地质雷达图像解释(含超前地质预报及检测)
地质雷达法在隧道超前地质预报中的应用
d o i :10.3963/j .i s s n .1674-6066.2022.04.025地质雷达法在隧道超前地质预报中的应用董伟伟,麦燕午(葛洲坝集团试验检测有限公司,宜昌443002)摘 要: 超前地质预报技术为隧道的安全施工提供强有力的保障㊂该研究以新建当阳至远安支线铁路槐树店隧道为研究对象,考虑到宜昌山区喀斯特地貌丰富,隧道建设大概率会遇到溶洞等地质问题,采用地质雷达法对槐树店隧道进行超前地质预报㊂结果表明,地质雷达法在预报溶洞灾害等方面具有优势,成功预判在槐树店隧道掌子面前方D K 54+745~D K 54+753区段存在溶洞㊂关键词: 地质雷达法; 隧道; 超前地质预报A p p l i c a t i o no fG e o l o g i c a lR a d a rM e t h o d i nA d v a n c eG e o l o g i c a l P r e d i c t i o no fT u n n e l C o n s t r u c t i o nD O N G W e i -w e i ,MA IY a n -w u(C h i n aG e z h o u b aG r o u p T e s t i n g C o ,L t d ,Y i c h a n g 443002,C h i n a )A b s t r a c t : T h e a d v a n c e d g e o l o g i c a l p r e d i c t i o n t e c h n o l o g yp r o v i d e s a s t r o n gg u a r a n t e e f o r t h e s a f e c o n s t r u c t i o n o f t h e t u n n e l .T h i s s t u d y t o o k t h en e w l y b e i n g b u i l tH u a i s h u d i a nT u n n e l o f t h eD a n g y a n g -Y u a n ᶄa nB r a n c hR a i l w a y a s t h e r e -s e a r c ho b j e c t ,c o n s i d e r i n g t h a t t h ek a r s t l a n d f o r m s i nY i c h a n g M o u n t a i n s a r e r i c h ,a n d t h e t u n n e l c o n s t r u c t i o n i s l i k e l y t o e n c o u n t e r g e o l o g i c a l p r o b l e m s s u c ha sk a r s t c a v e s ,t h e g e o l o g i c a l r a d a rm e t h o dw a su s e dt oc a r r y o u t t h ea d v a n c e d g e o l o g i c a l p r e d i c t i o no f t h e H u a i s h u d i a nT u n n e l .R e s u l t ss h o w e dt h a t t h e g e o l o g i c a l r a d a rm e t h o dh a sa d v a n t a g e s i n p r e d i c t i n g k a r s t c a v e d i s a s t e r ,a n d s u c c e s s f u l l yp r e d i c t e d t h e e x i s t o f k a r s t c a v e i n t h e s e c t i o no fD K 54+745~D K 54+753i n f r o n t o f t h e f a c e o f t h eH u a i s h u d i a nT u n n e l .K e y wo r d s : g e o l o g i c a l r a d a rm e t h o d ; k a r s t t u n n e l ; a d v a n c e d g e o l o g i c a l p r e d i c t i o n 收稿日期:2022-05-11.基金项目:中国能源建设股份有限公司重大科技项目(C E E C 2021-Z D Y F -16).