隧道不良地质现象的探地雷达正演模拟与超前探测

探地雷达是一种分辨率比较高的工程地球物理方法,对掌子面前方的溶洞、富水带、断层破碎带和裂隙带等不良地质现象有明显的异常反应。文中介绍了探地雷达在隧道超前预报中探测的原理、测线布置和数据采集方式,分析不良地质现象与围岩之间的结构和介电差异特征,设计合理的正演模型进行正演模拟,分析正演模拟图像的波形、频率、振幅、相位等特征,理论上总结了不良地质现象在雷达图像上的信号特征,并通过对实测典型雷达图像的解释,对不良地质现象的雷达反射波的频谱特征做进一步研究,可以为探地雷达在隧道超前预报中的解译提供参考。     

路基病害的探地雷达正演模拟与探测

探地雷达勘探是一种分辨率比较高的工程地球物理方法,对道路路基中存在的局部脱空、不密实和含水丰富等病害有明显的异常反应。这里介绍了地质雷达在路基中的探测原理,在分析不良地质现象与围岩之间的结构和介电性差异特征的基础上,设计了较为合理的正演模型,通过GPRMax2D软件进行正演模拟,分析正演模拟图像的波形、频率、振幅、相位等特征,总结了路基病害在雷达图像上的信号特征,并通过对实测雷达图像的解译,对道路病害的雷达反射波的频谱特征做了进一步研究,可为道路路基病害探测的地质雷达数据解译提供参考。     

点状不良地质体钻孔雷达响应特征的形状效应正演分析

针对钻孔地质雷达探测工作中常见的空洞、岩溶和地下埋藏物等点状不良地质体,利用时域有限差分数值模拟方法,对岩土体内不同形状和不同埋深的目标地质体进行了雷达响应正演模型研究,并分析了这些模型的实际分辨能力和应用条件。结果表明,对于不同的探测任务,应根据感兴趣目标体的几何尺寸、分辨率要求等来选择合适的天线频率;不同几何形状的点状不良地质体所呈现的雷达剖面形式各异,且雷达反射信号强弱也不同;同一频率天线其探测分辨能力随空洞埋藏深度而变化,同一埋深下,天线频率越高,高度分辨能力效果越好。研究结果可为钻孔雷达用于岩体工程勘察、灾害隐患探测提供模拟图像认知和数据判读支持     

复信号分析技术在地质雷达信号处理中的应用

作者利用复信号分析方法分离出地质雷达信号的瞬时振幅、瞬时相位、瞬时频率等参数,通过一维数值模拟对其进行多参数分析,并进行了工程应用。模拟实验和工程实测表明,地质雷达瞬时相位有助于提取深部弱信号;瞬时振幅与瞬时频率为进一步进行土层和岩石特性方面的研究提供了依据;多参数综合分析方法对提高地质雷达图像解释的准确性具有重要意义。     

基于GPRMAX的隧道超前地质预报正演模拟与实测数据分析

以电磁波的传播理论为依据,总结了基于GPRMAX2D的地质雷达正演模拟生成的二维剖面图的一般规律,探讨了隧道掘进过程中遇到的典型不良地质体的雷达图像特征,依据正演模拟结果对实测地质雷达数据进行了相应地解译,并用开挖实例验证了解译成果的准确性。     

点状不良地质体钻孔雷达响应特征 ——围岩及充填效应正演分析

钻孔地质雷达探测是一种有效获取高分辨率深部岩体信息的井中地球物理方法。针对钻孔地质雷达探测工作中常见的空洞、岩溶和地下埋藏物等点状不良地质体,利用时域有限差分数值模拟方法,对岩土体内点状不良地质体围岩介质和充填状况进行了雷达响应正演研究,分析了这些点状不良地质体围岩介质和充填状况对钻孔地质雷达反射信号的影响。研究结果表明,围岩与空洞内充填物的相对介电常数相对值,决定着雷达反射剖面信号的强弱对比,介电常数相对值较大时,更易确定目标地质体的前、后部界面位置,而低阻围岩的雷达波信号大部分被围岩介质吸收,通过单孔反射方法几乎不可能探测到空洞的存在。通过反射信号强度和正负相反射特性及其强弱变化,可以定性地判断空洞内填充物质的性质。     

