美国地质雷达隧道超前预报工作介绍目前我们国家地下隧道建设工作量大，地质条件复杂，有灰岩地区、花岗岩地区、黄土高原、第四季覆盖等等。

隧道开挖中常常遇到岩溶发育、出现大的空洞，充水或者充泥，有时地下暗河发育；也会遇到构造带，或者岩石破碎，同时地下水发育，这给隧道开挖和建设造成很多困难，同时也给隧道运营造成一定的隐患。

因此需要采用一定的手段对这些地质构造和地质灾害进行探测和预报，提前采取措施来排除灾害。

工作任务为了能够探明隧道开挖面(俗称"掌子面")前方的地质构造，通常采用多种方法进行综合分析、探测、预报。

常见的方法有：地质分析，地球物理探测(声波法、直流电法、电磁波方法)，钻孔方法，或者超前导洞等等。

采用各种地球物理方法进行探测，分别给出探测结果，综合地质构造情况，进行综合解释，给出掌子面前方的地质构造和可能的地质灾害信息。

探测前提条件隧道开挖中遇到的地下材料或者介质，主要有石灰岩、花岗岩、大理岩、砂岩、第四季覆盖、沙土、黄土，还有地下水、空洞等等。

由于这些材料的物理性质有很多种，比如密度、导电率、介电常数、磁导率等等。

声波超前预报。

由于密度不同、声波传播速度不同，可以采用声波法进行探测，出现了地震波超前预报。

直流电法超前预报。

根据导电率的差异采用直流电法，预报掌子面前方材料的导电率差异，尤其是含盐份的地下水表现为良导体、而空气为高阻体；地质雷达预报。

根据导电率、介电常数、磁导率的差异，采用地质雷达高频电磁波方法进行探测，获取掌子面前方材料的介电常数差异信息，瞬变电磁预报。

由于岩石、土壤、水、空气的电磁响应不同，采用瞬变电磁方法探测材料的差异。

目前这4种方法在隧道超前预报中都有使用，尤其是地质雷达超前预报方法得到了普遍使用，利用地质雷达方法在隧道掌子面上进行探测，对隧道开挖超前预报，下面介绍这部分内容。

探测仪器地质雷达方法通常采用高频电磁波发射法工作，频带范围为几兆赫兹到几千兆赫兹，不同的频率探测深度不同，低频电磁波探测深度较大，因而出现了不同中心频率的天线，商业地质雷达通常采用窄脉冲宽频带电磁波信号工作，一般情况下100兆天线在土壤、破碎的岩石、基岩上探测深度范围从几米到十几米甚至30米左右。

目前隧道开挖地质超前预报距离正好是要求在十几米到30米左右，并且要求能够精确预报，这与地质雷达100兆天线的探测正好吻合。

鉴于掌子面的工作面比较窄，通常从几米到十几米宽。

而100兆天线本身仅仅不到1米长，也不需要把天线埋入地下进行非常紧密的接触，因而探测方便。

经过多年的探测试验研究，目前地质雷达100兆天线在隧道超前预报中得到了广泛使用。

常见的地质雷达系统有美国GSSI公司的SIR系列地质雷达系统、加拿大Sensor&Software公司的EKKO系列地质雷达系统、瑞典Mala 公司的地质雷达系统等等。

GSSI公司的SIR系列地质雷达系统在国内使用普遍，主机型号有专业型SIR-10A,10B,10H，SIR-20，便携式SIR-2,SIR-2000,SIR-3000。

主机兼容所有天线。

目前使用较多的是SIR-20和SIR-3000两款主机，都兼容100兆赫兹天线。

采用地质雷达主机、电缆、天线和电池就可以进行超前预报。

SIR-20主机SIR-3000主机100兆天线数据采集与现场工作测线布置：在隧道超前预报探测中，根据围岩和掌子面岩石构造和岩性分析，来布置测网测线。

对于构造简单的围岩，而掌子面岩石完整，同时已经开挖的几十米甚至几百米隧道内岩石完整，都为基岩，比如沉积岩，通常建议在掌子面上布置一条测线。

灰岩地区开挖隧道，由于灰岩地区岩溶非常发育，溶洞发育不规则，而且其尺寸和地下赋存状态非常复杂，通常含有地下水，或者跟地下暗河连通，有时处于大山底部属于承压地下水，一旦承压水从隧道掌子面涌出将非常危险。