作者简介:董伟伟(1991-),工程师.E -m a i l :1579285000@q q .c o m 公路和铁路为人民日常出行提供了很大的便利,尤其对于山区而言,公路和铁路是将其与外界连接的重要通道㊂在山区修建公路和铁路比在平原地区难度更大,因其面对的地形㊁地质条件等更加复杂[1]㊂例如,为了使线路尽可能平顺,保障行车速度,往往需要架桥或者修建隧道,因而山区公路和铁路的桥隧比一般都很高[2]㊂面对复杂的环境,快速识别相关风险因素是保证桥梁及隧道建设及服役安全的重要前提㊂如隧道建设常出现的溶洞㊁涌水突泥等灾害与围岩等级㊁岩体发育特征等息息相关[3]㊂如何快速㊁准确地识别或者预报灾害源是保证隧道建设及运营安全的关键㊂为保障隧道建设的安全,隧道施工时工程人员迫切想掌握掌子面前方的地质情况,隧道超前地质预报技术应运而生㊂常见的超前地质预报方法主要有:以T S P 等设备为代表的地震波法[4]㊁以地质雷达为代表的电磁波法[5]㊁以激发极化为代表的电法等[6]㊂这些方法适用场景各不相同,为获取地层岩性㊁结构面产状㊁富水岩层㊁断层㊁溶洞等地质信息提供了便利,也为隧道的安全施工提供了重要保障㊂研究依托位于湖北宜昌山区的槐树店隧道实体工程开展超前地质预报工作㊂地下与地表水对可溶性岩石不断溶蚀㊁沉淀形成的喀斯特地貌广泛分布于湖北宜昌山区㊂因此,针对宜昌山区新建隧道开展超前地质预报时,非常重要的一项任务就是及时探明掌子面前方是否有溶洞的存在㊂大量研究表明地质雷达法对隧道岩溶地层的溶洞与岩溶水㊁破碎带等有较好的识别能力㊂因此,采用地质雷达法对位于湖北宜昌山区的槐69建材世界 2022年 第43卷 第4期树店隧道开展超前地质预报工作㊂1 工程介绍新建当阳至远安支线铁路槐树店隧道段位于湖北省宜昌市远安县洋坪镇,起止里程为D K 54+540~D K 57+440,隧道全长2900m ,最大埋深312m ,其中Ⅲ级围岩1090m ,I V 级围岩1540m ,V 级围岩270m ;隧道进口采用端墙式洞门,出口采用环框式洞门;进口内轨设计标高271.748m ,出口内轨设计标高299.360m ㊂全隧道共设置洞室96处,其中小避车洞室77处,大避车洞室11处,弱电设备洞室2处㊂2预报原理 地质雷达法(G P R )超前地质预报主要是基于掌子面前方不同介质的电性(介电性和导电性)差异实现的,其包括两个主要的阶段:向岩体发射高频电磁波,再接收和解析介质反射的电磁波,如图1所示㊂具体的实现过程为:由发射天线将高频电磁脉冲波送入掌子面前方岩体,当高频电磁脉冲波在传播过程中遇到不同目标体(断层㊁空洞等)的电性介面时,部分反射回来的电磁波被接收器所接收㊁记录,并获取电磁波从发射到反射回来被接收所用的时间,当电磁波在介质中的传播速度已知时,即可确定目标体的位置㊂因此,地质雷达技术是由已知条件推断未知情况的一种方法㊂电磁波在介质中的传播速度主要由介质的相对介电常数决定,电磁波在传播过程中,当遇到不同的波阻抗界面时,将产生反射波和折射波,反射波能量大小取决于反射系数R ,计算式如式(1)所示,ε1㊁ε2分别为反射界面前后介质的介电常数㊂反射系数的大小取决于介质的介电常数差异,差异越大,反射系数越大,则越容易被地质雷达探测到㊂岩体的介电常数一般为4~8,水的介电常数为81,空气的介电常数为1㊂R =ε1-ε2ε1+ε2(1)3 数据采集及处理过程预报里程范围为D K 54+732~D K 54+762,长度30m ,采用的主要设备为MA L A P r o E x 型地质雷达㊂数据采集工作包括4个步骤:掌子面测线布置㊁仪器调试㊁雷达参数设置㊁激发并接收数据,具体实施过程为:选取距离隧道底部5m 左右的水平线作为掌子面测线;将天线与雷达主机连接,启动设备,检查设备状况;在开始采集前,为了提高精度,要进行雷达参数的设置,根据实际情况选择采样频率等参数;数据采集采用人工点测的方式,沿事先布置好的测线移动雷达设备,逐点激发并收集㊂地质雷达采集数据的处理步骤则主要包括去失真处理㊁水平信号去除㊁静校正㊁增益㊁带通滤波㊁二维滤波等㊂4 结果分析通常采用波形图表示雷达图像,如图2左侧㊂但当采用探地雷达进行连续测量时,由于采集的电磁脉冲数非常多,继续采用波形图则难以清晰表述雷达图像特征,此时可将波形图转换为灰度图,如图2右侧㊂波形图转换为灰度图的具体原理为:将没有反射信号的区域描绘为灰色,表示这些区域的反射信号振幅弱,没有有效反射㊂将反射界面的波谷相位描绘为黑色,波峰相位描绘为白色,即用黑色和白色表述出了信号的相位;黑色和白色的强度表述出了信号的振幅,即越黑或越白就表示振幅越强,该处的反射信号越强㊂桩号D K 54+732~D K 54+762的区段范围对应的地质雷达剖面波形图和灰度图分别如图3和图4所示㊂具体来看,在掌子面前方0~200n s 的区段内(电磁波波速0.1m /n s ,视深度0~10m ),对应桩号D K 54+732~D K 54+742的范围,电磁反射波振幅较小,频率以中高频为主,结合79建材世界 2022年 第43卷 第4期地勘资料推测该区段围岩与掌子面相近㊂在掌子面前方200~420n s 的区段内(电磁波波速0.1m /n s ,视深度10~21m ),对应桩号D K 54+742~D K 54+753的范围,掌子面前方有多组明显的电磁反射波,同相轴局部连续,振幅较强,频率中等偏低㊂结合地勘资料,初步判断此区段围岩较掌子面变差,节理裂隙发育,岩体破碎㊂且在D K 54+745~D K 54+753区段,有溶洞发育,溶洞边界非常清晰;溶洞首先在掌子面右侧揭露,且该溶洞可能有水填充,开挖至该桩号附近时应注意防范突水突泥等地质灾害㊂在掌子面前方420~600n s 的区段内(电磁波波速0.1m /n s ,视深度21~30m ),对应桩号D K 54+753~D K 54+762的范围,电磁反射波振幅较小,频率以中高频为主,推测该段围岩较前段围岩完整性稍好㊂结合槐树店隧道具体开挖情况来看,基于地质雷达的超前地质预报结果与实际情况一致㊂进口掌子面开挖至D K 54+745时,掌子面右侧揭露一溶洞,溶洞中有股状水流,溶洞揭露部分宽度约3.5m ㊂5 结 论考虑到宜昌山区多为岩溶地质构造,采用对岩溶地层溶洞与岩溶水具有较好识别能力的地质雷达方法,对新建当阳至远安支线铁路槐树店隧道D K 54+732~D K 54+762里程段进行了超前地质预报㊂结果表明,地质雷达法在预报溶洞灾害等方面具有优势,成功预判槐树店隧道掌子面前方D K 54+745~D K 54+753区段存在溶洞㊂参考文献[1] 黄 陈,陈 谊.