1、目 录 第一章 概述 第一节 铁路运营隧道现状 第二节 隧道衬砌检测和评价的技术依据 第三节 地质雷达技术应用前景 第二章 地质雷达技术理论基础知识 第一节 麦克斯韦电磁场理论简介 第二节 电磁波在介质中的传播规律 第三节 地质雷达资料解释 第四节 影响雷达测试精度的因素 第三章 常用地质雷达仪器介绍 第一节 硬件配置指标 第二节 雷达数据处理软件配置 第三节 其他型号地质雷达简介 第四章 隧道衬砌知识和评价标准 第一节 隧道衬砌设计知识 第二节 掘进方式和衬砌工艺对衬 砌质量的影响 第三节 隧道常见质量通病和处理措施 第四节 铁路运营隧道安全等级评定标准 第五章 隧道检测工作布置 第一节 检
2、测前的准备工作 第二节 选择雷达工作参数 第六章 雷达图像分析和衬砌质量评价 第一节 质量缺陷成因分析及其雷达图像特征 第二节 隧道衬砌质量评价分类 第三节 外界因素对雷达图像的影响 第七章 隧道衬砌检测的典型图像 第八章 中长期铁路网规划简介 第一章 概述 第一章 概述 第一节 铁路运营隧道现状 一、铁路隧道设备的重要性 铁路被誉为国民经济的先行官、火车头，是我国重要的交通工具，铁路建设长度也是一个国家经济发展的标志之一。近年来，我国铁路建设的增长速度很快。在 2000 年初，党中央、国务院批准了关于西部大开发展战略的初步设想，拉开了西部铁路建设的序幕，洛湛铁路、渝怀铁路、青藏铁路、宜万铁路
3、等相继开始建设。在 2004 年 1 月 7 日，国家中长期铁路网规划经国务院审议通过，这是进入新世纪后，我国第一个获准通过的中长期发展规划，标志着我国铁路新一轮大规模建设的展开。 隧道是保障铁路正常运营的重要设备，隧道施工质量直接影响到将来铁路运营是否通畅，隧道病害是困扰铁路快速发展的一个关键，更是影响国民经济发展的一个重要因素。 因此，必须通过系统的研究，总结铁路隧道的病害特点，完善 隧道病害 检测评价手段，制定出符合我国铁路特点的一整套检测方法 ， 形成从日常维护 、 病害检测 、 病害整治到质量跟踪的一整套技术体系，以适应信息化目标管理的需要， 将 运营隧道的日常维护和病害整治提高到一
4、个新的水平。 二、铁路运营隧道存在的问题 我国铁路隧道建设已经有 110 余年的历史。中国第一座铁路隧道修建于 1887 1889年，是台湾省台北至基隆窄轨铁路上的狮球岭隧道，长 261m。至 2002 年，我国铁路隧道已经达到 6876 座，总长 3670km，为世界第一。据铁道部 统计 资料 显示 ， 部分运营 隧道的病害 问题 相当严重，甚至已危及到行车安全。 据资料记载， 宝中线 、成昆线、贵昆线、襄渝线、宝成线等均发生过隧道 衬砌掉块 ，特别是 2001 年达成铁路 某隧道 出现的 30m 大范围第一章 概述 拱顶 衬砌掉块 ， 险些造成严重的行车事故。 为此， 铁路部门每年都投入大
5、量的人力 、 物力和资金用于 隧道病害 的维修和整治，但隧道设备的状况仍然没有根本好转。 图 1.1 运营隧 道衬砌开裂渗水病害 图 1.2 运营隧道衬砌开裂病害 目前我国铁路运营隧道存在的主要问题是 ： 隧道病害 数量大而且类型多，整治难度大，所需费用多，周期长，第一章 概述 而且修理投资缺口较大； 由于年代不同，基础资料不完整，管理手段落后； 隧道病害 检查和检测手段落后而且不够规范，早期病害难以发现，使某些可以早期整治的病害得以发展成严重的病害，彻底整治更加困难； 受施工环境恶劣及材料耐久性差的影响，一些隧道病害的整治效果不明显； 新建隧道的设计和施工遗留问题较多，某些隧道还相当严重。
6、由于上述种种原因，致使病害隧 道的数量逐年增加，又加之投入不够，造成隧道病害 的状况进一步恶化。事实上， 隧道病害 存在于其使用的全过程，有些隧道在使用之前病害就已 经 存在 。隧道病害 形成的原因很复杂，对隧道使用寿命的影响也存在较大差异。 因此 ， 对隧道病害 及安全性问题的研究工作 除了 隧道的定期养护 和 防治 以外，应该注重于 从隧道检测评价出发 ， 深入 了解隧道病害 机理， 对 某一类具体的病害及某一类具体的工程条件， 提出的 整治措施 要具备较强的针对性 和可操作性， 逐步提高 病害整治技术。 三、 隧道检测评价 的意义 隧道病害 的发展 具 有一个过程，如果能在 隧道病害 恶
