地址分界面会产生不同的反射、散射差异，对于接收到的反射波形的差异进行相关分析，即可推断隧道前方是否存在不良地质，并对不良地质的空间位置、规模等信息进行推测。
2 雷达数据处理基本理论 （1）三振相：香味、振幅、频率。
三振相即瞬时相位、瞬时频率和瞬时振幅，是隧道超前地质预报中不可或缺的三个指标。
相位：一个垂直的单道波形的波峰和波谷可以直观地表达出波形的相位，每一个完整的信号周期都至少包含一个波峰和波谷，地下不同的介质的接触面反射的电磁波会在地质雷达探测设备上显示出一个完整的反射信号周期。
超前地质预报
超前地质预报一、预报内容1.地层岩性预测预报，特别是对软弱夹层、破碎地层、煤层及特殊岩土的预测预报。
2.地质构造，特别是对断层、节理密集带、褶皱轴等影响体完整性的构造发育情况的预测预报。
3.不良地质，特别是溶洞、人为坑洞、瓦斯等发育情况的预测预报。
4.地下水，特别是对岩溶管道水、富水断层、富水褶皱轴、富水地层中的裂隙水等发育情况的预测预报。
二、预报方法隧道工程超前预报采用地质调查法、地震波反射法、加深炮孔探测法、超前地质钻探法及地质雷达探测法进行综合预报。
在地质调查法的基础上,采用地震波反射法进行中长、长距离探测；采用超前地质钻探进行验证,钻探孔数2个,深度30〜50m；釆用加深炮孔探测法进行短距离预报；并采用地质雷达探测法及物探红外探测法对断层破碎带、软弱岩层变化带及可溶岩地段进行探测。
超前预报工作如下：1.全隧道进行地质素描,隧道岩性变化点、构造发育部位等复杂、重点地段应每循环进行一次素描,其他地段不应超过10m进行一次素描（或每循环一次也可）;2.地震波反射法探测：地震波反射法连续预报时前后两次应重叠10m以上,每次预报距离100〜150m。
隧道区域内软弱破碎地层或岩溶发育区,每次预报距离应为100m左右；岩体完整的硬质岩地层每次可预报150m。
3.超前地质钻探：在随道区内富水软弱断层破碎带,富水岩溶发育区,重大物探异常区等地质条件复杂地段必须使用,确保施工的安全性。
超前水平钻探每循环钻孔长度不应小于30m,连续预报时前后两循环孔应重叠5〜8m。
可能发生突泥涌水的地段,超前地质钻探应设孔口管和止水装置,防止高压水突出。
富水软弱断层破碎带、岩溶发育区、重大物探异常区等地质复杂地段应釆用超前水平钻探为主的综合方法预报前方地质情况。
4.每个循环应采用加深炮孔探测法进行短距离探测的,一般情况布置5个加深炮孔,当出现不同地层分界,断层破碎带或预报可能出现地质隐患时,布置8个加深炮孔；当釆用上半断面开挖时,相应炮孔为3〜5个；炮孔孔径50 mm,孔深5〜8m。
超前地质预报(地质雷达法)施工作业指导书
超前地质预报（地质雷达法）施工作业指导书1.适用范围适用于xx隧道工程超前地质预报（地质雷达法）作业。
2.作业准备2.1施工前应充分掌握隧道设计图纸及相关文件内容，并及时与现场进行核对，以确定合适的超前地质预报方法并配备相应机具设备。
根据施工图设计要求及现场实际情况做好超前地质预报作业技术交底。
2.2熟悉《铁路隧道超前地质预报技术规程》（Q/CR9217-2015）、业主下发有关超前地质预报的管理办法等文件要求。
2.3将隧道超前地质预报工作纳入正常的施工工序管理，建立完善的信息收集和信息反馈系统。
2.4熟悉了解已有勘察资料，掌握掌子面所处地段的地层岩性、构造特征、不良地质及水文地质特征。
2.5熟悉了解其他预报手段探测成果，分析判断掌子面所处地段工程地质与水文地质特征可能出现的差异（与勘察成果比较）。
3.技术要求3.1技术指标3.1.1地层岩性预报，特别是针对软弱夹层、破碎地层及特殊岩土的预测预报。
3.1.2地质构造预报，特别是针对断层、节理密集带、褶皱轴等影响岩体完整性的构造发育情况的预测预报。
3.1.3不良地质预报，特别是针对瓦斯等发育情况的预测预报。
3.1.4地下水预测预报，特别是针对富水断层、富水褶皱轴、富水地层中的裂隙水等发育情况的预测预报。
3.2技术标准3.2.1探明断层的性质、产状、富水情况、在隧道中的分布位置、断层破碎带的规模、物质组成等，并分析其对隧道的危害程度。
3.2.2测定瓦斯含量、瓦斯压力、涌出量、瓦斯放散初速度等，评价隧道瓦斯严重程度及对工程的影响，提出技术措施建议等。
4.施工程序与工艺流程4.1施工程序施工程序详见图1。
4.2工艺流程工艺流程详见图2、图3。
图1 隧道超前地质预报工作程序框图图2超前地质预报实施流程图图3 地质预报信息处理流程图5.施工要求5.1施工准备5.1.1根据施工图设计要求及现场实际情况做好超前地质预报作业技术交底。
