探地雷达在隧道超前地质预报与衬砌检测中的应用_开题报告

（一）概述

探地雷达 (Ground Penetrating Radar,简称 GPR) 在国内也称为地质雷达, 它是利用超高频 ( 106 ~ 109 Hz) 脉冲电磁波探测地下介质分布特征的一种地球物理方法。其工作原理是,宽带脉冲发射天线将纳秒高压脉冲源提供的电脉冲信号转化为脉冲电磁场,并以脉冲电磁波形式射向目标体。宽带脉冲接收天线将来自目标体的反射脉冲电磁波转化为电脉冲信号传送给宽带取样示波器后以时域方式显示出来, 再经计算机处理后给出时域特性或频域特性显示。在雷达移动探测过程中,定时向地下发射脉冲电磁波,并不断接收到目标体的反射波,它们组成雷达剖面图像。通过对雷达图像的判读可确定目标体 (管道、洞穴、埋藏物、地层等) 的分布特征。也可以通过读取接收到的反射波传播时间和求取电磁波传播速度来计算目标体的埋藏深度。探地雷达理论虽然早在上世纪初就提出, 但真正开展应用研究是在上世纪70年代以后, 随着电子技术和现代数据处理技术的应用发展, 探地雷达技术应用已从冰层、盐层等弱耗介质扩展到土层、煤层、岩层等有耗介质。其应用领域迅速扩大, 现在已在岩土工程勘察、水文地质勘察、工程质量检测、地下埋藏物探测、塌陷和岩溶勘察、矿产资源勘探和考古等众多领域得到广泛应用。

（二）探地雷达国外发展及应用

探地雷达探测地下目标体分布特征的理论, 早在1910年,德国的G .Leimbach和H Lowy等就以专利形式提出。此后,直到1968年前后,美国Teledyne Micronetics 公司在其它科研机构研究视频雷达探地的基础上,开发了一套单周期雷达, 并应用于加利福尼亚公路路基下溶洞勘查和地下采矿试验,这可以说是最早的探地雷达设备。由于受地下介质的复杂性和地层对电磁波有较强的衰减性等条件限制, 探地雷达的初期应用, 仅限于冰层、岩层等对高频电磁波吸收较弱的介质中。如1970年 Harrison 在南极的冰面上, 取得了800 ~1200m 穿透深度的资料。1974年 L. T. Procello 用雷达研究月球表面结构； Unterberger R. R. 用探地雷达探测冰川、冰山的厚度以及岩矿层中的夹层等。上世纪 70 年代后期, 探地雷达的应用从冰层、盐层等弱耗介质扩展到土层、煤层和岩层等有耗介质中。1970 年, 美国地球物理探测仪器公司 ( Geophysical Survey Systems, Inc. 简称GSSI) 生产出第一台商业性质的探地雷达, 取名为地下界面探测雷达 ( Subsurface Interface Radar, 简称SIR型雷达) 。相关工程技术人员开始利用 SIR 型雷达来探测地下介质分布特征。此后, 岩土工程地质勘察的某些领 域才逐步开始实现真正的无损、快速探查 探地 雷达探测。上世纪80年代中后期, 世界上其他国家也纷纷开始研制探地雷达, 如德国、英国、瑞典、意大利、挪威和加拿大。l989年, 加拿大 Sensors & Software 公司 ( 简称 S&S 公司) 成立,它在 A CuBed公司开发的EKKO脉冲探地雷达基础上,生产出Pulse EKKO - IV型探地雷达, 并将其商业化。

（三）探地雷达国内研究现状

我国从上世纪80年代开始引进国外的探地雷达技术，并经过试验、理论研究。综合近期我国有关的研究文献来看，主要在在公路工程、市政建设、隧道、工程地质勘查、资源调查、污染调查等领域都得到广泛应用。

张红在《探地雷达的简述及在各领域中的应用》中对上述相关领域研究做了详尽阐述，主要内容分以下几个方面：

（1）公路工程中的应用 

路面厚度的检测路面厚度是公路工程验收的一个关键指标，传统的方法是钻芯取样，量测厚度，路面留下的洞同种材料修补，这样检测过程耗时长又损害路面 的美观性。采用探地雷达法检测厚度，只需取3~5 个芯样标定雷达波速后，便可利用车载检测路面厚度，方便快捷又省时。目前，雷达法测量路面厚度精度可达1 mm，已成为常规检测方法之一。 

路面下缺陷的检测道路经过长时间使用后，路基经历压实、外来 扰动、雨水冲刷等的影响，会发生老化，造成裂缝、缺陷、地下空洞，会引起公路陷落，发生事故。利用探地雷达调查老路路面微裂缝及其延伸情况、地下空洞情况，是公路维护检测中常使用的方法。探地雷达能够快速、准确定位缺陷的部位、范围，便于维修。 