7、化之前发现，并及时采取整治措施，则可大大提高铁路运营隧道的安全性。因此，进行隧道的检测评价是非常必要的。传统的检测评价一般都是依靠经验，采取定性化的方法，在实际的操作过程中很容易受人为因素的影响，不同的工程技术人员可能会根据各自的经验得出差别较大的判别结果 ； 随着技术的进步，仅仅采用定性化指标对 隧道病害 状况进行描述分析已不能满足目前的使用和养护要求。因此，采用一些仪器设备对隧道 质量进行无损检测，通过 科学的检测评价， 利用 定量化 的 指标来评价 隧道 的实际状况是非常必要的。 通过无损检测，可以达到下面的目的： 第一章 概述 通过 对隧道状况进行全面 检测，得出隧道状况的 检测 评价
8、报告，科学地 查 明隧道的实际状况； 根据 检测评价报告 ， 为隧道的维修保养 和 整治提供系统完整的 科学依据； 通过检测评价报告 获得必要的信息 ， 正确 掌握 铁路运营隧道病害的实际状况 ，在此基础上 逐步形成从日常维护 、 病害发现 、 病害检测到病害整治的一整套技术体系，建立隧道病害整治专家系统奠定基础 ， 从而使现有隧道的运营管理技术提高到一个新的水平 。 新建铁路隧道施工阶段，做为施工过程控制手段，及早发现问题，为采取加固措施消除隐患提供依据，起到对隧道施工质量实时监控的作用。 四、检测评价的 主要内容 隧道检测评价主要是通过对隧道衬砌、仰拱 (或铺底 )进行无损检测，查清隧道既
9、有病害的规模，查找隐伏病害、可能造成病害的施工质量缺陷以及灾害性地质病害。具体包括在表 1.1 中所列的 6 个方面： 表 1.1 隧道检测评价主要内容 序号 检测项目 内容 1 初期支护和衬砌混凝土 在隧道不同部位布置 测线，测出拱顶 、 拱腰 、 拱脚及边墙位置的衬砌厚度 以及 道床仰拱的厚度，同时还可沿隧道的横断面进行厚度探测。 初期支护中的 钢筋 、 钢拱架及格栅钢架等的数量和 分布 情况 ，并准确定位。初衬与二次衬砌之间的密实状况以及衬砌间空洞的 分 布情况 2 围岩状况 隧道周围 2m 范围 (根据需要可进行调整 )内的围岩状况 。 岩溶地区 查找并确定 溶洞的位置和范围 3 排水
10、 隧道衬砌或围岩中排水盲沟的分布及畅通情况 ； 高寒地区的冻融情况。隧道围岩或衬砌中的裂隙水分布及赋水情况 4 开挖断面 隧道围岩超挖部分的位置 、 超挖空间和回填情况 (回填的性质 )； 通过衬砌厚度 确定 隧道欠挖情况。 5 裂缝 衬砌中的裂隙分布，尤其是衬砌深部不为肉眼看出的裂隙分第一章 概述 布和发展趋势；配合强度检测对衬砌状况作出全面的评价 6 状况评价 通过对检测结果进行解析，实现隧道病害状况的评价。评价成果包括 衬砌强度值 、 衬砌结构厚度值 、 隧道裂隙水分布状况 、 围岩超欠挖情况 、 衬砌破损情况以及格栅拱架等的分布情况 ， 通过这些定量化数据，直接反映隧道的病害状况 第二
11、节 隧道衬砌检测和评价的技术依据 由于地质条件的复杂性，隧道设计和施工涉及到众多的技术专业和技术标准，隧道检测评价是以设计为依据检测施工质量，同时查找在设计和施工阶段未能发现的隐蔽的灾害性地质病害，为隧道彻底整治提供依据。 铁路隧道检测评价主要依据以下中华人民共和国行业标准： 1.铁路工程地质勘察规范 (TB10012-2001， J117-2001) 2.铁路隧道设计规范 (TB10003-2005， J447-2005) 3.铁路隧道施工规范 (TB10204-2002) 4.铁路隧道喷锚构筑法技术规范 (TB210108-2002) 5.铁路混凝土与砌体工程施工规范 (TB10210-2
12、001， J118-2001) 6.新建时速 200 公里客货共线铁路设计 (2003.10) 7.铁路桥隧建筑物劣化评定标准 (TB/T2820.2-1997) 8.铁路隧道工程施工质量验收标准 (TB10417-2003) 9.铁路混凝土与砌体工程施工质量验 收标准 (TB10424-2003) 10.铁路工程结构混凝土强度检测规程 (TB10426-2004) 第三节 地质雷达技术应用前景 地质雷达技术是近年来应用于浅层地质构造、岩性检测的一项物探技术，其特点是快速、无损、连续检测，并以实时成像方式显示地下结构剖面，探测结果一目了然，分析、判读直观方便。因其探测精度高、样点密、工作效率高