5.1.2超前地质预报施工前应熟悉相应隧道的设计图纸，核对地质资料。
地质雷达在公路隧道超前地质预报中的应用
地质雷达在公路隧道超前地质预报中的应用摘要：公路隧道正式施工过程中，受多方面因素影响，难以对复杂地质做出精准性判定，难以预先采取强有力的措施加以防范，增加地质灾害产生风险。
需积极利用地质雷达，对前方地质状况进行预报，采取预防措施，保证工程安全。
关键词：地质雷达；公路隧道；超前地质预报；应用公路隧道施工中可能产生多个不良地质现象，针对其及时做出预报，可积极采取预防措施提高施工效率，而且保证施工质量可靠性。
地质雷达作为一类分辨率较高的探测仪器，凭借自身优势用于工程勘察中，可及时、精准判定前方地质状况，有针对性做好预防措施。
1.地质雷达工作原理及基本方法1.地质雷达工作基本原理地质雷达作为一类最基本的探测方法，主要利用电磁反射探测技术，实际工作原理见图1，发射器将发射天线作为核心介质，向围岩和衬砌中定向发射相应的电磁波，电磁波实际传输途径过程中遇见存在电性差异界面，第一时间发生反射，从不同深度返回反射波主要交由天线和接收器接收。
同时，最先接收从反射天线历经两个天线所在介质表面传播至接收天线直达波，将其作为整个系统初期点。
信号通过加工处理之后，对直达波之后反射传输回归的不同时间段的反射波，取其时间1/2，与其相吻合介质的电磁波传播速度乘积为反射目标实际深度。
其实际目的层深度计算公式如下：h=1/2式中：h为目的层深度；x为发射天线和接收天线实际距离；V为介质中电磁波实际速度。
为精准性辨识反射目标自身性质，需充分结合多元化的反射信息特征，如反射波强度、纵向变化等，衬砌与围岩、围岩中空洞等均为反射界面自身目标。
地质雷达工作基本前提为探测主体目标与周围介质间存在显著的差异性，雷达波在介质中传播实际速度V与介质电磁性近似关系如下：V=c/式中V为介质中电磁波实际速度，c为真空中光速（m/ns）；为介质相对介点常数；为介质导磁率。
图1 探第雷达工作原理示意图1.地质雷达探测方法和步骤2.1天线频率的选择天线频率选择合理性直接决定最终地质雷达探测精准性，天线中心频率实际选择过程中需充分考量各方面因素，如目标体实际深度、最小尺寸等。
地质雷达隧道超前预报检测
摘要:隧道地质超前预报是工程地球物理研究中的疑难问题之一。
地质雷达方法是一种用于探测地下介质分布的广谱电磁技术。
在地下水、断层及其影响带等不利地质情况下，由于其不利介质与完好介质的相对介电常数均有较大差异，为进行地质预报提供了良好的物理基础。
利用该方法，能够较准确地预报出掌子面前方20m 范围内的地质情况。
通过在某水电站的隧道检测的实践说明地质雷达是隧道施工中的较好的地质预报手段。
关键词:隧道超前预报地质雷达探测探地雷达（GRP）又称地质雷达，是现代广泛用于测试地下介质分布的电磁技术之一，它主要是通过地下发射的高频宽带的电磁脉冲信号，然后根据回波信号的振幅、波形和频率等特征，利用地下介质的电磁特性的差异来分析和推断地下介质的结构特征的，具有快速便捷、操作简单、抗干扰和场地适应能力强，无损等特征。
目前探地雷达技术已经应用于如采矿工程、水利水电工程、地质工程和岩土工程勘察、建筑工程、桥梁道路、隧道工程、管线勘测、环境检测、考古等方面的行业中[1]。
1地质雷达工作概述1.1地质雷达基本工作原理示意图地质雷达与对控雷达在原理上是很相似的，他们都是基于地下介质的电性差异存在的，也都会向地下发射高频的电磁波，也都能够接收地下介质反射回来的电磁波，以此对他们进行处理、分析和解释的工程物探技术，两者的主要探测原理就是图1所表示的。
发射机接收机第一层界面第二层界面第三层界面深度时间目的体图1地质雷达工作原理示意图雷达脉冲波的行程方程为：t=4z 2+x 2姨v式中:t 为脉冲波走时(ns，lns=s)；z 为反射体深度；x 为发射机和接收机间的距离；v 为雷达脉冲波速。
1.2地质雷达基本工作方法主要是通过隧道的掌子面发射天线的电磁波，把主频为数十兆至数百兆乃至数千兆赫的脉波送入隧道掘进方向，这样当在岩体传播过程中遇到不同的目标体的电性介面时，就会有部分的电磁能力被反射回到掌子面，在被接收天线接收时，就会主动生成记录，得到从发射经岩体界面反射回到接收天线的双程走时t。
地质雷达在引水隧洞施工超前预报中的应用
・
波 、反褶 积 、偏 移归 位处 理ｌ－ ６ ７。数字 滤波就 是用 Ｊ
１ ・ Ｏ
小水电 ２１年第 ５ （ ００ 期 总第 １ 期） ５ ５
技术 交流
醋 入射 波 （ 自到黑 ） 从
反射波
Ｌ 扫 天 描Ｉ
（ 从黑到 白
图 １ 地质雷达探测原理