山区公路路线设计的特点与策略探讨[A ].2020万知科学发展论坛论文集(智慧工程二)[C ].西安:中国智慧工程研究会智能学习与创新研究工作委员会,2020:715-723.[2] 叶林海,陈修和,李 诚.安徽省高速公路隧道照明节能的实践与思考[J ].中国交通信息化,2011(4):105-107.[3] 许崇帮,王华牢.杜公岭隧道工程地质特征及工程危害性分析[J ].公路交通科技,2019,36(8):93-99.[4] 洪卫良.基于T S P 地震波法的长大隧道不良地质探测[J ].土工基础,2012,26(1):60-62.[5] 吴 俊,毛海和,应 松,等.地质雷达在公路隧道短期地质超前预报中的应用[J ].岩土力学,2003(S 1):154-157.[6] 聂利超,李术才,刘 斌,等.隧道激发极化法超前探测快速反演研究[J ].岩土工程学报,2012,34(2):222-229.89建材世界 2022年 第43卷 第4期。
地质雷达在隧道超前预报中遇到破碎带时的特征图像分析
地质雷达在隧道超前预报中遇到破碎带时的特征图像分析摘要：地质雷达法是一种用于探测地下介质分布的广谱电磁技术。
地质雷达法操作简单、占用施工时间短、能灵活适用掌子面空间、成本较低，在工程上的应用很多。
对于破碎岩体、溶洞的探测，地质雷达效果较好。
这里介绍地质雷达图形中破碎带破碎岩体的识别与分析。
关键词：地质雷达，超前预报，破碎带1 引言地质雷达（GroundPenetratingRadar ，简称GPR）方法是一种用于探测地下介质分布的广谱（1MHz—1GHz）电磁技术。
地质雷达的原理是电磁波反射法，用一个天线发射高频电磁波，另一个天线接收来自地下介质界面的反射波，通过对接收的反射波进行分析就可推断地下地质情况。
围岩稳定性是隧道及地下工程设计和施工关注的主要问题之一，围岩变形失稳塌方是隧道施工中危害极高的地质灾害，引起围岩变形失稳塌方的主要不良地质有：节理密集发育岩体、全强风化岩脉、矿巷放顶填充物、岩溶充填物（黏土、黏土质砂、黏土夹块石等）、断层及其碎裂带、极易风化软化的某些火成岩脉、顺层错动破碎带。
隧道是建筑在地下的隐蔽工程，地下地质条件复杂，潜在、无法预知的地质因素较多，隧道在穿越诸如地层破碎带、断层、岩溶以及富水岩层等不利地质条件时，若采取措施不当，会对隧道结构和安全施工带来极大威胁，甚至威胁到现场施工人员的生命。
因此，在隧道施工的掘进过程中，进行隧道地质超前预报，提供隧道掘进前方的地质情况，进而做出对围岩类别的判断和坑道稳定性的分析是十分必要的。
2 地质雷达原理简介地质雷达（GPR）是一种新兴的探测技术，它通过发射雷达信号，利用地下目标与周围土壤对雷达信号反射、散射的差异来发现地下埋设的目标，通过向地下发射高频电磁波来探测地下目标的工具，它具有测量速度快、分辨率高、无损探测等优点，在公路、铁路、桥梁、隧道中得到了广泛的应用。
地质雷达通过发射和接收高频率、短脉冲电磁波，并根据接收到的电磁波的振幅、波形和频率等特征来分析和推断地下介质结构、地层岩性特征的浅层地球物理探测技术。
超前地质预报方法介绍
为保证隧道的顺利施工，避免地下水发育地段突水、突泥的发生, 防止地表水、地下水流失，确保隧道施工安全，需要采取有效措施对隧道掌子面地质情况进行较为准确的预测预报，根据隧道的具体情况，判定超前地质预报内容并纳入工序管理之中。
经过超前地质预报，在开挖后对地质条件再次认知，通过对比反馈信息和分析，逐步提高对围岩的预报判释的准确性。
超前地质预报的工作程序参见图2图2超前地质预报工作内容程序图地质素描地质素描预测法分为岩层岩性及层位预测法、条带状不良地质体影响隧道长度预测法以及不规则地质体影响隧道长度预测法三种。
对掌子面已揭露出的岩层进行地质素描（观察岩石的矿物成分及其含量，结构构造特征和特殊标志），给予准确定名，测量岩层产状和厚度。
测量该岩层距离已揭露的标志性岩层或界面的距离，并计算其垂直层面的厚度。
将该岩层与地表实测地层剖面图和地层柱状图相比，确定其在地表地层（岩层）层序中的位置和层位。
依据实测地层剖面图和地层柱状图的岩层层序，结合TSP探测成果，反复比较分析，最终推断出掌子面前方一定范围内即将出现的不良地质在隧道中的位置和规模。
施工过程中，每次爆破后由地质工程师进行地质素描，内容包括掌子面正面及侧面稳定状态、岩层产状、岩性风化程度、节理裂隙发育程度（产状、间距、长度、充填物、数量）、喷射混凝土开裂、掉块现象、涌水情况、水质情况、水的影响、不良气体浓度等。
同时定期对地表水文环境进行观测和监测记录，及时了解隧道施工对地表水的影响，确定施工控制措施，最终做出掌子面地质素描图和洞身地质展示图。
及时对洞内涌水进行水质分析和试验，提交分析和试验结果，对影响隧道衬砌结构的水质提出处理意见，上报技术部门，以利采取有效的防护措施。
超前探测主要针对地下水发育地段的断层破碎带及其影响带、岩层接触带、构造及发育带超前物探长距离超前物探：首选方法为TSP203地质探测仪（探测距离约200n）,对比方法为水平钻孔超前探测。
TSP203超前地质预报系统是利用地震波在不均匀地质中产生的反射波特性来预报隧道掘进面前方及周围临近区域的地质状况。
地质雷达预报