鉴于此就需要对掌子面前方的溶洞进行精细探测，因此在岩溶发育地区尤其是地下水丰富的隧道内，需要在掌子面布置井字型测线，构成密集的测网。

由于隧道开挖通常是采用全断面开挖技术或者阶梯状开挖技术。

对于全断面开挖，可以利用100兆天线在隧道掌子面上多测几条测线；对于阶梯状开挖，利用100兆天线在隧道掌子面的特定部位有针对性的进行探测和预报。

由于目前地质雷达系统多数天线多设计为贴地耦合式，建议天线尽量紧贴被测物体的表面，接触约好探测效果约理想，一般建议离开地面的距离控制在1/4波长以内，100兆天线建议距离被测物体表面的距离控制在10厘米以内，天线最好能够紧贴其表面。

地质雷达超前预报工作照片地质雷达探测系统有3种触发方式，分别为时间方式连续测量、手动点测方式、测量轮触发距离测量方式。

鉴于隧道开挖掌子面通常凹凸不平整，天线不方便在掌子面上快速移动，因此建议采用点测法进行超前探测，点距控制在10厘米；在适当的地方手动做标记，如下图。

在非常平整的掌子面上可以结合手动点测方式和时间方式连续测量相结合的来进行探测。

采集参数表格关于仪器参数设置请参考下面的表格，关于100兆天线参数，两种仪器都建议采用点测模式point mode，工作天线名称、发射率、扫描速度、采样点数、记录长度、滤波范围、叠加次数都一样，首波延时和增益参数不同，不过都建议采用固定的相同的参数进行测试，便于对探测数据进行比较。

而增益参数需要在现场进行调整，通常增益值都不大于60分贝。

SIR-20地质雷达主机和100兆单体天线采集参数表格1SIR-20地质雷达主机采集参数表格2资料处理与解释地质雷达超前预报在掌子面现场采用手动触发方式点测取得探测结果一般情况下都比较理想，因而在后期室内资料处理和解释就相对比较简单，一般包括以下几个步骤，资料整理、图像显示、资料编辑、增益处理、一维频率滤波、高级滤波、图像输出、资料对比与地质解释。

资料整理：对现场所测资料进行整理，包括测量测网资料整理，野外记录表格的电子化录入工作，工作照片整理，备份野外探测数据。

图像显示，利用专门的处理软件打开数据，采用线扫描方式、波形加变面积方式、波形图等方式显示测量数据。

资料编辑剔除强烈的干扰信息，把一条测线上相邻的几个数据剖面连接在一起组成长剖面数据文件。

增益处理，采取整体增益，对整个数据剖面的振幅信息进行放大，或者采用指数增益函数对某一个深度区间的振幅信息进行局部放大，便于数据显示。

选做。

一维频率滤波，如果在探测资料中出现了低频信号干扰，请采用频率滤波方法滤除低频干扰信号。

通常情况下不做此处理。

高级滤波，在探测资料中如果出现多次波干扰信息，需要利用反褶积方法消除多次波干扰，恢复地下真正的地质构造剖面。

输出探测图像，并且对各幅探测图像进行比较，寻找差异，同时结合地质资料，进行地质推断和资料解释工作。

给出地质剖面图。

也需要结合各里程桩号地质雷达探测剖面信息，组成一幅隧道剖面图。

具体案例GSSI地质雷达超前预报资料处理步骤美国地球物理测量系统公司美国劳雷工业公司2011年7月GSSI地质雷达超前预报RADAN资料处理步骤1.打开软件RADAN，选择文件夹.视图→自定义→文件目录.选择文件夹设置工具栏与状态栏[坐标]2.打开文件。