13、而倍受一些行业的关注。 地质雷达在上世纪 70 年代开始应用于工程场地勘察， 30 年来，其应第一章 概述 用领域已经扩大到考古、建筑、铁路、公路、水利、水电、采矿、城市地下管网等各个方面。 工 程场地勘察方面，主要应用于普查地下岩溶、确定基岩风化层厚度、研究地下水水位分布以及查找隐伏地质构造等，大多采用中低频天线，探测深度可以达到 50m 以上。 考古方面，主要用于探测古建筑群、地下洞室等，近年对乐山大佛进行修复前，也采用地质雷达检测，对大佛状况进行前期评估。 地下管网普查方面，由于地质雷达推出了高分辨率的三维探测系统，可以精确地确定各类地下管道的水平位置和深度，得到地下管网三维分布图。 工
14、程质量检测方面，近年来广泛应用于铁路公路隧道衬砌、路基病害、高速公路路面、机场跑道以及地质超前预报工作中，并得到 良好效果。隧道检测是其发展较为迅速的领域之一，铁路、公路交通以及水利部门均已经采用地质雷达技术检测评价既有隧道状况，并且在新建项目中开始大量应用，在施工阶段中对质量进行过程控制，及时发现质量缺陷，使地质雷达成为施工质量监控不可缺少的重要手段。 第二章 地质雷达技术理论基础知识 第二章 地质雷达技术理论基础知识 第一节 麦克斯韦电磁场理论简介 一、 位移电流假设 恒定电路中，传导电流是连续的，满足恒定电流的安培环路定理： 式中的电流是穿过以闭合曲线 L 为边界的任意曲面 S 的传导电
15、流（电荷的定向运动形成的电流）。 非恒定电路中，如图 2.1，由于传导电流不能通过电容的两个极板，所以恒定电流的 安培环路定理不再适用。 R ES 21SLI图 2.1 非恒定电路 对于非恒定电路，电流中断处必然发生电荷分布的变化，产生磁场。 麦克斯韦 电磁场理论 认为 ， 对于普遍的情况，在非恒定电流的情况下，电位移的时间变化率与电流密度相当，变化的电场等效 的 也是一种 “ 电流 ” ，它也能产生磁场。这就是麦克斯韦提出的著名的位移电流假说，他将电位移通量的时间变化率称为位移电流 ，而把电位移 的时间变化率称为位移电流密度 。基于上述假说， 提出了全电流的概念 ，即传导电流和位移电流之和称
16、为全电流， 在电流非恒定情况下，将安培环路定理推广为： 引入位移电流概念以后，非恒定电路中，中断的传导电流被位移电流接替，使电路中电流保持连续不断。在非闭合、电流不恒定的电路中，全电流是保持连续的。 位移电流与传导电流两者相比，唯一共同点仅在于 都具有磁效应， 都可以在空间激发磁场，但二者本质是不同的： 产生机理不同：位移电流是变化 的电场；传导电流是自由电荷的定向运动形成的。 位移电流 也即变化着的电场可以存在于真空、导体、电介质中， 不需要导体；传导电第二章 地质雷达技术理论基础知识 流需要导体，只存在于导体中。 位移电流没有热效应；传导电流 在通过导体时会 产生焦耳热。 二、 麦克斯韦方
17、程组 的物理意义 借助于位移电流和全电流的概念，麦克斯韦把安培环路定理推广到变化的电磁场也适用的普遍形式，提出的涡旋电场和位移电流假说 ，其 核心思想是：变化的磁场可以激发涡旋电场，变化的电场可以激发涡旋磁场；电场和磁场不是彼此孤立的，它们相互联系、相互激发组成一个统一的电磁场。麦克斯韦进一步 将电场和磁场的所有规律综合起来，建立了完整的电磁场理论体系。 麦克斯韦电磁理论认为：在一般情况下，电场既包括自由电荷产生的静电场 、 ，也包括变化磁场产生的有旋电场 、 ，电场强度 E 和电位移 D 是两种电场的矢量和。即 同时，磁场既包括传导电流产生的磁场 、 ， 也包括位移电流（变化电场）产生的磁场
18、 、 ，磁感应强度 B 和磁场强度 H 是两种磁场的矢量和。即 在 1873 年前后，麦克斯韦提出 了在一般情况下电磁场所满足的 四个方程 ，称为 麦克斯韦方程组 ，用以 表述电磁场 的 普遍规律 ： 电场的高斯定理 电场的高斯定理 描述了电场的性质。在一般情况下，电场可以是库仑电场 (也称静电场，是有源场 )， 也可以是变化磁场激发的感应电场，而感应电场是涡旋场 (是无源场 )，它的电位移线是闭合的，对封闭曲面的通量无贡献。 磁场的高斯定理 磁场的高斯定理 描述了磁场的性质。磁场可以 由传导电流激发，也可以由变化电场的位移电流所激发，它们的磁场都是涡旋场，磁感应线都是闭合线，对封闭曲面的通量