说明：同步远程数据是将药品和项目等信息从服务器中下载至收费电脑，以便在收费录入明细信息时，不用从服务器获取数据（从数据库获取数据需要时间），提高响应速度。
所以同步远程数据操作对服务器数据库的数据是没有影响的，只要觉得数据有问题都可以随时进行同步操作。
第一步：删除缓存目录，即把从服务器下载的数据删除。
首先，打开计算机（或者我的电脑），进入到C盘，如图：
Win7的
XP的
点击图中红色部分，输入172.16.100.13，即搜索文件夹名字为172.16.100.13，找到文件夹之后，双击进去，将会看到下图中的文件夹，把这个文件夹整个删除掉。
如果提示不能删除，则退出登录系统或者关闭浏览器。
第二步：同步远程资源，即将数据重新从服务器上下载下来。
首先登录系统，进入系统管理->同步远程资源，如图所示：
然后，点击清空本地数据、清空本地资源。
再点击，同步远程资源，
如图：
同步远程资源结束之后，选中下面几张表，然后点击同步远程数据（只点同步远程数据），直到同步成功，如图：
功，如图所示：
同步成功之后，说明所有的表都同步完了，可以收费了。
答：频繁弹出框，数据出错的时候，需要再次同步数据。
如图：。
地质雷达技术讲解
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数据采集记录表
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数据采集记录表
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仪器操作
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仪器操作
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仪器操作
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仪器操作
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仪器操作
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数据处理 雷达波在地下的传播过程中各种噪声和杂波的干扰非常严 重，正确识别各种杂波与噪声、提取其有用信息是探地雷 达记录解释的重要的环节，其关键技术是对地质雷达记录 进行各种数据处理。电磁波的传播形式与地震波十分相似，
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静校正/移动开始时间 二维滤波/抽取平均道 偏移/时深转换 图像显示和解释
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报告编写 1. 委托方名称，工程名称、地点，建设单位、勘察单位、 设计单位、监理单位和施工单位，设计要求，检测目的， 检测依据，检测日期； 2.检测原理及方法； 3.检测里程汇总；
4.问题缺陷汇总表；
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地质雷达应用领域
市政设施及管线探测
地质与环境探测
铁路工程探测
公路探测
考古探测
建筑结构、桥梁、隧道检测 军事安全探测
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隧道检测
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隧道检测 隧道探测要解决的主要问题
隧道衬砌厚度检查
隧道内部结构物检查—钢筋、钢拱架等 隧道衬砌混凝土质量检查 隧道衬砌混凝土密实度检查 隧道衬砌防水板检查
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检测图像解释 混凝土不密实（衬砌界面的强反射信号同相轴呈绕射弧 形，且不连续较分散）
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检测图像解释 衬砌厚度变化
岩溶隧道地质雷达超前预报及典型图像分析
岩溶隧道地质雷达超前预报及典型图像分析高树全;牟元存【摘要】地质雷达因其探测快速等优点,在隧道超前地质预报中得到广泛应用.地质雷达能够对岩溶隧道施工过程中常见的溶蚀裂隙带、溶洞和富水岩溶管道等进行有效预报.本文简要阐述了地质雷达在超前地质预报过程中的注意事项,并结合几个典型实例,分析地质雷达图像中波形、振幅和频率等特征,探索了雷达图像与隧道岩溶地质现象的相关关系.研究结果表明,溶蚀裂隙带、溶洞和富水岩溶管道的雷达图像,在波形均一性、振幅和频率变化及信号能量衰减等方面表现出不同的特征,这为进一步地质解释提供了较可靠的参考依据.【期刊名称】《铁道建筑技术》【年(卷),期】2015(000)010【总页数】4页(P12-15)【关键词】岩溶隧道;地质雷达;图像分析;超前地质预报【作者】高树全;牟元存【作者单位】中铁二院工程集团有限责任公司四川成都610031;中铁二院工程集团有限责任公司四川成都610031【正文语种】中文【中图分类】U456.3作为短距离超前预报物探方法之一,地质雷达在隧道超前地质预报中发挥了重要作用［1］。
它不仅能验证(或缩小)中长距离预报中可能存在的异常,也能为下一步的超前钻探验证提供较可靠的孔数、孔位参考。
地质雷达独特的探测原理(电性差异)和灵活的操作方式,使其在岩溶隧道超前预报中发挥着不可替代的作用。
