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

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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 = ϵ r 1 - ϵ r 2 ϵ r 1 + ϵ r 2
式中,εr1为入射介质的相对介电常数,可以直接测定;εr2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。 
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