地质雷达特征图像与典型地质现象的对应关系

地质雷达是浅层地质勘探的有效方法,其对断层破碎带、裂隙带、富水带、岩溶洞穴等不良地质灾害有明显的异常反映。地质雷达测量方式、测线布置及系统参数的选择,可根据测量环境以及探测目标体的大致走向、规模、物性等情况综合分析,做出合理选择。通过用地质雷达对多个工区进行工程勘查,从地质雷达图像的波形、频率、振幅、相位及电磁波能量吸收情况(或自动增益梯度)等细节特征的变化规律出发,建立了典型地质现象与地质雷达特征图像的对应关系,可以作为地质雷达图像解释的重要判据。     

基于探地雷达属性分析的典型岩溶不良地质识别方法

采用探地雷达进行岩溶隧道超前地质预报时,受现场探测环境、岩溶地质的复杂性以及解译技术制约,多解性问题一直未能得到很好解决。从依托工程中选取代表性的案例,分析总结隧道建设中常见的几种典型岩溶不良地质的属性特征,结果表明岩溶不良地质类型与探地雷达属性参数有很好相关性,其中:空腔型溶洞、干燥松散黏土夹碎石充填型溶洞和无水破碎带雷达反射波中心频率随时间衰减较慢,分布范围分别为90~105、85~100、70~110MHz;软塑状黏土充填型溶洞和富水破碎带雷达反射波中心频率随时间衰减较快,分布范围分别为60~80MHz和40~70MHz。研究属性特征定量表示方法,提出基于广义S变换及子波谱模拟的雷达波吸收衰减参数计算方法。实际数据分析结果表明:每种属性都能从某些角度反映岩溶不良地质体雷达反射波的特征,在综合多个特征参数后,可以较好地区分不同的岩溶不良地质类型,从而提高探地雷达目标识别精度。     

利用钻孔雷达探测煤矿井下顶底板界面的数值模拟研究

为了更好地在实际生产中识别煤层顶底板位置和对采掘有威胁的地质构造,验证钻孔雷达在煤矿井下探测的有效性,笔者根据时间域有限差分原理,基于gprMax2D软件对煤矿井下钻孔雷达数据进行了模拟。建立了多频多煤层厚度的水平钻孔模型、多倾角下的倾斜钻孔模型、正断层模型、裂隙带模型、陷落柱模型和夹矸模型并得到相应数值模拟结果。结果表明,钻孔雷达能够识别顶底板位置并有效发现异常地质体;雷达中心频率在50～600 MHz时能够得到较好的探测结果且分辨率随频率升高而升高;斜钻孔对于顶底板识别影响较小;断层、裂隙带、陷落柱和夹矸等在数值结果中显示出了各自的特点,这些特点在实际生产中可为雷达剖面解释提供参照。总体上看,利用钻孔雷达对煤矿井下顶底板界面和特殊构造进行探测是可行的。     

基于程函方程反演的跨孔地震岩溶探测数值模拟研究

岩溶探测对于岩溶发育地区的工程建设有重大意义,跨孔地震波探测是工程勘察有效的地球物理探测技术。本文旨在利用基于程函方程的初至旅行时层析方法,实现对跨孔地震波岩溶探测的反演,并通过多个工况的数值模拟验证其有效性,探索其适用性和局限性。首先,基于波动方程的时域有限差分对跨孔地震岩溶探测进行正演模拟;然后从模拟的地震记录中提取初至旅行时,最后以基于程函方程的初至层析方法反演得到钻孔间的地层速度模型。本文设置了单一溶洞,单一断层,溶洞断层组合及多溶洞组合4种工况,通过数值试验得到了地震记录、旅行时、反演图像、迭代残差等结果。结果表明基于程函方程的初至旅行时层析反演方法对溶洞位置、大小,断层的方位反演较为准确,对于复杂地质条件,多溶洞和裂隙组合反演较为稳定,相互之间干扰很小,能定性区分对溶洞填充物的速度与地层背景波速的高低。但岩溶异常体中的反演速度较真实速度有偏高,纵向分辨率比横向分辨率高。相比溶洞,该方法对断层较不敏感。考虑到基于程函方程的跨孔层析反演在多个岩溶地质体共存的复杂地质条件下依然保持高效和稳定,该方法可以为实际工程提供重要勘察信息。     