当沿着被 测物体 表 面 同步 、连续 移动 发射和 接
收天线 时 ，使 得反射 波 反复重 叠 ，根 据反 射波 的波
形 和强 度特征 ，得 到其 内部介 质 的剖 面 图形 ，结合 多 条测 线 的探 测 ，可 以了解 目标体 的平面分 布情 况
（ 图 １。 见 ）
地质 雷达 的数据 处理 方法 主要包括 预处 理 、滤
１ 地质雷达超前预报原理
地质 雷达 是利用超 高频 窄脉 冲 电磁 波探测 隐蔽
面前方 的地 质状况 ，并 进行 围岩稳 定性分 析 ，为隧
道动态施 工 和采取 有效措 施 预防突 发工程 地质事 故 提供科 学依据 ｌ 。 地 质超前 预报 主要分 为直 接法 和间接法 ［ 。直
挖 面 的岩 石温度 ，寻找不 同于正 常红 外辐射 场 的温
式 中，ｄ为 目标 体 深 度 （１ ； Ｖ为 电磁 波 在 ｎ）
度 异 常 点 ，根 据 异 常 点 的 分 布 规 律 探 查 含 水 构 造 ＿ ，探 测距离 短 ，对于 水量大 小 、水 体宽 度及具 ３ Ｊ
介 质 中的传播 速度 （ ／ｓ ； Ｔ为 记 录 的反 射 电 磁 ｒ ｎ） ｎ 波双程 走时 （ｓ；Ｘ 为发 射 天 线 与 接 收天 线 之 间 ａ）
物探技术地质超前预报
隧 道
预报软弱岩层、Biblioteka 水带DFYK隧道超前预报深度偏移剖面富水性预报
断层带预报
BLQ隧道为一长隧道，设计为上行、 下行双幅隧道，隧道总长3480m，最大 埋深为249 m。地质情况较为简单，地 下水较贫乏。围岩岩性为侏罗系泥岩、 粉砂岩夹细砂岩。隧道区内总体属软弱 岩组，硬质岩有粉砂岩夹细砂岩，软质 岩有泥岩。隧道附近有一条近南北向断 层（设计在K630处）通过。近乎垂直隧 道方向发育背斜构造，地层风化严重， 岩石破碎，裂隙发育。从TSP深度偏移 剖面上可以看出断层的特征：强的负振 幅（兰色）反射反映出断层开始出现， 强的正振幅（红色）反射反映断层结束， 之间为多波组的负振幅（兰色）反射。
地质超前预报
物探方法和仪器在隧道工程中的地位
电法
•地面预测：10m-1000m，电阻率法、EH4，V8，PROTEM47、57、 67。 •地下预报：小尺度。地质雷达（SIR-3000、SIR-20）
利用电阻率或电导率的对比度，或者介电常数差，特别对高阻岩 体中的低阻含水体敏感。 弹性波法
•地面预测：中尺度。地震CT、地震反射、首波CT（NZ24、NZ48、 +GEODES）
图2 反射地震“负视速度法”超前预报观测与分析示意图（何振起，2000） Fig.2 Observe system and analysis of Seismic Reflection prediction (after He,2000)
TSP超前预报方法
TSP 超 前 预 报 方 法 （ Tunnel Seismic Prediction） 是 由 瑞 士 Amberg测量技术公司90年代初开发的，90年代中期推向市场，用于隧道超 前预报。其工作原理也是隧道内反射地震方法，但处理方法有独到之处。 该方法在国欧洲、亚洲有广泛的应用，中国也先后引进了该公司的TSP202、 TSP203等超前预报系统。TSP的观测是由一个三分量检波器承担，埋入隧 道侧壁岩体中1-1.5m，炮点设与侧壁岩体内，等间距排列，与接收点在一条 平行隧道走向的直线上，这与国内的采用‘负视速度法’的观测方式基本 相同。TSP方法与国内的‘负视速度法’的主要区别是在资料处理方法上， TSP不采用走时曲线分析方法，而是采用深度偏移成像方法。在偏移成像之 前进行二维Radon变换，利用视速度的差异，消除与隧道走向近乎平行的反 射界面。该方法对纵、横波P、SV、SH分别进行处理。应该说TSP技术在 隧道反射地震方面是做得比较好的，有较好的实用性。但是由于TSP的观测 方式的限制，不可能对断层的产状、位置和岩体波速等参量同时给出准确 的结果，因而在定位精度和岩体类别划分方面还有待改进。应用TSP202技 术在株六复线的新倮纳铁路隧道施工中进行了超前预报，结合工程地质分 析，取得了很好的效果。在云南元磨高速公路的大风垭口、布垅箐隧道的 施工中使用TSP203进行了全程超前预报，取得了很好的地质效果。
TSP203及地质雷达隧道施工地质超前预报方案
TSP203及地质雷达隧道施工地质超前预报方案一、隧道施工超前预报的目的预报施工隧道掌子面前方以下不良（或特殊）地质问题：1）软弱岩层的分布，2）断层及其破碎带，3）节理裂隙发育带，4）含水情况，5）空洞，6）围岩类别，即可以预测即将开挖隧道相关地质结构及其周围地质状况，同时也可以对力学参数（动态弹性摸量、剪切摸量、泊松比、密度、弹性纵波速度、弹性横波速度等）进行评估，有利于及时预报隧道掌子面前方的地质状况，以便正确指导隧道施工。