超前地质预报中,地质雷达测线布置、时窗设置和数据后处理等至关重要,它是雷达图像有效解译的基础。
当已探测出掌子面前方存在岩溶不良地质体时,若不能对其性质有较可靠的认识,盲目揭示后易出现坍塌、涌泥及涌水等地质灾害,使得隧道开挖极具风险。
本文根据业内人士的一些认识［2-10］,结合大量的实测数据和工作实践经验,通过几个典型地质雷达剖面,分析雷达图像中波形、振幅和频率等特征,探讨地质雷达图像特征和岩溶地质现象的相关关系,为降低施工风险、赢得隧道掘进时间创造了良好条件。
2.1 物探前提及适用条件2.1.1 物探前提由于岩溶隧道中出现的不良地质体(如:溶蚀裂隙带、溶洞和富水岩溶管道等)和周围介质存在明显的介电常数差异,进而在雷达剖面上形成明显的雷达异常反射信号。
地质雷达检测实例
管线探测一、金属管线探测实例使用400MHz 天线在杭州凯旋路的马路边缘处探测金属自来水管，探测方向垂直于马路。
图1－1为实测得到的雷达图，图中红色方框表示自来水管的位置，管线顶部的埋深为1.1米。
经过实际开挖验证，该结果和实际情况吻合。
图1－1 金属自来水管探测雷达图二、PVC管线探测实例使用200MHz天线在深圳福滨小区测量PVC自来水管道。
图2－1为实测得到的雷达图，图中红色框表示PVC自来水管的位置，管线顶部的埋深约为0.75米。
图2－1 PVC自来水管探测雷达图使用MF天线阵雷达系统在北京百万庄大街探测一处PVC材料煤气管线，图2－2为实测得到的雷达图，其中，左部的红色圆圈标记出的是一污水管，中部的红色圆圈标记出的是一自来水管，右部的红色圆圈为PVC材料的煤气管，抛物线波形的两叶较短，但由于PVC管内是气体，因此反射较强烈，抛物线波形的黑白相间比较明显。
图2－2 PVC煤气管探测雷达图三、水泥管线探测实例使用80MHz天线在首钢检测水泥管。
图3－1为实测得到的雷达图，图中红色方框表示水泥管的位置，水泥管管顶深度为3.4米，外径600mm，位置如雷达图所示。
图3－1 水泥管探测雷达图四、电缆探测实例使用200MHz天线在深圳福滨小区探测电缆。
图4－1为实测得到的雷达图，图中电缆及金属管的反映均很明显。
图4－1 电缆探测雷达图五、铸铁管线探测实例使用200MHz 天线在北京污水处理厂门外的人行道上进行探测，目的是找出一根铸铁自来水管。
图5－1为实测得到的雷达图，图中红色方框表示铸铁管的位置，铸铁管的反映非常明显，深度在1.5米。
图5－1 铸铁管探测雷达图六、深部管线探测实例使用40MHz半屏蔽天线在北京花园桥东侧马路边探测热力涵洞。
图6－1为实测得到的雷达图，红色方框表示热力涵洞的位置，从图中可以清晰的看到热力涵洞在120纳秒处的反映。
图6－1 热力涵洞探测雷达图七、地下复杂管线探测实例探测情况：以下是使用MF天线阵雷达系统在北京市委党校院内进行管线探测的例子，该区域内管线纵横交错，且管线之间相距很近，探测难度很大。
地质雷达在隧道超前预报中的应用
地质雷达在隧道超前预报中的应用曾爱霞杨峻摘要：隧道开挖掘进过程中常遇到不良地质体，需要提前进行预报。
以王子石隧道为例，研究断层破碎带、富水带、裂隙密集带等不良地质体在地质雷达图像中的显现特征，论证了地质雷达探测结果的可靠性。
关键词：地质雷达；不良地质体；超前预报1 前言在隧道施工中，由于前方地质情况不明，常遇到不良的地质因素，如断层、破碎带、溶洞、暗河等。
一般地面测绘所遇到的这类地质现象仅为地下开挖时所遇到的1%～9%，因而隧道施工的危险性很大[1]。
若能准确地在隧道掘进中提前了解掌子面前方岩性结构的变化情况，可及时合理地安排掘进进度，修正施工方案，安排防护措施，避免险情发生。
地质雷达技术被应用于隧道工程的地质超前预报中，它具有速度快、成本低及分辨率高等特点，因此具有广泛的应用前景。
2 隧道超前地质预报的雷达探测理论地质雷达是一种无损探测仪器。
地质雷达方法是一种用于确定地下介质分布的广谱(1MHz-1GHz)电磁技术。
它依据电磁波脉冲在地下传播的原理进行工作，电磁波脉冲由发射天线T发出，被地下介质介面（或埋藏物）反射，由接收天线R接收，见图2-1，然后将这王子石隧道隶属于沪蓉国道主干线湖北宜昌-恩施公路第一合同段，它位于宜昌市长阳县龙舟坪镇王子石村，呈近东西向展布，隧道地处构造溶蚀、侵蚀低山地貌区，山体总体呈北西向条形展布，沿隧道轴线总体呈东西高、中间低的特征，地面高程在230m~342m之间，最大相对切割深度212m。
隧道进口地形上表现为较陡斜坡，地形坡度在20°~40°左右；出口处地形陡峻，为近于直立的陡崖，垂直切割高度最大在70m以上；山坡植被较发育，进出口洞的冲沟边缘均分布有零星居民点。
隧道区地质构造较复杂，有断裂构造带通过且有岩溶发育；隧道区岩层产状总体上在195°~203°∠70°~84°之间，仅在隧道右线进洞口段岩层产状不同，其产状为5°∠42°。
地质雷达介绍PPT
对于铜、铁等良导电媒介质，其电导率σ 很大，衰减常 数β 也很大，因此，电磁波在良导电媒质中传播时，场 矢量的衰减很快，电磁波只能透入良导体表面的薄层内 （电磁波只能在导体以外的空间或电介质中传播），这 种现象称为趋肤效应。电磁波透入导体内的深度称为穿 透深度，或趋肤深度：
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雷达探测技术用于地下，是在高频微电子技术的以及计算 机数据处理方法迅速发展的近代，才得以极大提高，应用 领域也迅速开拓。与探空或通迅雷达技术类似，探地雷达 也是利用高频电磁脉冲波的反射探测目的体及地质现象的， 它是从地面向地下发射电磁波来实现探测目的，故亦称之 为探地雷达或地质雷达（Grannd Penetrating Radar, GPR）。