19、无贡献。 电场的环路定理 法拉第电磁感应定律 第二章 地质雷达技术理论基础知识 电场的环路定理 描述了变化的磁场激发电场的规律 ，即静电场是保守场，变化磁场可以激发涡旋电场。 全电流安培环路定理 全电流安培环路定理 描述了变化的电场激发磁场的规律 ，即传导电流和变化电场可以激发涡旋磁场。 三、 电磁波的 特点 电磁场以磁场和电场交替的形式传播，传播过程中电磁场场量满足波动方程： 式中， C 是真空中电磁波的波速 ， 等于真空中的光速 (光波就是电磁波 )。 电磁波 具有以下 6 个 特点： 电矢量 E、磁矢量 H 和都与波的传播方向 k 垂直，因此电磁波是横波。 E 和 H 始终同频率，同相位
20、。任意时刻 E 和 H 的幅值成比例 ，其关系如下式 ： E 和 H 分别在各自的 平面内振动，这一特性称为偏振性。 电磁波的传播速度 的大小为： 电磁波的频率 越 高，相应的波长就越短。无线电波的频率最低（波长最长），而 射线的频率最高（波长最短）。目前人类通过各种方式已产生或观测到的电磁波的最低频率为第二章 地质雷达技术理论基础知识 10-2Hz，其波长为地球半径的 5000 倍，而电 磁波的最高频率为 1025Hz，它来自于宇宙的 射线。 电磁场具有 辐射能：由于电磁场具有能量，所以随着电磁波的传播，就有能量的传播。这种以电磁波形式传播出去的能量，叫做幅射能。 第二节 电磁波在介质中的传
21、播规律 一、地质雷达检测原理 地质雷达技术（ Ground Penetrating Radar，简称 GPR）利用主频为 106Hz 109Hz 波段的电磁波，以宽频带短脉冲的形式，由地面通过天线发射器发送至地下，经地下目的体或地层的界面反射后返回地面，被雷达天线接收器所接收，通过对所接收的雷达信号进行处理和图像 解译，达到探测前方目标体的目的。图 2.2 是地质雷达检测原理示意图。 图 2.2 地质雷达检测原理示意图 地下介质相当于一个复杂的滤波器，介质对电磁波不同程度的吸收以及介质的不均匀性质，使得雷达发射出去的电磁脉冲在到达接收天线时，综合了地下不同介质的物理信息，表现为波幅减小、频率降
22、低、相位和反射时间发生变化等，波形变得与原始发射波形有较大的差别，通过对这些改变了的波形进行处理分析，得到所需要的地下信息，建立地下介质的结构模型。 二、电磁波的传播规律 地质雷达是利用电磁波的发射和接收进行目标体的探测。 地质雷 达发射的电磁波为线极化平面波。电场强度与入射面垂直的平面波称为垂直极化平面波，而电场强度与入射面平行的平面波称为平行极化平面波。 电磁波在介质中传播，其规律满足麦克斯韦方程， 电场强度分量可用下面的关系式表示： kxx eEE 0 第二章 地质雷达技术理论基础知识 式中， Ex为传播距离 Z=x 处的电场强度； Eo为传播距离 Z=0 处的电场强度； k = +j
23、，为传播常数，其中 为衰减常数， 表示每单位距离衰减程度的常数 ； 为相移常数， 表示每单位距离落后的相位 。 112 22 112 22 式中， 为电磁波的角频率 ( =2 f， f 为电磁波中心频率 )； 为介质的磁导率； 为介质的电导率； 为介质的介电常数。 实际计算中，通常用相对磁导率（ r= / 0）和相对介电常数（ r= / 0）计算介质的衰减常数 和相移常数 。 rr 202002 2rr 202002 2式中， o=4 10-7H/m，为空气磁导率， o=1/36 10-9F/m，为空气介电常数。 1.在高阻介质中传播 电磁波在高阻介质中传播时，（ / o） 1： r 602
24、2811 以上两个公式表明，在高阻介质中，电磁波的衰减取决于电导率的大小，而与天线角频率无关。在高阻介质中，电磁波的传播速度 V 用下式表示： 第二章 地质雷达技术理论基础知识 CV 1 式中， C = 0.3m/ns。 2.在低阻介质中传播 电磁波在低阻介质中传播时（ / O） 1： 2 上面公式表明，衰减常数除与电导率成正比例关系外，还同电磁 波角频率有关。不同的电磁波频率，衰减常数变化，探测能力亦不同，在相同介质中，地质雷达天线频率越高，探测深度越小。 低阻介质中，电磁波的传播速度 V 用下式表示： 2V上面公式表明，在低阻介质中，电导率越大，电磁波速度越小。 三、电磁波的反射与接收 在