二、主要预报方法传统的地质超前预报一般采用超前钻探，但是，超前钻探的费用很高，而且还会延误工期。
目前，无损地球物理探测地质预报探测系统一般采用地质雷达法、TSP203法。
TSP203技术预报里程长，一次可预报100米左右，对掌子面无要求，对隧道施工不会有干扰（或者仅有轻微干扰）。
地质雷达法预报里程短，一次可预报10~20米左右（软弱、破碎、含水岩体预报里程最短），要求掌子面在垂向上修平，对隧道施工干扰大。
三、使用的仪器及主要设备TSP203法使用的仪器为瑞士安伯格测量技术有限公司（Amberg Measuring Technique Ltd.）TSP203探测系统。
TSP203系统的主要组成包括记录单元和接收器。
记录单元用于记录地震信号和质量控制，由完成地震信号A/D转换的电子元件和1台便携式电脑组成。
记录单元采用最新技术的24位A/D转换器，最小动态范围为120dB，可以获得10～8000Hz频宽的信息。
接收器用于拾取地震信号，由极灵敏的三分量地震加速度检波器（X-Y-Z分量）组成，频宽为10～5000Hz。
TSP203探测系统见下图：图1 TSP203系统的记录单元图2 TSP203系统的接收器图3 TSP203系统的连接线地质雷达法使用美国SIR系列雷达，所用天线为100MHz地面耦合式单体屏蔽天线（右图）。
四、预报实施1、TSP203法通常情况下，TSP测量剖面是在隧道的左壁或者右壁上布置一系列的微型爆破，测量剖面的选择主要取决于岩层结构的主导方位。
隧道超前地质预报(地质雷达)
隧道超前地质预报（地质雷达）2物探方法基本原理2・1基本原理 (1)2.2探地雷达在勘查中的基本参数 (2)2.2.1电磁脉冲波旅行时 .................... -2 - 2・2・2电磁波在介质中的传播速度∙3∙ 2・2・3电磁波的反射系数 ............. -3 -2.3数据处理方法 ............................................. -3 - 2・3・1距离归一化 (3)2・3・2确定波速 ........................................2・3・3水平和垂直滤波目录-4 -- 4 -—6 -—6 --8 --IO-............................................................................ -4 -3设计文件描述的预报段地质条件4掌子面地质编录及地质分析・・・・5⅛MWi⅛MM⅛⅛⅛i)<......5・1测线的布置・・5.2数据处理结果5.3解译分析・・•・...................................................图1 探地雷达电磁波传播示意图a图2 探地雷达电磁波传播示意图b一般，岩体.混凝土等的物质的相对介电常数为4-8,空气相对介电常数为1, 而水体的相对介电常数高达81,差异较大，如在探测范围内存在水体、溶洞.断层破碎带，则会在雷达波形图中形成强烈的反射波信号，再经后期处理，能够得到较为清晰的波形异常图。
在众多地质超前预报手段中，使用探地雷达预报属于短期预报手段，预报距离与围岩电性参数、测试环境干扰强弱有关。
一般，探地雷达预报距离在15~35米。
2.2探地雷达在勘查中的基本参数2. 2.1电磁脉冲波旅行时t = √4Z2 + X2Iv≈ 2z∕v式中：Z-勘査目标体的埋深；X■发射.接收天线的距离（式中因z>x,故X可忽略）；V-电磁波在介质中的传播速度。
隧道超前预报及质量监控地质雷达系统技术方案
隧道超前预报及质量监控地质雷达系统技术方案1.引言地质雷达系统是一种非常有用的工程监测技术，它可以通过无线电波来探测地下的岩层结构和地质环境。
在隧道工程中，地质雷达系统可以用于超前预报和质量监控，以减少工程风险和提高施工效率。
本文将介绍一个隧道超前预报及质量监控地质雷达系统技术方案。
2.技术原理地质雷达系统利用无线电波的反射和散射特性来探测地下物体的位置和性质。
当无线电波与地质体相互作用时，会产生反射和散射现象。
地质雷达系统通过接收和分析这些波的回波信号来反推出地下地质体的特征和结构。
3.系统设计(1)发射和接收器件：地质雷达系统需要一个发射器和一个接收器，发射器用于发出无线电波，接收器用于接收回波信号。