复信号分析技术在地质雷达预报岩溶裂隙水中的应用研究

对岩溶裂隙水进行及时准确的预报,是当前岩溶隧道设计和施工中亟待研究和解决的关键问题。复信号分析技术能够提取多个参数进行综合判断,基于此优点,尝试将复信号分析技术引入到地质雷达探查水体的研究中。对雷达数据中的水体异常分别从振幅、频率和相位等方面进行综合判断,克服了以往判断依据单一的缺点,为利用地质雷达进行岩溶裂隙水预报提供了一种切实可行的方法。首先,介绍了复信号分析技术的原理,阐述了在地质雷达信号处理中引入复信号分析技术的必要性;然后探讨了基于复信号分析技术的地质雷达预报岩溶裂隙水的可行性,得出了判断水体的依据。最后结合工程实例,对地质雷达数据进行了复信号处理,并对岩溶裂隙水进行了综合判断。与开挖结果对比显示,复信号分析技术的运用较大的提高了岩溶裂隙水预报的准确性和可信性。     

隧道衬砌病害地质雷达探测正演模拟与应用

国内大多数隧道都存在着不同程度的病害,其中诸如衬砌开裂、不密实、含有空洞和渗漏水等衬砌病害是隧道最常见的病害类型,严重影响行车安全。地质雷达（GPR）可以用来对隧道衬砌病害进行快速无损探测,但对于衬砌病害的解译十分依赖于探测人员的经验,很容易造成误判和漏判。因此,对隧道衬砌病害进行分类,并针对典型衬砌病害类型进行建模,利用时域有限差分（FDTD）法对衬砌病害模型进行地质雷达探测正演模拟,针对衬砌渗漏水和存在钢筋干扰等特殊情况,通过频谱分析对病害进行了定量识别,总结出典型衬砌病害的地质雷达探测解释准则,最后结合工程实例对衬砌病害进行了推断和解译。结果验证了衬砌病害地质雷达探测正演模拟和解释准则的可靠性。     

基于FDTD的隧道衬砌质量雷达检测正演模拟及其应用分析

针对隧道衬砌可能出现的不同的地质病害,根据其介质电性特征,构建相应的地球物理模型,基于时域有限差分(FDTD)算法和完全匹配层(PML)的吸收边界条件,利用GprMax软件结合Matlab编程作探地雷达正演模拟。研究结果表明,不同密度的钢筋和钢拱架模型,在不同中心频率的天线的正演结果中,受到探地雷达分辨率地影响,反射信号同相轴的强弱和形态有所不同,不同的形状的脱空模型其相位、振幅、波形特征都各不相同。结合工程实例,雷达正演模拟与实测剖面结果的主要异常波形信号及钻孔揭示情况基本相符,说明探地雷达能有效地检测衬砌病害的类型、位置、构造走向等空间分布特征,验证了该正演方法的可行性,有助于更好地指导物探工作者对衬砌质量进行更精确地解释,准确发现衬砌的地质病害,确保隧道运营安全。     

地质雷达电磁干扰分析及在隧洞岩溶探测中的应用

将地质雷达用于千岛湖配水工程某隧洞岩溶探测,分析了倾斜状电磁干扰异常与溶洞雷达异常差异,通过雷达剖面及疑似异常区单道时间-频率谱的分析,推断了隧底岩溶的性质及空间分布特征,含水溶洞在雷达剖面反映为同相轴错断,强振幅及能量高衰减的特性,高频干扰波振幅幅值较异常区小且能量不满足随时间推移逐渐衰减的规律,雷达成果为隧洞安全施工提供了准确的参考。      

时间域有限差分法在钻孔雷达探测金属矿中的应用

钻孔雷达相比传统的地球物理方法具有更大的探测范围,可得到更多的地层信息。在地质雷达正演模拟的方法中,时域有限差分法能提高探测的效果和解释的准确性。将两者相结合,通过单孔反射测量对金属矿进行数值模拟及对结果进行分析,说明了单孔反射测量不仅可以确定矿体的位置,而且对矿体形态也具有很好的识别性。     