文件→打开(*.dzt)。

文件显示，换颜色。

超前预报的雷达测点数、扫描数通常比较少。

根据这个特点，超前预报的地质雷达图像显示方式，采用线扫描剖面，或者波形加变面积图。

或者两者结合的方式。

线扫描模式波形显示对于点测数据剖面，扫描数较少，建议采用波形加变面积方式显示地质雷达超前预报剖面。

软件启动后，打开雷达剖面默认为线扫描模式显示方式。

单击显示器按钮图标，打开对话框设置显示参数，并且修改波形加变面积显示参数，如下图双击WIGGLE波形加变面积图，弹出对话框：比例：波形显示时所占的像素数。

间隔：波形中心线之间的像素数。

叠加：几个扫描信息叠加后，显示为1个波形。

在段剖面测量中强烈建议显示期间不做叠加。

抽点：跳过几个点后，显示一个波形。

用于剖面较长的情况。

填充标准：正-表示填充正波，负-表示填充负波。

通常默认为正波。

填充大小：一般建议设置0.表示波形一起跳就填充。

预览：表示波形显示效果。

注释：比例参数一般为间隔的2倍。

波形加变面积参数设置完毕，返回显示参数设置对话框，选择保存按钮以保存所有显示参数，包括波形加变面积参数在内，从而下次可以直接调用显示参数文件(*.pam)方便显示地质雷达剖面；具体操作方法是：RADAN软件启动后，选择显示器图标->打开显示参数设置，选择调用按钮->打开pam参数文件。

选择保存按钮，保存参数文件为100兆天线地质预报显示参数.pam。

而资料处理完毕最后结果显示参数可以保存为100兆天线地质预报出图显示参数.pam。

3.扫描信息预编辑：利用图标编辑 选择, 选择一段扫描剖面，切除多余扫描信息删除，或者保存特定扫描剖面保存。

在隧道掌子面上做地质预报，表面不平整，天线难以靠近或者贴紧掌子面，另外干扰比较大，对于明显的干扰采用直接剪切法。

切除上图中第164,、165个扫描。

4.文件测量方向掉转。

打开文件，文件 另存为->方向反转，打勾。

5.添加掌子面宽度信息。

对于一定宽度的掌子面，一般建议10厘米测一个点；而实际施工中会略有差别，可以通过调整参数使得雷达剖面与掌子面宽度一致。

6.确定地面反射波信号位置编辑→文件头→信号位置(纳秒)，如-2.5。

建议：数据采集时，主机中所用的参数保持固定：比如position/offset 信号位置和延时。

7.设置和修改介电常数，计算深度信息编辑→文件头→介电常数。

介电常数深度剖面8.信号振幅自动增益调整处理→增益调整→自动增益，增益点数为5。

指数增益参数设置：手动设置增益点数，调整增益值大小。

对于超前预报，通常采用现场调整增益的方法，使得剖面、波形清晰；若波形振幅较小，则在剖面上点鼠标右键，选择显示增益，对整个剖面的振幅进行放大，而仅仅是显示而已。

9.一维频率滤波，消除低频电磁干扰。

处理→IIR滤波。

一维频率滤波包括3个部分：频谱分析、判断主频信号与识别低频干扰、频率滤波。

在地质雷达资料处理中，通常选择高通滤波来消除低频信号。

频谱图与地质雷达原始记录曲线频谱分析图左图为原始记录信号，右上图为地质雷达单个测点波形，右下图为其对应的频谱。

从频谱图中，可以看出地质雷达电磁波对应的主频为75MHz，频带宽度为[50-110]MHz；频域中低于50MHz的信号为低频干扰。

频谱图------波形图------线扫描图[低频信号低于50MHz]垂直滤波(MHz) 高通50原始数据与高通滤波数据10.地质界面分析[不明显的]界面分析图左图中红色箭头部分为第43个扫描点对应地下界面，右上图红色部分是对应的波形图，在地下地层分界面上物理性质差异巨变[介电常数差异非常大]，从而使得反射回来的波形明显变化；据此判断界面信息。