25、介质中传播的平面电磁波波，在遇到不同的波阻抗（ ）界面时将发生反射和透射，产生反射波和透射波。 垂直极化平面波的反射系数： niniR c o sc o s c o sc o s1212 平行极化平面波的反射系数： niniR c o sc o s c o sc o s2121/ 1.高阻介质 波阻抗公式如下式表示： 第二章 地质雷达技术理论基础知识 在垂直入射 情况下， i= n=0，则： 2121 R2112/ R公式表明，对于高阻介质，反射信号的大小主要取决于介质介电常数的差异。 2.在低阻介质 波阻抗公式如下式表示： 2在垂直入射 情况下， i= n=0，则： 2121 R2112/
26、R公式表明，对于低阻介质 ,反射信号的大小主要取决于介质电导率的差异。 地质雷达采集的是来自介质界面的反射波信号，如果介质十分单一均匀，则入射电磁波将继续向地下传播，没有明显的反射现象，从理论上说，接收不到反射信号。反之，介质组成成分、结构越复杂，介电常数或电导率差异越大，反射能量也越强，反射信号的信息也越丰富，通过分析其中包含的各种地质信息，可以充分了解介质的结构和成分。 四、地质雷达的适用条件和特点 地质雷达的解释可以简单归结为使用边界条件来求解麦克斯韦方程。如果准确了解 介质的物理特性即确定了边界条件，就可以通过解麦克斯韦方程来得到答案。 第二章 地质雷达技术理论基础知识 .介质的电特性
27、 介质的电特性决定了地质雷达是否适用及使用效果。在介质的诸多物性参数中，对地质雷达应用效果起决定作用的是介质的电导率 和介电常数 两个关键指标。其中，电导率决定了电磁波在该介质中的穿透深度，而介电常数则决定了电磁波在该介质中的传播速度，同时它还决定了两种不同介质的对比度 (即两个介质的界面是否有反射 )以及电磁波在介质中的“足印” (电磁波在介质中的覆盖范围 )。 水对上述两个参数的影响是非常大的，因此用雷达进行地质勘探时，含水量 会对探测结果有关键性的影响。 1.电导率的概念和作用 地质雷达技术是通过分析电磁场在地下介质中的分布和传播规律来研究介质内部结构的。电磁场由磁场 H 和电场 E 构
28、成，随时间变化。对地下介质来说，电场是影响雷达探测效果的主要因素。 当对介质施加电场时，就会使介质内的电荷移动而形成电流，其电流包括传导电流和位移电流，在任何一点，电磁波的电场、磁场和电磁波传播方向都是相互垂直的，见图 2.3。 图 2.3 电场、磁场和电磁波传播方向相互垂直 传导电流的定义为 ： Jc = E 式中 ， 是电导率 (单位： S/m)， = 1/ ( 为电阻率 ， 单位： m)。 传导电流的运动过程见图 2.4 第二章 地质雷达技术理论基础知识 图 2.4 传导电流的运动过程 电导率可以理解为一个物体传导电流的能力或电荷在介质中流动的难易程度。 如金属板内的电子、水中的电离子，
29、它们的移动都是非常容易的，因此金属板和水的电导率都很高；相反，在岩石和干燥的土壤中，电子几乎无法移动，它们的电导率就很低。因此，电磁波在介质中的穿透深度与介质的电导率有关，其穿透深度随电导率的增加而减小 (对金属物体来说，其穿透深度为 0，物理上称为“趋肤效应” )。如果 知道了介质的电导率，就可以推算电磁波在该介质中的穿透深度。在土壤中，电磁波的穿透深度和电导率的关系如图 2.5， 图 2.5 土壤中电磁波穿透深度和电导率的关系 另外，对土壤等介质来说，电导率和含水量有密切的关系。从图 2.6 可以看出，含水量达到一定比例后，电导率上升幅度下降，说明土体已经接近饱和或处于流塑状态。如果介质的
30、电导率太大，则电磁波的穿透深度非常有限，雷达方法就不再适用。 第二章 地质雷达技术理论基础知识 图 2.6 电导率和土壤含水量的关系 下面的两个雷 达剖面可以直观地看出电导率对雷达探测深度的影响。 图 2.7 低电导率介质雷达剖面 图 2.7 是低电导率土壤 (干燥石英沙 )中得到的雷达剖面，其数据质量非常好，深部信息丰富。 图 2.8 高电导率介质雷达剖面 图 2.8 是高电导率土壤 (潮湿粘土 )中得到的雷达剖面，信号的衰减非常强，没有深部信息。 一般地说 ， 低电导率条件 ( (10 7) S/m 是很好的雷达应用条件，如空气、干燥花岗岩、干燥石灰岩、混凝土等 ;(10 7) S/m (
