CN101975089B - 一种用探地雷达首波相位法预报地下水的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用探地雷达首波相位法预报地下水的方法。本发明所要解决的技术问题是：该方法可在隧道(洞)施工开挖过程中，提前预报掌子面前方的地下水，以便及早采取防范与处理措施，确保施工安全，解决该问题的技术方案是：先在隧洞施工掌子面布置U型雷达测线，再用探地雷达沿该测线进行测试，将测试获得的数据处理后进行时深转换形成雷达图像，找出雷达图像中的强雷达反射波同相轴，分析该雷达波形的直达波首波相位和反射波首波相位，若反射波首波相位与直达波首波相位相反，则判断为含水地质构造；若反射波首波相位与直达波首波相位相同，则判断为空腔地质构造。本发明可用于隧道或隧洞施工掌子面前方的地下水超前预报。

Description

一种用探地雷达首波相位法预报地下水的方法

技术领域

本发明涉及地下水的预报方法，尤其是一种用探地雷达首波相位法预报地下水的方法。适用于隧道或隧洞施工掌子面前方的地下水超前预报。

背景技术

在隧道或隧洞掌子面广泛应用TSP、探地雷达等方法预报掌子面前方的结构面或不良地质体，但一直缺乏针对地下水的准确预报方法。由于无法对地下水作出准确的预报，导致隧道(洞)施工涌、突水现象时有发生，给隧道(洞)施工带来较大的安全风险与隐患。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种用探地雷达首波相位法预报地下水的方法，可在隧道(洞)施工开挖过程中，提前、准确的预报掌子面前方的地下水，以便及早采取防范与处理措施，确保隧道(洞)的施工安全。

本发明所采用的技术方案是：用探地雷达首波相位法预报地下水的方法包括以下步骤：

1、在隧洞施工掌子面布置一条U型雷达测线；

2、从隧洞右壁起始点开始测试，沿右壁至掌子面再到左壁进行测试，步距20cm，天线紧贴洞壁放平稳后再测试，在两拐角位置打上标记，测试至左壁终点结束；

3、用备份数据文件进行频谱、滤波及增益恢复分析处理，选择地层的介电常数进行时深转换形成雷达图像；

4、在所述雷达图像中识别出强雷达反射波同相轴，结合地质资料分析该强雷达反射波同相轴的性质，对于确定为地质构造的反射波同相轴，提取其单道雷达波形，分析该雷达波形的直达波首波相位和反射波首波相位；

5、若反射波首波相位与直达波首波相位相反，则判断为含水地质构造；若反射波首波相位与直达波首波相位相同，则判断为空腔地质构造。

本发明通过分析探地雷达反射波的首波相位特征，判断掌子面前方的结构面或不良地质体是否含有地下水，实现了对地下水的提前、准确预报，确保了隧道(洞)的施工安全。同时本发明解决了一直长期困扰着工程界的难题，为防止发生突、涌水事故提供了理论依据。

附图说明

图1是本发明中U型雷达测线的布置示意图。

图2是本发明实施例为含水地质构造探地雷达单道反射波波形图。

图3是本发明另一实施例为空腔地质构造探地雷达单道反射波波形图。

具体实施方式

根据电磁波反射原理，界面两侧介质的介电常数的差异程度决定雷达反射波的幅值，界面两侧介质介电常数的大小决定雷达反射波的首波相位。由于水的相对介电常数远大于岩土介质，根据电磁波反射系数计算公式可知，从岩土层入射的含水界面的反射系数数值大且为负值，表明反射电磁波信号强，且首波相位与入射波首波相位相反；当结构面为空隙或地质体为空腔时，反射系数数值相当但为正值，表明反射电磁波信号强，而首波相位与入射波首波相位相相同。由此可判断反射介质是否为含水结构面或富水地质体。

当隧道(洞)地质超前预报时，探地雷达符合电磁波垂直入射条件，在岩体非磁性介质中的界面电磁波反射系数为：

$R=\frac{\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_{r1}}-\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_{r2}}}{\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_{r1}}+\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_{r2}}}$

式中，ε_r1为入射介质的相对介电常数，可以直接测定；ε_r2为反射介质的相对介电常数。

水的相对介电常数为81，空气的相对介电常数为1，一般岩体的相对介电常数为5～15，当遇到含水界面或地下水时，界面反射系数为-0.40～-0.60，电磁波反射信号强，且反射波首波相位与入射波首波相位相反；而当界面存在空隙或空腔时，界面反射系数为0.38～0.59，电磁波反射信号强，但反射波首波相位与入射波首波相位相同。基于上述理论，可根据强反射雷达信号的相位特性，作出地下水存在与否的判断，从而实现地下水的超前预报。

本发明超前预报地下水的方法包括以下步骤：

1、在隧洞施工掌子面布置一条U型雷达测线4，也可布置高、低两条U型雷达测线(请见图1)；

2、从隧洞右壁起始点开始测试，沿右壁1至掌子面2再到左壁3进行测试，步距20cm，天线紧贴洞壁放平稳后再测试，在两拐角位置打上标记，测试至左壁终点结束；

3、用备份数据文件进行频谱、滤波及增益恢复分析处理，选择地层(一般有灰岩、大理岩、砂岩等)的介电常数进行时深转换形成雷达图像；

4、在所述雷达图像中识别出强雷达反射波同相轴{即雷达记录上各道反射波相位相同的极值(俗称波峰或波谷)的连线}，结合地质资料分析该强雷达反射波同相轴的性质，对于确定为地质构造的反射波同相轴，提取其单道雷达波形，分析该雷达波形的直达波首波相位和反射波首波相位；

5、若反射波首波相位与直达波首波相位相反，则判断为含水地质构造；若反射波首波相位与直达波首波相位相同，则判断为空腔地质构造。

实施例一，从图2可以看出，反射波首波相位与直达波首波相位相反，判断掌子面前方将遇到含水地质构造，如继续开挖揭露后可能会产生突涌水，应及早采取防范措施，确保隧道(洞)的施工安全。

实施例二，从图3可以看出，反射波首波相位与直达波首波相位相同，则判断掌子面前方为空腔地质构造。

Claims (1)

1.一种用探地雷达首波相位法预报地下水的方法，其特征在于包括步骤：

1.1、在隧洞施工掌子面布置一条沿右壁(1)至掌子面(2)再到左壁(3)的U型雷达测线(4)；

1.2、从隧洞右壁起始点开始测试，沿右壁(1)至掌子面(2)再到左壁(3)进行测试，步距20cm，天线紧贴洞壁放平稳后再测试，在两拐角位置打上标记，测试至左壁终点结束；

1.3、用备份数据文件进行频谱、滤波及增益恢复分析处理，选择地层的介电常数进行时深转换形成雷达图像；

1.4、在所述雷达图像中识别出强雷达反射波同相轴，结合地质资料分析该强雷达反射波同相轴的性质，对于确定为地质构造的反射波同相轴，提取其单道雷达波形，分析该雷达波形的直达波首波相位和反射波首波相位；

1.5、若反射波首波相位与直达波首波相位相反，则判断为含水地质构造；若反射波首波相位与直达波首波相位相同，则判断为空腔地质构造。 

Images