（2）城市地下工程中的应用。在城市建设中，开挖施工（如城市管线、地铁）愈来愈多，利用探地雷达可快速查清施工范围内的暗河、管线（特别是较深的排水管道）、旧基础等地下障碍物的分布等。 

（3）隧道病害中的应用隧道施工时，利用探地雷达进行地质超前预报工作，据此指导施工，可避免出现拱顶超挖导致的 空洞，导致岩体松动、塌落，砸坏拱顶衬砌形成塌方，造成灾害事故的发生。在隧道施工过程中，利用探地雷达方法检测混凝土喷射厚度，与基岩的贴合的密实性等，避免施工隐患。在已运营隧道维护检查中，采用探地雷达方法检测隧道拱顶和边墙的衬砌厚度、背后空洞、不密实情况及内部钢筋的分布状况，不影响列车的正常运行，也不受列车运行振动的影响。 

（4）工程地质勘查中的应用。利用探地雷达方法可以了解基岩信息。由于岩体的工程地质、水文地质条件的复杂多样性，仅靠前期的物探勘查工作是不够的。探地雷达方法可以进行断层、岩性变化、地层破碎带、充水、充泥、溶洞等地质灾害的探测。特别是在基岩面起伏剧烈、破碎带又相对发育的地区，结合钻探技术，探地雷达能给出整个地层的剖面图、查找出基岩破碎带、溶槽溶洞范围，确定持力层的位置。在软土地基工程勘察中，探地雷达可以用来确定地层中暗河、占河道等特殊地质现象。 

（5）资源调查中的应用。利用探地雷达法能够进行金属矿化带的勘察， 巷道围岩松动圈、岩层位置及厚度、地质构造异常及采空区的探测，为寻找隐伏矿体提供参考。利用探地雷达调查河水的深度、流速，评估水资源是现在西方使用较多的一种水资源调查方法。 

（6）污染调查中的应用探地雷达法也可应用于地下垃圾填埋场的调查，确定年代久远垃圾场的确切位置及垃圾滤液 对周围介质或地下水造成的污染程度。因为垃圾场中污染源的扩散多伴随着介质离子浓度的升高和电阻率的降低，明显异于周围岩土的介电常数，在雷达信号图像上表现为强烈的信号衰减，据此可以估算出垃圾滤液污染的扩散情况。

综上所述，探地雷达应用范围广泛，作为一种无损检测方法，已编入了公路、铁路试验检测规程中，工程地质勘查相关规范中也将其列为探测方法之一。随着工作的逐步开展和研究的进一步深入，探地雷达方法将在各领域内发挥越来越重要的作用。

二、^范文提纲

1绪论

1.1前言 

1.2国内外探地雷达发展及应用

1.3国内探地雷达的发展及应用

2探地雷达工作基本原理与相关理论

2.1探地雷达工作基本原理

2.2相关理论

2.2.1介质的电磁特性

3探地雷达的数据采集及分析处理

3.1探地雷达的数据采集

3.2探地雷达的数据分析

3.3探地雷达的数据处理

4探地雷达在隧道超前地质预报的应用

4.1 探地雷达在隧道超前地质预报中的参数设置

4.2探地雷达在隧道超前地质预报中的工作方法

4.2.1测线布置

4.2.2探测中的注意事项

4.3探地雷达在隧道超前地质预报中的应用实例

5探地雷达在隧道衬砌检测中的应用

5.1探地雷达在隧道衬砌检测中的参数设置

5.2探地雷达在隧道衬砌检测中的工作方法

5.2.1测线布置

5.2.2测点定位

5.3探地雷达在隧道衬砌检测中的应用实例

6结论与探地雷达的发展展望

6.1本文主要结论

6.2探地雷达的发展展望

三、参考文献

[1]曾昭发，刘四新，冯暄．探地雷达原理与应用．北京：电子工业出版社，2010.

[2]粟毅，黄春琳，雷文太．探地雷达理论与应用．北京：科学出版社，2006．

[3]钟世航，孙宏志，杨峰，刘杰，王荣.探地雷达地质探查及检测技术.上海：上海科学技术出版社，2016.

[4]舒志乐，刘保县，刘新荣，朱成红.探地雷达正反演理论与信号处理.科学技术出版社，2017.

[5]杨峰，彭苏萍．地质雷达探测原理与方法研究．北京：科学出版社，2010．

[6]《铁路隧道超前地质预报技术指南》(铁建设[2008]105号)．

[7]董茂干，吴珊珊，黄宁，刘国辉，探地雷达在南京地铁隧道工程检测中的应用[J].物探与化探，2014,38（5）:1090-1094.

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[9]王正成，吴晔.探地雷达隧道衬砌质量检测技术［J］．物探与化探,2013,15(12)：1152-1156．

[10]秦承彬.探地雷达在隧道超前地质预报与衬砌检测中的应用研究.硕士学位^范文.

[11] 张红.探地雷达的简述及在各领域中的应用.城市道桥与防洪.1009-7716（2012）07-0355-03