31、10 2) S/m 为中等应用条件 ， 如纯水、冰、雪、砂、干粘土等 ； (10 7) S/m 为很差的应用条件，如湿粘土 、 湿的页岩 、 海水等。 下面的经验性结论可以为雷达方法的适用条件提供参考：当介质的电导率大于10mS/m(或电阻率小于 100 m)时，雷达方法就不再适用。 第二章 地质雷达技术理论基础知识 2.介电常数的概念和作用 电介质是电的绝缘体，它内部的自由电荷少到可以忽略的程度。由于分子内在力的约束，电介质分子中的带电粒子不能发生宏观的位移。然而在外电场的作用下，这些带电粒子仍然可以有微观的位移，即电介质可以被极化， e就表示电介质的极化率，它反映了电介质的性质。电介质中各
32、点的 e都相同，真空中 e=0，而除此 之外任何介质的 e 0。 物理学中，当电容器极板间充满电介质时，电容增大的倍数，叫做这种电介质的绝对介电常数，用 表示，单位是 F/m。对于各向同性的电介质，绝对介电常数只与反映该电介质性质的 E有关， 反映了处于电场中的 电 介质存储电荷的能力。 电容器极板间充满电介质时，电容增大到的倍数，叫做这种电介质的相对电介常数，用 r表示。 r由电介质的性质决定，表征电介质本身的特性， 表示将介质中电荷分开的力，在数值上等于电容器两极板间充满电介质时的电容和两极板间为真空时的电容之比，没有单位。 因此，相对 介电常数 定义为 r= / 0，其中， 是电介质的绝
33、对介电常数， 0是真空中的介电常数，数值约为 8.85 10-12F/m。 电磁波在介质中的传播速度完全由相对介电常数决定， 相对介电常数与含水量有密切的关系。 对大多数干燥的地下介质来说，其相对介电常数小于 10。纯水的相对介电常数为 81，空气的相对介电常数为 1。 图 2.9 是相对介电常数和含水量的关系曲线，可以看出，相对介电常数与含水量近似的成正比例关系。 图 2.9 相对介电常数和含水量 的关系 3.常见 介质的电导率、相对介电常数 和电磁波速度值 表 2.1 列出了常见 介质的电导率、相对介电常数和电磁波速度值，供参考。 第二章 地质雷达技术理论基础知识 表 2.1 常见介质的电
34、导率、相对介电常数和电磁波速度 介质 电导率 /(S/m) 相对介电常数 电磁波速度 /(m/us) 空气 0 1 300 干沥青 0.01 0.1 2 4 212 150 湿沥青 0.001 0.1 6 12 122 86 干粘土 0.1 1 2 6 212 122 湿粘土 0.1 1 5 40 134 47 干煤 0.001 0.01 3.5 160 湿煤 0.001 0.1 8 106 干混凝土 0.001 0.01 4 40 150 47 湿混凝土 0.01 0.1 10 20 95 67 淡水 10-6 0.01 81 33 淡水冰 10-4 10-3 4 150 干花岗岩 10-8
35、 10-6 5 134 湿花岗岩 0.001 0.01 7 113 干灰岩 10-4 10-3 7 113 湿灰岩 0.01 0.1 8 106 永久冻土 10-5 0.01 4 8 150 106 干结晶盐 10-4 0.01 4 7 150 113 干沙 10-7 0.001 2 6 212 122 湿沙 0.001 0.01 10 30 95 54 干砂岩 10-6 10-5 2 5 212 134 湿砂岩 10-4 0.01 5 10 134 95 海水 100 81 33 海水冰 0.01 0.1 4 8 150 106 干页岩 0.001 0.01 4 9 150 100 饱和页岩
36、 0.001 0.1 9 16 100 75 硬雪 10-6 10-5 6 12 122 86 粘性干土 0.01 0.1 4 10 150 95 粘性湿土 0。 001 1 10 30 95 54 干壤土 10-4 10-3 4 10 150 95 湿壤土 0.01 0.1 10 30 95 54 干沙土 10-4 0.01 4 10 150 95 湿沙土 0.01 0.1 10 30 95 54 .电磁波在介质中的传播方式 电磁波在地下介质的半无限空间中呈球面传播，应用惠更斯原理来描述电磁波的反射、折射和衍射，见图 2.10。 第二章 地质雷达技术理论基础知识 图 2.10 电磁波传播方式
