城市地下空间探测及成像技术.ppt

电磁方法一：探地雷达技术同济大学海洋与地球科学学院 School of Ocean & Earth Sciences, Tongji University12提 纲• 雷达探测基本原理 • 仪器介绍 • 野外数据采集 • 图像数字处理技术 • 工程应用3一、雷达探测基本原理4高频电磁波以宽频带短脉冲形式，通过发射天线被定向送入地下，经存在电性差异的地下地层或目标体反射后返回地面，由接收天线所接收由于地下介质往往具有不同的物理特性，如介质的介电性、导电性及导磁性差异，因而对电磁波具有不同的波阻抗，进入地下的电磁波在穿过地下障碍物（地层分界面、管线等目标体）时，由于界面两侧的波阻抗不同，电磁波在介质的界面上会发生反射和折射，反射回地面的电磁波脉冲其传播路径、电磁波场强度与波形将随所通过介质的电性质及几何形态而变化，因此，从接收到的雷达反射回波走时、幅度及波形资料，可以推断地下障碍物（地层分界面、管线等目标体）的埋深与类型5沿着地表面，发射天线向地表以下发 射电磁波，当电磁波遇到介电性质变 化的物体时，将产生部分反射波，而 接收天线可以接收来自地下目标体的 反射波，以等步长移动天线，重复电 磁波发射接收过程，可以获得雷达探 测剖面图。

67与其它物探方法相比，探地雷达方法有如下的特点：1．高分辨率——探地雷达的工作频率可高达5000MHz，分辨率可 达数厘米；2．无损性——探地雷达技术是一种非破损性的探测技术它通 过在地表向地下或目标体发射高频电磁波，处理分析回波信号来 达到探测目的对地表和目标体没有任何损害；3．高效率——探地雷达仪器轻便，从数据采集到处理成像一体 化，人员少，因而效率高；4．抗干扰能力强——探地雷达可在各种环境下工作；5. 探测深度大，50MHz天线在江苏宜兴探测到80m深的石灰岩溶 洞 8910111213二、雷达仪器主要类型14• 加拿大Sensor & Software Inc., EKKO (Noggin) 系列 • 美国GSSI，SIR系列 • 瑞典Mala Geoscience Inc., RAMAC系列 • 意大利IDS, RIS系列15EKKO 系列1617SIR3000型（最新）匹配天线SIR 系列183207型5103型5100型NextGSSI自行生产的天线19Subecho 70型屏蔽天线900型屏蔽Subecho 200型Radarteam定制的天线2021X3M型RAMAC系列匹配天线22屏蔽天线100型非屏蔽天线100型非屏蔽天线200型23RIS-2K/ME 型（多道）IDS RIS系列RIS-2K/0型 （单道）24中国电波传播研究所 LTD系列探地雷达25北京爱迪尔公司的CBS-9000型 地质雷达及天线26三、野外数据采集27282930313233分辨率的问题分辨率是方法分辨最小异常体的能力。