发射器需要能够产生高频率和高功率的无线电波，接收器需要能够高灵敏度地接收和放大回波信号。
(2)信号处理和图像重建：接收到的回波信号需要经过一系列的信号处理和图像重建步骤，才能得到地下岩层的结构和特征。
这些步骤包括数据滤波、时频分析、图像处理等。
(3)数据传输和显示：地质雷达系统需要将处理后的数据传输到监测中心进行分析和展示。
数据传输可以通过有线或无线方式实现，显示可以采用图像或图形等形式。
(4)监测中心系统：监测中心系统可以通过计算机软件来实现，负责接收和处理来自地质雷达系统的数据，并生成监测报告和预警信息。
4.系统应用(1)超前预报：地质雷达系统可以在隧道开挖前进行预测，确定隧道前方的岩层结构和特征，并探测出潜在的地质隐患。
这样可以帮助工程师做好施工计划和安全措施，减少事故风险。
(2)质量监测：地质雷达系统可以在隧道开挖过程中进行实时监测，探测出隧道墙壁和顶板的稳定性和质量。
如果发现问题，可以及时采取修复措施，确保隧道的安全性和可持续性。
(3)数据分析与管理：地质雷达系统可以将监测数据存储在数据库中，实现历史数据的长期管理和分析。
通过数据分析，可以提取出地下地质体的规律性和趋势性，为隧道工程的优化设计和施工提供参考。
公路隧道超前地质预报中地质雷达的运用
通过 TSP 了解到该隧道掌子面里程 YK325+907 前方 0~30 m 位置的岩体地质情况进行测线的探查，掌子面位置 自左向右、自右向左共布置二条测线，探测线长 7.4 m，在 进行时采用连续测法。
总结 ：根据本次 TSP 超前预报探测数据的分析情况了 解到，掌子面前方里程段 YK325+907-YK326+007 可能存 在溶洞溶蚀裂隙带。
转换装置 ；同步装置 ；分析软件。在配备好收发的天线或 者资料处理软件、计算机后，做好设备的工作流程和性能 指标工作。
技术指标工作的选择，时间窗宽度为 1 ns~2 000 ns ； 发射机脉冲重复率为 115 kHz ；最大扫描的频率为每秒保 持 56 次 ；每一扫迹样点数量为 512 ；增益的范围为指数时 间变量增益功能和用户选择的线性 ；可调增益控制的范围 为 0~80 dB，动态范围在 128 dB。
3 案例分析
3.1 工程的主要概况
该预报的隧道工程名称是 ：国家高速公路菏泽至宝鸡
隧道超前地质预报中地质雷达的应用
隧道超前地质预报中地质雷达的应用摘要：本文引见了地质雷达的原理及详细的应用办法，并分离工程实例，论述了地质雷达在隧道超前地质预告中的应用方式，标明了地质雷达在隧道超前地质预告中的优越性。
随着经济实力的加强，交通运输事业的重要性日益凸显，故我国加大了对高速公路的建立力度。
隧道作为高速公路施工中的重点环节，对缩短公路里程、节约投资本钱等都起到很重要的作用。
由于在不同的地质状态下岩土的岩性等变化较大，在隧道施工过程中，对掌子面前方的地质条件和可能的地质灾祸展开超前地质预告，将对隧道的正常施工和顺利贯穿发挥无足轻重的作用。
胜利的预测促使施工及时采取应对措施，防备于已然。
为了能更好地指导隧道的开挖工作，采用地质雷达对掌子面前方的地质情况进行预告就显得尤为重要。
一、地质雷达原理地质雷达由一体化主机、天线及相关配件组成。
它是应用高频电磁脉冲波的反射原理来完成探测目的。
地质雷达属电磁波探测技术中的一种。
它经过发射天线向测试面前方发射宽频带短脉冲的高频电磁波信号，当电磁波遇到有电性差别(介电常数、电磁导率等)的界面或其它目的体(如围岩性质、地质构造结构、围岩完好性、公开水和溶洞等状况)时，就会发作反射、绕射等电磁波特有现象。
依据这些特性，我们经过接纳天线拾取响应信号，并记载到计算机上，根据电磁波的波形、相位、振幅、频谱等时域、频域特征，可取得测试面前方不同电性体的散布特征，经过反射波双程游览时间，可计算前方分界面或目的体的深度。
二、地质雷达应用办法(一)雷达主频选择。
由于雷达的天线型号与中心频率的选择是逐个对应的，在进行地质雷达测试时。
地质预告为简化操作，减小施工干扰，普通只需求100MHz的屏蔽天线，但地质雷达100MHz的天线实践测试有效间隔是5～30m，也就是说前5m是个含糊区，这在理想中是不允许的，所以我们能够有两种选择，一种是采用100MHz的天线和400MHz的天线共同来完成测试;另一办法为只用100MHz天线测试，但是前后两次测试需搭接上5m，实践每次测试间隔依据实践状况再定。
地质雷达在隧道超前地质预报中的波形特征探究
经 过 雷达 数 据 预 处理 ， 要 进 行 一 系列 的 数 字 还
４ 雷达 波 形 特 征 分 析