花岗岩 基性岩 辉长岩 石英 土壤粗砂（干） 卵石（湿） 砂（干） 砂（湿） 粉砂（干） 粉砂（湿） 粘土（湿） 耕作土（干） 耕作土（湿） 泥炭 淡水
电阻率（ Ω · M）
7000-15000 7000-15000 10000-14000 5000-10000 20000-80000 1000-5000 5000-20000 200-1000 400-2000 30-200 15-30 1000-15000 200-1000 100-300 10000
工程物探专题----地质雷达
电磁波法探测技术—地质雷达
地质雷达法、探地雷达法 GPR（Ground-Penetrating-Radar）， Geo-radar, Geo Probing radar 是研究超高频短脉冲电磁波在地下介质中传播规 律的一门学科。正弦电磁波的传播特征是探地雷 达的理论基础。 是一种对下的或结构物内部不可见的目标体或分 界面进行定位或判别的电磁波探测技术
隧道超前地质预报(地质雷达)
隧道超前地质预报（地质雷达）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。
超前地质预报解读
• 1）、地面地质调查和地质体投射法 • 2）、断层参数预测法 • 3）、开挖掌子面地质描绘、预测法 • 4）、隧道地震波成像TSP、TGP（长距离探测） • 5）、地质探地雷达法（短距离探测）（GPR） • 6）、水平探孔和钻爆施工孔 • 7）、隧道地震波成像TST • 8）、水平声波剖面法HSP等 • 3、超前地质预报方法、原理 • 超前地质预报方法是以探测设备、现场数据采集方
• 3、超前地质预报应用技术和要求 • 1、隧道超前地质预报技术是一项集地质、物探、隧
道设计、施工专业于一身的综合专业技术，担任这 项工作的技术人员必须从事地质、物探、隧道设计、 施工5年以上工作经历的人； • 2、超前地质预报单位接收洞内施工地质探测任务后 要认真了解施工图前的勘察资料和必要的地面勘察 工作； • 3、认真描述掌子面地质状况：岩性、硬度、裂隙发 育程度及部位、含水量、有无夹层、岩体破碎程度、 裂隙产状、岩体结构、当前掌子面围岩级别。 • 4、采用探地雷达探测时，探测点间距要控制在1020厘米左右；资料处理要确保采集数据的真实性和 可靠性；通过探测到的波型和频率变化并结合掌子 面地质素描图，判断探测段内的岩体裂隙的发育程 度，结构特征及对施工开挖有影响的部位，注明探 测段内的围岩变化部位及围岩级别；
• 5、下次探测于上次探测要保证5米的重复段；
• 6、提交探测报告的时间不得超过24小时；
• 7、探测人员要及时到现场了解核对探测结果，及时调整围 岩判释结果，正确指导施工。
• 8、复杂地段的地质超前预报工作：
• 复杂地段的地质超前预报工作应以探地雷达和水平探孔探 测方法进行，实施时，探地雷达在掌子面要认真提取两个 断面的以上地质信息，水平探孔要有两个以上的钻孔资料， 探测人员依据来自这两个方面的资料就可以较详细地掌握 施工前方地质，从而可提出恰如其分的施工建议。
关于超前地质预报和监控量测
超前地质预报和监控量测一、超前地质探测与预报方法根据本标段隧道工程地质条件，参考设计文件，主要采用TSP203、地质雷达、超前水平钻、超长炮眼、地质素描等地质预报。
1.地质条件复杂地段⑴地质素描：每循环一次，2m一循环（每开挖循环）。
⑵超前水平钻5孔，距离30～60m，30m一循环，搭接长度5m。
⑶超长炮眼17孔，距离5m，2m一循环。
⑷地质雷达（25m一循环，搭接5m）。
⑸TSP203，长度100m，搭接长度10m。
⑹根据超前地质预报的地层岩性、物探异常、岩溶、水量与水压等地质条件变化，及时调整地质复杂程度分级和预报方案；并按照建设单位管理方法办理相关手续。
2.地质条件较复杂地段⑴地质素描：每循环一次，2m一循环（每开挖循环）。
⑵超前水平钻3孔，距离30～60m，30m一循环，搭接长度5m。
⑶超长炮眼12孔，距离5m，2m一循环。
⑷地质雷达（25m一循环，搭接5m）。
⑸TSP203，长度100m，搭接长度10m。
3.地质条件中等复杂地段⑴地质素描：地质条件相同地段，每30m进行一次地质素描；地质条件变化地段（如：地层岩性变化、结构面产状变化、断层等）每循环进行一次地质素描。
⑵超前水平钻1孔，距离30～60m，30m一循环，搭接长度5m。
⑶超长炮眼8孔，距离5m，2m一循环。
4.地质条件简单地段⑴地质素描：地质条件相同地段，每50m进行一次地质素描；地质条件变化地段（如：地层岩性变化、结构面产状变化、断层等）每循环进行一次地质素描。
⑵超长炮眼3～5孔，距离5m，2m一循环。
5.超前水平钻布设根据设计工程地质情况及预报要求，项目部拟采用孔径75mm超前水平钻机。
具体布置见图1.图1 超前水平探孔布置图6.超长炮眼布设超长炮孔探测主要是为了弥补超前钻孔的不足而采取的超前预报措施，就是将正常的施工炮孔延长到5m左右，确保一个施工循环后，掌子面前方和周边还有3m左右的稳定岩盘。
由于可以在炮眼施工的同时施做，占用掌子面的时间少，一种境界有效的短距离探测方法。
地质雷达PPT课件