分辨率 可分为垂向分辨率与横向分辨率1 垂向分辨率λ／4作为垂直分辨率的下限 2 横向分辨率第一菲湿耳带的直径（ ） 341 剖面法（反射观测方式） 2 多次覆盖观测方式 3 透射法 4 宽角法（共深点法，CDP）用于求取表层土的电磁波传播速度3536柱 墙 楼板发射天线接收天线37地面地面383. 采集参数的优选 直接影响探测图像质量的好坏，天线频率、收发距、时窗、 采样率、测点点距等 3.1 天线频率 （兼顾探测深度、目标体大小、分辨率要求）3.2 天线分离距393.3 天线极化方向 （偶极天线，优选极化方向，天线剖面垂直于目标体走向的 原则）垂直垂射4041关于天线分离距及其天线排列方向的现场试验42430.8m0.4m1.6m44四、图像的数字处理技术探地雷达数字处理的目标是压制干扰波，以最大可能的分辨率在探地雷达图像剖面上显示目标体反射波，提取反射波的各种有用参数（包括电磁波速、振幅、相位和频率等）以帮助地质解释45数字记录的探地雷达数据类似于反射地 震数据，反射地震数字处理许多有效技 术通过某种形式改变均可以应用于探地 雷达资料的处理 46•常规的数字处理方法：预处理：点平均、道平均等数字滤波，低通、高通及带通、中值波波等增益调节：AGC、SEG、Const偏移处理：以射线理论为基础的偏移归位方法波动方程偏移多次叠加技术•特殊的数据处理方法：复信号分析：瞬时相位、瞬时振幅、瞬时频率其它一些非线性技术的应用，如分形技术•发展方向：图像的三维可视化、智能解释功能 47五、工程应用48（１）探地雷达在高层建筑地基基础施工中的应用 （２）探地雷达在市政管线探测中的应用 （３）探地雷达在高速公路和机场跑道工程施工中的应用 （４）探地雷达在地铁和隧道检测中的应用 （５）探地雷达在混凝土质量评估中的应用 （６）探地雷达在防治地质灾害方面的应用（７）探地雷达在军事与安全方面的应用 （８）探地雷达在其他方面的应用１．地下水研究２．考古调查３．古河道探测４．土壤调查５．环境评估调查 49（１）探地雷达在建筑地基基础施工中的应用采用探地雷达仪对建筑场地进行探测，了解场地内的土层分层、基岩顶面埋深，以及查明是否存在大的溶 洞和岩溶破碎带等对高层建筑产生隐患的不良地质体，从而为桩基设计和施工提供依据。

501.青岛中银大厦基岩探测 雷达探测使该工程节约投资近三千万元建成后的大厦图片512. 某地区路面基岩破碎带的探测及解释成果 Fracture zoneRockSoilFilled soils路面下的一些基岩破碎带 被探测出来了523. 某地区地层分层雷达探测倾斜地层；在测线70米范围内地层层顶标高变化非常大，仅靠钻孔无法确定 534. 马来西亚基岩面探测工程（I）(石灰岩基底)5455石灰岩顶面的雷达探测图像，整条测线范围 内石灰岩顶面起伏较大非常大石灰岩顶面破碎带56石灰岩顶面的雷达探测图像，整条测线范围 内石灰岩顶面起伏较大非常大石灰岩顶面破碎带5758探测区域 内的石灰 岩顶面等 值线成果 图59探测区域内的石灰岩顶面三维效果图6061编编号用桩详桩详情(m)最终压桩终压桩 力（Tons）备备注TP112+6+6+6 383断于16m处处TP212+6 400断于10m处处TP312+9+9+9+9+6+6 87未稳稳定TP49 226断于3.2m处处TP56400成功TP66400成功TP712313断于4.5m处处TP8--无效，因桩桩身侧侧滑而拉出TP912174断于4.5m处处*数据由Structure engineering consultants SDN BHD提供。

62636465（２）探地雷达在市政管线探测中的应用利用探地雷达可对市政公用管道进行准确地定位、定深，包括金属及管道、非金属管道及电缆等结合管线探测仪，可获得某一区域范围的地下管网分布数据开发地下管网信息管理系统以适应现代电子化、自动化办公的要求，为整个城市的地下管线管理工作实现现代化管理提供支持和服务 666768上海地区地下管线雷达探测图象69地下管线雷达探测结果与实际结果比较70上海某立交桩基工程遇到向浦东国际机场 的航空输油管，基桩设计中心间距1.8m， 要求探测精度小于30cm采用雷达探测与 管线仪相互配合，对该油管进行了精确定 位，桩基施工安全完成平面走向纵向断面71727374（３）探地雷达在高速公路和机场跑道工程施工中的应用利用探地雷达可对道路路面质量及路基隐患进行准确探测，包括面层厚度、沥青/混凝土的分层、混凝土中/下的空洞等 75761. 路面厚度检测Top of grade0.5m上海－南京高速公路的路面铺层厚度雷达检测剖面77Pavement surfaceTop of base layerTop of 2nd base layerTop of gradeRoad collapse areaBottom of asphalt fill layer2. 路面质量检测上海－南京高速公路的路面质量雷达检测剖面。