37、 当雷达剖面垂直于地下管线走向 布置时，得到的管线图像是抛物线形。如图 2.11。 图 2.11 地下管线雷达图象示意图 雷达在探测时探测到的地下反射物，并不一定是在天线的正下方，在雷达探测的有效区域，如果地下有反射界面或反射体存在，雷达也会探测到。雷达的探测范围与相对介电常数有直接的关系。相对介电常数和“足印” (即探测的有效范围 )的关系为： a=4 +)1( d式中， 为相对介电常数， 为电磁波波长， d 为深度。 图 2.12 是雷达有效探测范围示意图，与极化方向垂直的方向上，范围 b=a/2。 第二章 地质雷达技术理论基础知识 图 2.12 雷达有效探测范围示意图 由此可见，用雷达探
38、测时得到信息并不仅仅是天线正下方物体的反射。 实际应用中，人们常常采用几何光学的原理来描述和计算电磁波，这样计算起来会比较方便。 第三节 地质雷达资料解释 一、地质雷达的探测图像 地质雷达的探测图像是雷达扫描道在屏幕上形成连续剖面，如图 2.13。 图 2.13 雷达测试剖面 剖面横坐标是测试距离，即探测剖面的地面位置；纵坐标是电磁波在介质中的双程走 时，是时间坐标，单位 ns。 图 2.14 是隧道检测中的一幅雷达图形，右侧是虚线处的一道扫描记录，图中标明了入射波和反射波的相位特征。由于混凝土的滤波作用，反射波频率略有降低。 第二章 地质雷达技术理论基础知识 图 2.14 雷达波形特征 雷达
39、图像有色阶显示和波形显示两种显示模式，色阶模式信息更丰富一些。 图 2.15 是同一幅图像的两种显示模式。 图 2.15 雷达图像显示模式 二、数据处理 雷达资料的解释过程就是通过对雷达剖面的分析解析，择取有用的地质信息。 数据处理的目的一是抑制随机的和有规律的干扰，最大限度地提高雷达图像剖面上的分辨能力，通过提取电磁回波的各种有用参数，来解释不同介质的物理特征。如基于不同频率的各种反褶积技术，确定性反演滤波、递归滤波、最小平方滤波和子波处理等。数据处理的另一目的是将数据元素重置以补偿由于来自不同方向的反射迭加产生的空间畸变，如偏移处理等。 数字分析处理是雷达剖面图像解译的关键步骤。 根据检测
40、目的，选择合理的数字处理方法，突出目的层。常用处理方法一般有 静校正、去直流、道均衡、道间平滑、反褶积、增益调节以及插值等，目的在于 以下几个方面： .取多次重复测量平均以抑制随机噪声； .取邻近不同位置的多 次测量平均以压低非目的体杂乱回波，改善背景； .自动时变增益或控制增益以补偿介质吸收和抑制杂波； .滤波处理或时频变换以除去高频杂波或突出目的体，降低背景噪声和余振影响； 第二章 地质雷达技术理论基础知识 .时域的一维、二维空间滤波； .做与目的体有关的三维处理等等。 雷达数据处理的一般步骤见图 2.16。 好效果不好参 数 修 正深 度 分 析计算介电常数希尔伯特变换数 字 滤 波 偏
41、 移文 件 编 辑输出成果图图形修饰注释图形分析编辑分 层 处 理反 褶 积数 据 处 理文 件 巡 视，预 处 理文 件 编 辑数 据 传 输数 据 采 集图 2.16 地质雷达数据资料处理流程图 三、拾取反射层 地质雷达资料的地质解释就是 通过对波形进行处理， 拾取反射层，识别各地质结构层的反射波组特征，主要判断依据 如下。 1.反射波组的相同性 只要地下介质中存在电性差异，就可以在雷达影像剖面中找到相应的反射波与之对应，同一个波组的相位特征，即波峰、波谷的位置沿测线基本上不变化或以缓慢的视速度传播，因此同一个反射体往往有一组光滑平行的同相轴与之对应。 2.反射波形的相似性 相邻记录道上同
42、一反射波组形态的主要特征保持不变。 3.反射波组形态特征 同一地层反射波组的波形、波幅、周期（频率）及其包络线形态等有一定特征，不同地层的反射波组形态将有差异。 4.地下介质电性及几何形态决定波组的形态特征 确定具有一定形态特征的反射波 组是反射层识别的基础，而反射波组的同相性和相似性为反射层的追踪提供了依据。 第二章 地质雷达技术理论基础知识 地质雷达工作频率高，在地质介质中以位移电流为主。因此，高频宽频带电磁波传播过程中很少频散，速度基本上由介质的介电性质决定。电磁波传播理论与弹性波的传播理论有许多相似之处，两者遵循同一形式的波动方程，只是波动方程中变量代表的物理意义不同。雷达波与地震波在