不 同 的隧道 ， 由于其 岩 石差别 ， 雷达 探测 的时 其 间剖 面差 别很 大 。但各 种雷 达 图像 的特征也 有其 规 律 可循 ， 只有 掌握 了各 种异 常形 态 的特征 ， 才能 对各 种不 同岩 性 的隧道 探测 进行 正确 的判 断 。下面 根据
—
圃
３ ～１０ 天线 ， ８ ５Ｍ 其他 参数 的选 择 ， 根据 实际情 况 应 决定 ， 并应根 据地 域不 同进 行 多次 试 验后 确 定 其最 优探 测参数 。
吨
３ 资 料处 理 及 解 释
图 １ 地 质 雷达 工作 原 理 示 意 图
在地 质雷 达 探测 中 ， 了得 到更 多 的反 射 波特 为
根据接收到的回波时间、 幅度和波形等信息， 可判定
地下介 质 的结 构与埋 藏体 的位置 与形态 。其测 试原
理如 图 １ 所示 。
２ ２ 工作参 数选 择 ．
对 于地质 预 报 而言 ， 种介 质 的介 电常数及 传 各
播速 度是不 同 的 ， 而探 测 深 度 与所 使 用 的天 线 中心 频率 有直接 的关 系 ， 天线 频 率 越高 ， 测 深 度越 小 ， 探 精度 越高 ， 之亦 然 。在 隧 道超 前 预 报 中通 常采 用 反
对 能量反射 或散 射 的识 别 。此 外 ， 探测 区域 不应 在 存在 大范 围的金 属构 件 和无 线 电射频 源 ， 以免外 界
的干 扰 。
磁波在 介质 中传播 时 ， 其路 径 、 电磁 场强 度与 波形将 随所通 过介质 的 电性 质及 几 何 形态 的变 化 而变 化 。
地质雷达预报
地质雷达预报1 前言1.1工艺工法概况地质雷达超前地质预报属短期超前地质预报，是对TSP 超前地质（中期）预报的补充验证。
主要目的是在隧道开挖之前，通过地质雷达探测，及时发现掌子面前方的异常情况，预报掌子面前方不良地质体的位置、产状及其围岩结构的完整性与含水的可能性，为正确选择开挖方法、支护设计参数和优化设计方案提供依据。
并为预防隧道涌水、突泥、突气等可能形成的灾害性事故及时提供信息，使工程单位提前做好施工准备，保证施工安全。
1.2地质雷达法基本原理地质雷达探测（简称GPR ）是利用电磁波在隧道开挖工作面前方岩体中的传播及反射，根据传播速度和反射脉冲波走时进行超前地质预报的一种物探方法。
雷达发射天线向地下连续发射脉冲式高频电磁波，当遇到有电性差异的界面或目标体（介电常数和电导率不同）时即发生反射波和透射波。
接收天线接收反射波并经电缆传递给主机，在主机显示屏上形成实时的时间剖面。
根据记录到的反射波的到达时间和求得的电磁波在介质中的传播速度，确定界面或目标体的深度；同时根据反射波的形态、强弱及其变化等因素 来判定目标体的性质。
（如下图）图1 地质雷达探测原理示意图 2 工艺工法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、准确度高、提交结果及时，以及预报成本低，对施工干扰地质雷达工作原理图小等特点。
3 适用范围地质雷达适用于对断层及其影响带、溶洞、崆区、裂隙发育带、软弱夹层，以及地下水、混凝土衬砌、地下管线等的预测预报,适用距离一般为30m以内。
4 主要引用标准4.1《铁路工程物理勘探规程》（TB10013）、《客运专线铁路隧道工程施工技术指南》（TZ214)、《客运专线铁路隧道工程施工质量验收暂行标准》(铁建设[2005]160号)、《铁路隧道施工规范》(TB10204) 、《公路隧道工程施工技术规范》（JTG F60）。
4.2设计图纸、合同文件。
5 施工方法5.1雷达测线布置：全断面法开挖的隧道，雷达测线在掌子面上呈“井”字形布置，测线长度根据天线长度决定，在有限的掌子面上尽可能的长，测线位置距隧道周边的距离1m左右。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
目录1 概况 .................................................................. - 1 -2物探方法基本原理....................................................... - 1 -2.1 基本原理....................................................................................................................... - 1 -2.2 