78长春－四平高速公路的路面质量雷达检测剖面79长春－四平高速公路的路面质量 雷达检测剖面80（４）探地雷达在地铁和隧道检测中的应用在隧道施工过程中，由于掘进前方可能存在的潜在的障碍物（地 下暗河、大型溶洞、流砂层等），可能会导致突发性涌水涌泥、隧道 塌坍等灾害利用探地雷达进行隧道施工的超前障碍物预报可避免此 类灾害的发生同时，若采用冻结工法施工，冻结壁厚的判定也是影响施工安全 的一个重要因素隧道管片壁后注浆效果的检查包括衬砌厚度、衬砌后空洞、 松散和密实度、衬砌中裂隙分布、含水分布情况，以及衬砌中钢筋及 钢拱架的分布等)也是隧道施工质量中的一项重要环节81我国西部某隧道含水孔洞雷达探测图象1. 超前预报82隧道掘进前方大型油罐雷达探测图像83防空洞雷达探测图象8485冻 土非冻土冻 土 边 界天线开挖 工作面3PR测线 3PL测线3Wall测线2. 冻结壁边界探测上海复兴东路双层隧道联络通道 冻结壁雷达探测示意图86冻结壁边界冻结壁雷达探测示意图873. 壁后注浆效果探测上海大连路隧道注浆效果雷达探测示意8889注浆效果雷达探测图象90我国西部某公路隧道 衬砌质量雷达探测图象91（５）探地雷达在混凝土质量评估中的应用探地雷达可用于检测混凝土的质量，雷达探测图象可反映出混凝土内部钢筋的数量及分布，并可了解其内部是否存在裂隙。

92上海某大楼底板裂缝雷达探测图象（贯穿缝）1. 混凝土底板裂缝探测93（内部裂缝）942. 混凝土板内部钢筋成像大连某仓库楼板钢筋雷达检测图象95969798上海化工区99100底板裂缝101102103（６）探地雷达在防治地质灾害方面的应用利用探地雷达可以划分出由地质灾害所造成的土体扰动区域、地层沉陷、地裂缝，以及滑坡面等，可为制订补救、修复方案提供准确的数据1041. 土体扰动区域划分上海某基坑开挖造成临近土体的扰动1052. 岩层裂缝探测南京某军用隧洞围岩裂缝雷达探测图象1063. 地下连续墙倒塌面探测上海人民广场地铁站连续墙倒塌面雷达探测图象1074. 滑坡面探测上海某公园假山滑坡面雷达探测图象108（７）探地雷达在军事与安全方面的应用109110111112（８）探地雷达在其他方面的应用探地雷达在其它方面也有着十分广泛的应用，比如在地下水研究方面，可对深部的清洁地下水进行定位、确定地下水的流动方向；在考古方面，可以定位地下深部的古结构体、墓穴、古河道等；还可应用于土壤地质结构调查，监控地下渗漏污染等方面1131. 地下水调查某地区地下潜水面的雷达 探测及解释成果图象1141151162. 暗浜调查上海某区域暗浜雷达调查图象1173. 考古应用1181191201211224.土壤调查北方某地区地震低速带划分雷达探测图象1235. 地下污染监控某地区废油池渗漏雷达检测图象1246. 垃圾填埋区域探测上海某垃圾填埋场雷达探测图象1251265.寒区冰层调查127128129四 成功应用的关键要素数据的采集数据的处理解释分析1301000V发射机5000V发射机1311000V发射机5000V发射机132•常规的数字处理方法：预处理：点平均、道平均等数字滤波，低通、高通及带通、中值波波等增益调节：AGC、SEG、Const偏移处理：多次叠加技术133特殊的数据处理方法：复信号分析基于小波分析基础的滤波方法成果的三维可视化智能识别解释基于Maxwell方程的基准面延拓研究超吸收边界的正演模拟研究联合反演研究134135。