地质雷达PPT课件contents •地质雷达基本原理•地质雷达探测方法•数据采集与处理•地质雷达在工程中的应用•地质雷达案例分析•地质雷达发展趋势与展望目录01地质雷达基本原理电磁波传播特性电磁波在介质中传播速度电磁波在不同介质中传播速度不同，其速度取决于介质的电磁特性。
电磁波衰减随着传播距离的增加，电磁波能量逐渐衰减，衰减程度与介质特性和频率有关。
电磁波的反射和折射当电磁波遇到不同介质的分界面时，会发生反射和折射现象，遵循斯涅尔定律。
地质雷达工作原理发射电磁波01接收反射波02信号处理与成像03发射系统接收系统控制系统数据处理与成像系统系统组成及功能02地质雷达探测方法测线布置天线频率选择数据采集与处理030201井中雷达系统采用专门设计的井中雷达系统，包括井下雷达主机、天线、电缆等。
测点布置与数据采集在井壁不同深度处布置测点，进行雷达数据采集。
数据处理与成像对采集的数据进行处理，提取井壁及周围地层的反射信号，并进行成像。
隧道超前预报法隧道掌子面前方预报数据处理与解译预报结果输出03数据采集与处理数据采集参数设置采样率设置天线频率选择确保采样率足够高，以捕获雷达波形的细节信息，通常建议采样率至少为天线频率的时窗设置消除直流偏移和低频背景噪声，提高数据质量。
背景去除应用带通滤波器，去除高频噪声和低频干扰，增强目标反射信号。
带通滤波根据信号强度动态调整增益，以平衡不同深度和不同反射体的信号幅度。
增益控制数据预处理与滤波1 2 3雷达图像生成地层解释异常识别图像生成与解释04地质雷达在工程中的应用地质构造解析岩土层划分不良地质现象识别混凝土质量检测钢筋分布与保护层厚度检测路基路面质量检测边坡稳定性监测隧道安全监测地下管线安全监测利用地质雷达对边坡内部的结构和变形进行实时监测，预警潜在滑坡风险。
05地质雷达案例分析介绍隧道的地理位置、设计参数、施工方法等背景信息。
工程背景地质条件超前预报方案预报结果分析分析隧道所处区域的地质构造、地层岩性、水文地质等条件。
14地质雷达超前预报
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。
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。
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。
地质雷达在超前地质预报中的应用
地质雷达在超前地质预报中的应用
矿井建设属于地下工程，在其施工过程中，由于前方地质情况不明，常常遇到不良的地质因素，如断层、破碎带、溶洞等，这些因素不仅影响巷道施工速度，甚至会造成严重的工程事故，如塌方、煤矿巷道涌水等，造成严重损失。
巷道施工的危险性很大，如果能对掌子面前方的地质情况和是否有不良地质构造进行准确预报，就可及时调整掘进速度和施工方案，避免险情的发生。
本文以马钢集团姑山铁矿为背景，利用地质雷达对巷道掌子面进行超前地质预报，推断掌子面前方的地质情况，对断层和含水区的探测取得了良好的效果，有效指导了巷道施工。
1 地质雷达技术
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6
雷达采集原始数据，需进行数据编辑（废道剔除、数据连接和测向的统一标定）和数据处理（数字滤波、偏移处理、能量均衡处理、波形修正等），处理得到解释图形的剖面图。
由此
可进行超前地质情况的判断。
巷道地质雷达超前探测主要预测断层和含水区情况，图形判读解释时，雷达波有几个特点：（1）因断层错动形成断层面，断层上下盘存在电性差异形成反射面，雷达波反射图像明显；（2）同相轴因断层出现不连续、错断或局部缺失情况；（3）当断层含水时，高频成分衰减迅速，反射图像较为明显；（4）断层破碎带因围岩破碎，反射面较多，反射图像波形杂乱，同相轴错断。
2 工程实例
2.1 工程概况
工程地质勘查探知该矿区地质构造复杂，岩体破碎松散，岩层的结构面发育，围岩裂隙发育。
为保障井下施工安全、高效，采用地质雷达对掌子面前方地质情况进行超前地质预报，预警施工中可能遇到的各种不良地质灾害。
2.2 探测仪器
此次探测采用瑞典MALA公司生产的X3M地质雷达。
2.3探测实例
2.3.1。
超前地质预报数据处理基本理论知识
超前地质预报数据处理基本理论知识－术语瑞典探地雷达 白雪冰1、三振相三振相指的就是瞬时相位、瞬时频率、瞬时振幅，在做隧道超前地质预报时，这三个指标是必须描述的；图一、单道波形图A、相位：如图一所示，对于一个垂直的单道波形来说，右边的峰尖为波峰，左边的峰尖为波谷，就表述出了波形的相位，对于探地雷达这样利用电磁波的反射原理来进行探测的设备，地下不同介质的接触面都会至少有一个完整的反射信号周期，即至少有一个波峰和波谷；B、振幅：如图一所示，”A”处的红标线的长度表示出了此处信号峰值的大小，即振幅的大小，”A”处的红标线的长度越长，表示此处反射信号越强，波谷的振幅幅值为负值，波峰的振幅幅值为正值，这个振幅幅值没有单位，有时可以用电压值来表示。
C、频率：如图一所示，”B”处的红标线的长度(也即波长宽度)表示出了此处信号的频率的高低，如果越长，则此处的信号频率越低，越短，则此处的信号频率就越高。
2、同相轴雷达图像的时间剖面上记录的各道振动相位相同的极值（即波峰或波谷）的连线称为同相轴。
在解释勘察资料时，常常根据雷达图像的时间剖面上有规律地出现的形状相似能连成线状轴线的振动画出不同的同相轴，它们表示不同界面反射回的电磁波，如图二所示。