探地雷达在勘查中的基本参数................................................................................... - 2 -2.2.1 电磁脉冲波旅行时.......................................................................................... - 2 -2.2.2 电磁波在介质中的传播速度.......................................................................... - 3 -2.2.3 电磁波的反射系数.......................................................................................... - 3 - 2.3 数据处理方法......................................................... - 3 -2.3.1 距离归一化.............................................................................................................. - 3 -2.3.2确定波速................................................................................................................... - 3 -2.3.3 水平和垂直滤波...................................................................................................... - 4 -3 设计文件描述的预报段地质条件........................................... -4 -4 掌子面地质编录及地质分析............................................... - 4 -5 探底雷达测试与结果分析................................................. -6 -5.1 测线的布置....................................................... - 6 -5.2 数据处理结果..................................................... - 7 -5.3解译分析......................................................... - 8 -6.结论和建议 ............................................................ - 9 -附件一：掌子面地质编录表................................................ - 10 -1 概况###隧道为@@@@高速公路G7标段的在建隧道。
隧道位于@@市@@县@@村@@沟右岸。
隧址区属后龙门山推覆构造带，围岩岩性主要为钙质千枚岩、凝灰千枚岩、石英千枚岩。
因受构造影响，岩体局部（一般为不同岩性接触带）片（劈）理极发育，岩石呈薄片状、碎片状结构，岩质极软，破碎。
该破碎带为地表水入渗、地下水储存、运移的通道。
受四川省广甘高速公路有限责任公司委托，通过公开竞标的方式，@@@@@@@@@@@@@@@承担了@@高速公路YB2合同段（含G7标段@@隧道）的超前地质预报工作。
我单位组织相关人员于2010年1月7日对##高速公路G7标段##隧道进口右线进行了现场探测工作。
探测的掌子面里程桩号为K20+262，预测前方30米的不良地质情况。
本次现场测试方法采用探地雷达电磁波反射法，采用设备为美国GSSI公司生产的SIR-20 GPR 地质雷达，采用天线频率为100MHz。
2物探方法基本原理2.1 基本原理探地雷达是一种用于确定地下介质分布情况的高频电磁技术，基于地下介质的电性差异，探地雷达通过一个天线发射高频电磁波，另一个天线接收地下介质反射的电磁波，并对接收到的信号进行处理、分析、解译。