隧道衬砌质量的地质雷达电磁波反射特征分析及应用

针对乌尉高速公路天山胜利隧道衬砌施工中出现的脱空、厚度不足和不密实等质量问题,采用基于时域有限差分(FDTD)的模拟方法,对隧道衬砌中常见的缺陷进行正演模拟,正演结果与实测数据反射剖面的地球物理特征一致性吻合较好。其次,本研究对于典型缺陷或标志物与之对应的地质雷达电磁波反射特征进行了总结和归纳,结果表明,隧道衬砌典型缺陷或标志物地质雷达电磁波,具有振幅突变、电磁波同相轴畸变、波形极性反转等特征,这些特征对于现场检测人员快速判读、解译采集的雷达数据有重要参考作用,也对目标地质体和隧道衬砌缺陷快速准确识别有较大帮助,有助于提高一线作业人员的检测效率,确保隧道整体稳定性及安全运营。     

频谱分解在碳酸盐岩储层中的应用研究

本文详细描述了频谱分解技术的原理和方法,利用模型正演模拟分析缝洞储层,对缝洞尺度和裂隙密度变化频谱特征进行分析和总结,得出溶洞尺度、裂缝密度与最大振幅谱呈同向变化趋势,与最大振幅谱对应频率呈反向变化趋势.实际地质资料的应用结果表明该结论对碳酸盐岩缝洞的认识较为有效,而为进一步的碳酸盐岩缝洞型储层研究提供了有效的方法途径.     

探地雷达在南京地铁隧道工程检测中的应用

溶洞是地铁隧道工程的重要检测内容之一,探地雷达波在溶洞中传播的信号特征与围岩存在明显的差别,雷达反射波组的振幅、波长和频率会随着介质的电性变化而改变,正确识别溶洞的雷达波组特征是判别溶洞存在及其性质的关键所在。以南京地铁三号线滨江路站—五塘村站之间地铁隧道下方岩体内隐含溶洞探测为例,着重讨论了溶洞在探地雷达检测剖面上的波形显示特征,结合钻孔验证,说明探地雷达技术在城市地铁隧道工程溶洞探测中是有效的和实用的。     

传统瞬变电磁法的改进及其在隧道超前地质预报中的应用

为保证施工人员和设备的安全,在隧道开挖过程中需要掌握掌子面前方含水不良地质体的发育情况。较为常用的探测含水不良地质体的物探方法为传统瞬变电磁法。由于以往没有重视探测装置与地质体间的耦合关系,传统瞬变电磁法沿单一测线进行数据采集的方式只能从单一角度发射磁场从而获得单一角度的探测结果,因此一直存在预报不准、漏报等问题。为了克服上述问题,提高预报的准确性,文章对传统瞬变电磁法进行了改进。基于探测装置与地质体间的良-强耦合关系,提出了一种能从水平和竖直方向进行多角度探测的共轴偶极法,通过转动探测装置从多个角度发射磁场,使单一角度无法探测的地质体也能与磁场达到良-强耦合效果,从而降低预报不准、漏报的可能性。共轴偶极法具有多个角度的探测结果,多个结果相互印证,具有比传统方法更高的准确性。在九绵高速公路天池隧道里程为YK223+135—YK223+035段内进行传统方法和共轴偶极法预报,开挖验证表明共轴偶极法对含水节理裂隙和岩溶裂隙等含水不良地质体的预报准确性比传统方法高,可为类似隧道超前地质预报工作提供一定参考。     

关于频率电磁测深几个问题的探讨(三)——频率电磁测深相位问题分析

频率电磁测深复电阻率含有振幅视电阻率和相位,相位既可由复电阻率的虚部和实部表示,也可通过振幅视电阻率转换得出。阐述了振幅视电阻率转换为相位的原理和计算公式。根据典型地电模型计算的振幅视电阻率曲线和相位曲线,分析了相位曲线与振幅视电阻率曲线的关系及特点。分析结果表明,相位曲线变化幅度更大,相应频率更高,可提高对地层的分辨率,加大探测地层深度。将振幅视电阻率和相位资料结合解释,可提高解释的地质效果。