图二、同相轴3、波形图与灰度图一般对于超前地质预报的数据来说，因为采集方式为键盘触发，采集的电磁脉冲数比较少，因此雷达图像都是用波列图(wiggle模式)来表述，有些书籍上叫变面图，如图三所示：波形图表述的雷达图像，能够很容易的读出信号的相位，频率，振幅来；用探地雷达进行超前地质预报时，每个掌子面采集的脉冲数不要少于50个脉冲，尽量保证有足够多的脉冲，来确保信号的分辨率和准确性。
图四、灰度图如果探地雷达在进行连续测量时，因为采集的电磁脉冲数非常多，此时再用波列图来表述雷达图像就没法满足分辨率了，那么我就定义了出了灰度图(point 模式)，如图四所示，有些书籍又叫能量堆积图，这个叫法应该是比较形象的，其基础还是由波列图转换为灰度图，具体见图五；图五、波形图转换为灰度图图五所示的波形图转换为灰度图的具体转换原理就是，将没有反射信号的区域描绘为灰色的区域，表示这些区域的反射信号振幅弱，没有有效反射；将反射界面的波谷相位描绘为黑色，波峰相位描绘为白色，即用黑色和白色表述出了信号的相位；对应着右侧的色阶表，黑色和白色的强度，表述出了信号的振幅，即越黑或越白就表示振幅越强，这里的反射信号越强，分别对应着负值或正值越强；将信号频率的高低用黑色和白色方块的厚薄来表述，如果黑色或白色方块越厚，说明此处的信号频率越低，反之亦然。
地质雷达讲义-隧道超前预报
第六章探地雷达在隧道地质预报探水中的解释资料问题随着交通和能源建设的投资力度的加大，近年来，每年修建的公路和铁路隧道达7、8百公里，还有大量的水工隧洞和大型地下厂房及其它大型地下工程在修建。
地下工程是施工高风险的工程，施工中充满了未知数，许多已知的、不清楚的、未知的地质灾害源在等待者工程建设者们。
其中，施工中遇到突泥、突水是最危险的威胁，近几年，一些正在施工的隧道，特别是长隧道，施工时遇到突泥、突水，不仅大大延误工期，造成很大经济损失，而且有的隧道还造成多人的伤亡。
虽然近十余年来人们研究和使用一些物探方法在地下工程施工时作掌子面前方地质预报，但预报地下水仍是个困难的问题，以至成为业界要求作为首要要解决的问题。
探地雷达是目前隧道地质预报探水的最主要的手段，但是近几年的实践表明，其探查预报地下水的成功率不高。
经调查，资料解释的理论和实践未为大多数工作人员所了解和掌握是主要原因之一。
雷达是用发射天线向岩体发射有一定宽度的高频电磁波，岩体中的介质因介电常数ε的不同而反射雷达波被接收天线接收。
介电常数差是雷达工作的基础。
空气的介电常数为1。
岩石的介电常数为4～20，水的介电常数为81。
因而探地雷达对水有特别的敏感性。
同时，地下水往往为高电导介质，对雷达波的反应也与其它介质有区别。
本文将从理论依据和实际应用方面来探讨有关问题6.1 地下水对雷达波的反射波的特点6.1.1 雷达波通过含水体后，高频成分被吸收，反射波的优势频率降低电磁场由麦克斯韦方程来描述并包括电荷守衡方程以及场量与介质关系的本构方程。
无界均匀有耗介质中的电磁波的电场表达式为：E （r ）= E 0 e -jkr其中，k = β-j α；α为衰减系数；β为相位系数。
若假设介质介电常数和电导率均为实数，则：α = ω ｛[1+（σe /με）2］1/2/2-1｝1/2当σe /ωε<< 1，即电导率σe 很小时， α≈ σe [（μ/ε）1/2 ]/2衰减系数与σe 成正比，与ε1/2成反比；当 σe /ωε>> 1 ，即电导率σe 很大时，α≈ （σe ωμ/2）1/2衰减系数与σe 及频率f 成相关，频率高的成分衰减系数大；因此，雷达波通过含水体后，高频成分被吸收，含水层的反射波的优势频率降低 6.1.2 雷达波对水和含水率高的介质的反射强烈，反射波强度大1.在弱耗媒质中εr >>60λ0σ，则：α=ω（ε0μ）1/2(30λ0σ/εr ）1/2入射波的电场：E i = E 0i e j ( ωt – kr)； 反射波的电场：E r = E 0r e j ( ωt – kr)。
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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
软弱夹层
隙
部富水
次反射
岩性变化 接触面或 软弱夹层
其他不利地质体的地质雷达图像 空洞
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
右拱腰塌方回填不密实 左拱腰塌方回填不密实
其他不利地质体的地质雷达图像
拱顶塌方回填不密实
其他不利地质体的地质雷达图像
地质雷达图像解释
地下介质电性分布
已知资料
波形特征分析 几何分布
1 地质雷达波组识别
拾取反射层，依据勘察孔进行对比，建立各种地层的反射波组特征；只 要地下介质存在电性差异，就可在雷达剖面上找到相应的反射波。
识别和追踪同一界面的反射波形依据： 同相性、相似性、振幅显著性变化、波形特征
2 干扰波的雷达图像特征
其他不利地质体的地质雷达图像
含水裂隙
其他不利地质体的地质雷达图像
裂隙
其他不利地质体的地质雷达图像
节理裂隙发育，局部富含水
其他不利地质体的地质雷达图像
强振荡信号，含大量水和淤泥溶洞
其他不利地质体的地质雷达图像
裂隙发育
破碎区域，局部富水
其他不利地质体的地质雷达图像
估计存在
岩溶，左
裂
部破碎局
岩溶二
如何识别干扰波与目标体的图像特征非常关键 干扰信号在实际探测工作不可避免 1) 地面干扰
地面架空电线（双曲线） 测线附近的金属物（强振幅、密集的反射波组） 地面上的砾石（多次反射，局部强振幅回波） 测绳和皮尺（典型的“X”型干扰） 2) 地下异常的多次波 在地质体与地表面来回反射，严重影响目标体的反射波 信息，波形杂乱，不规则。