其详细工作过程是：由置于地面的天线向地下发射一高频电磁脉冲，当其在地下传播过程中遇到不同电性（主要是相对介电常数）界面时，电磁波一部分发生折射透过界面继续传播，另一部分发生反射折向地面，被接收天线接收，并由主机记录，在更深处的界面，电磁波同样发生反射与折射，直到能量被完全吸收为止(见图1、2)。
反射波从被发射天线发射到被接收天线接收的时间称为双程走时t，当求得地下介质的波速时，可根据测到的精确t值折半乘以波速求得目标体的位置或埋深，同时结合各反射波组的波幅与频率特征可以得到探地雷达的波形图像，从而了解场地内目标体的分布情况。
图1 探地雷达电磁波传播示意图a图2 探地雷达电磁波传播示意图b一般，岩体、混凝土等的物质的相对介电常数为4—8，空气相对介电常数为1，而水体的相对介电常数高达81，差异较大，如在探测范围内存在水体、溶洞、断层破碎带，则会在雷达波形图中形成强烈的反射波信号，再经后期处理，能够得到较为清晰的波形异常图。
在众多地质超前预报手段中，使用探地雷达预报属于短期预报手段，预报距离与围岩电性参数、测试环境干扰强弱有关。
一般，探地雷达预报距离在15~35米。
2.2 探地雷达在勘查中的基本参数2.2.1 电磁脉冲波旅行时 v z v x z t 2422≈+=式中：z-勘查目标体的埋深； x-发射、接收天线的距离（式中因z>x,故X 可忽略）；v-电磁波在介质中的传播速度。
2.2.2 电磁波在介质中的传播速度 r r r c c v εμε≈=式中：c —电磁波在真空中的传播速度（0.29979m/ns ）;r ε—介质的相对介电常数，r μ—介质的相对磁导率（一般r μ1≈）2.2.3 电磁波的反射系数电磁波在介质传播过程中，当遇到相对介电常数明显变化的地质现象时，电磁波将产生反射及透射现象，其反射和透射能量的分配主要与异常变化界面的电磁波反射系数有关：γ=(ε11/2-ε21/2)/(ε11/2+ε21/2)式中：r — 界面电磁波电场反射系数；1ε—第一层介质的相对介电常数；2ε—第二层介质的相对介电常数。
2.3 数据处理方法本次数据处理工作主要使用RADAN65软件进行，所作的处理工作如下：2.3.1 距离归一化在用探地雷达进行连续探测时，由于不可避免的因素，天线移动的速度很难做到匀速，导致每米扫描线数不同，需要使用标记功能测算出天线移动的距离，通常是每2米1个标记，在后期处理中根据选择每米扫描数，增补或删除一些扫描线，使得测线内的扫描线均匀。
2.3.2确定波速由于探地雷达记录的是反射波的双程走时t ，需要用波速计算出目标体的位置，这关系到深度解释的问题，是一项非常重要的工作，波速计算可通过以下公式进行：sc v =其中：v 是电磁波波速；c是真空中电磁波波速；s是相对介电常数；2.3.3 水平和垂直滤波雷达资料中水平波特别发育，它产生于雷达仪器本身。
即使将天线对空，也会记录到回波，这回波不是来自天空，而是来自于控制器、数据线、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。
垂直滤波中较为常用的方法有带通滤波，高通滤波，低通滤波，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。
3 设计文件描述的预报段地质条件设计文件描述的预报段（K20+262—K20+292）地质特征为：表层为块石，松散结构，白云岩为厚层状，质硬，节理较发育；钙质千枚岩节理、裂隙发育，片理间结合较差，岩质软，顺层，且顺层以上白云岩厚度薄，与钙质千枚岩接触带具软弱夹层，开挖后白云岩易顺层滑塌。
设计为Ⅴ级围岩。
4 掌子面地质编录及地质分析为做好本次隧道超前地质预报工作，我们对K20+262掌子面进行了相应的地质编录和素描（详见附件一：掌子面地质编录表）。
通过现场调查，掌子面岩性为白云岩与千枚岩互层交杂，右部和上部以千枚岩为主，左下部发育为千枚岩。
千枚岩产状为： S74°E /NE∠47°。
围岩主要发两组组节理，第一组节理产状为S25°W/SE∠65°，间距0.35-0.5m，可见长度1.5-3.0 m。
第二组节理产状为S44°W/SE∠63°，间距0.2-0.3m，可见长度1.0-2.0 m。
岩体呈裂隙块体结构，嵌合程度紧密，岩层风化程度为微弱风化-弱风化。
榔头敲击声清脆到清脆。
掌子面湿润，局部有渗滴水现象。
现场初步判断掌子面围岩级别为Ⅴ级（设计围岩也为Ⅴ级）。
通过观察分析，围岩变形和破坏特征为：该洞段为白云岩与千枚岩过渡地段的尾端，为白云岩与千枚岩的参杂，局部有软泥加层出现，整体稳定较差，开挖是容易产生掉块和小规模的塌方。