43、运动学上的相似性，可以在资料处理中加以利用。 四、判释图像，定量解释 根据反射层建立检测目标体的结构模型，判定目标体的性质，定量计算目标体的规模。 解释过程中，需要将时间剖面进行“时 深转换”，形成深度剖面。要得到探测物体的深度，必须知道电磁波在介质中的传播速度。 确定电磁波在介质中的传播速度的有以下几种方法： .直接测量介质介电特性，并计算速度（不常用）。 .用单稳态天线来测量、计算。 .用双稳态天线来测量、计算（ CDP 法）。 .根据已知点的深度计算速度：在剖面上确定一点，采用开挖、钻孔的方法或根据已知资料确定该点被探测目标体的深度（或厚度），然后用公式计算出速度，再用该速度计算整个剖面
44、的深度。 在隧道检测中 常用第 4 种方法。 图 2.17 隧道衬砌钻孔确定混凝土厚度 计算探 测目标体深度 (或厚度 )的计算公式为： 1h V t2 第四节 影响雷达测试精度的因素 地质雷达是依靠发射和接收宽频带、短脉冲的电磁波来进行检测，其精度的影响因素主第二章 地质雷达技术理论基础知识 要表现在以下几个方面。 一、高频特性 雷达发射电磁波的主频越高，其波长越短，因此它的空间分辨率越高。例如：采用 500MHz主频的天线进行探测，如果电磁波在某介质中的传播速度为 10cm/ns，其波长为 20cm，若取波长的八分之一作为其分辨率，那么从理论上说主频 500MHz 电磁波的分辨率为 2.5
45、cm。同样如果 采用 1000MHz 主频的天线进行探测，它的理论分辨率可以达到 1.25cm。 二、宽频特性 雷达发射电磁波的主频越宽，它的空间分辨率越高。在实际工作中，希望在空间域和时间域上，能够发射和接收单一脉冲的电磁波信号，从信号分析的理论可以知道，频率越宽，相应的空间和时间域上的信号越窄，越窄的信号具有越强的空间和时间上的分辨率。单一频率信号在空间和时间上表现为一种该频率的正旋或余旋等振幅的振荡信号，其在空间和时间上的分辨率几乎为零。 三、雷达测试的干扰因素 从上面分析可以知道，电磁波在介质中传播呈指数规律衰减。因此， 电磁波在介质中传播时，能量损耗很大。尤其深部反射的有效信号微弱，
46、微弱的信号极易受到干扰信号的影响。 雷达设备接受到的干扰信号主要有仪器内部干扰和外界干扰两种。 仪器内部干扰主要表现为天线盒震荡信号干扰、天线控制电路之间干扰、发射与接收天线的直接耦合干扰等。 仪器的内部干扰相对稳定，但是当气候发生变化时，其内部干扰也会产生不稳定的变化。首先主要表现为天线与发射器、接收器的阻抗的不匹配，在此间进行能量的反射，这种能量的发射不仅减小了天线的发射功率，同时在此间产生的振荡信号对有效波也是一种很大的干扰。其次表现为天 线尾部端的反射振荡干扰。 仪器的外界干扰主要有电线杆与电缆线干扰、通讯设施、大型机械设备启动干扰、天线在测量过程中的抖动干扰等等。 四、能量衰减 电磁
47、波在介质中的传播过程是极其复杂的。这种高频、宽频信号在介质中的传播是一种有损耗的传播过程，它的反射、透射等现象不仅与介质的导电率有关、还和介质的介电常数相关。 从电磁场理论可以知道，当电磁波在无限线性变化的导电介质中传播时，在电磁场的作用下，使导电介质中的自由电荷作宏观移动，激起传导电流，必然有一部分电磁能转换为焦第二章 地质雷达技术理论基础知识 耳热能，引起能量损耗，这种能量损耗除了与导电介 质的电磁性质相关外，还与电磁波的频率有密切关系。损耗使电磁场随传播距离衰减，使得离探测点远的目标引起的散射场很小，从而损失了信息；由于高频信号信息损失多，低频信号损失少，所以远处目标体散射的细节信息损失
48、较大，这就影响了对细节的分辨效果。 五、合成波速度带来的误差 高频、宽频信号在导电介质传播过程中存在频散现像，即不同频率成分的波，其传播速度不一样，因此深部的雷达反射信号不能凭借单一的频率信号来进行描述，必须用合成波波速度来描述，但这样做必然影响深部距离的判别精度。 六、隧道衬砌检测中雷达解释精度分析 隧道衬 砌检测必须采用屏蔽天线。仰拱混凝土厚度较大，一般在 1.5m 以上，需要选择中心频率 200MHz 以下的天线，拱部衬砌厚度一般小于 80cm，可以根据厚度选择中心频率在400MHz 1GHz 的天线。 隧道衬砌检测中，最关心的是混凝土的厚度和空洞的尺寸，表 2.2 中列出了使用不同频率时雷达
