地质雷达法超前预报在隧道施工中的应用研究-开题.docx

河北工业大学硕士学位论文开题报告

1、 研究的目的和意义
本文有以下主要研究内容及目的：
改革开放国策实施以来，我国经济快速发展，交通更是先行。目前，国家每年投资成百上千万修建高等级公路、铁路。在山岭重丘地区修建高等级公路、铁路，为缩短里程，改善线形及环境保护，常常需要开挖隧道。因此，公路隧道、铁路隧道在交通建设中的地位更加突出，公路、铁路隧道的建设规模也越来越大。在隧道施工中，由于前方地质情况不明，常遇到不良的地质因素，如断层、破碎带、溶洞、暗河等。这些地质因素不仅影响隧道的掘进速度，甚至会造成严重的工程事故，如塌方、泥石流和大涌水等毁灭性地质灾害。由于隧道施工前的工程地质勘查结果在精度和可靠性上都难以满足施工的要求。据有关资料统计，隧道在掘进中所遇到的断层等地质现象比地面测绘时所遇到的要多得多。一般地面测绘所遇到的这类地质现象仅为地下开挖时所遇到的1％～9％，因而隧道施工的危险性很大。若能准确地在隧道掘进中提前了解掌子面前方岩性结构的变化情况，如预报掘进前方是否有断层、破碎带、溶洞等不良地质构造，这些构造的几何形态如何，规模的大小，根据所掌握到的这些地质构造情况，可及时合理地安排掘进进度、修正施工方案、安排防护措施、避免险情发生。
多年来，隧道工程师一直希望寻求一种简单可行的办法来探明隧道的施工质量和隧道前方的地质情况，但都因为施工干扰大、时效性差、费用昂贵等诸多不利I因素丽不受施工现场欢迎。近年来，随着科学技术的进步，地质雷达技术被应用于隧道工程的地质超前预报中，它具有速度快、成本低及分辨率高等特点，因此具有广泛的应用前景。
地质雷达与通讯雷达一样，它是利用高频电磁波脉冲信号的反射来探测隧道前方地质情况的，由于岩土介质比空气具有更强的电磁波衰减特性，加之地质介质的多样性，电磁波在岩土层中的传播规律比空气中要复杂的多。尽管如此，随着技术的进步和实践经验的积累，地质雷达在隧道的质量检测和超前预报中，仍取得了良好的效果。
2、国内外研究现状
国内外地质雷达技术的发展概述：
1）国外地质雷达技术的研究：
虽然地质雷达技术在20世纪末期才得到快速发展，但用雷达探测地下目标的历史可追溯到20世纪初期。1904年，德国人Hulsemeyer首次尝试用电磁波信号来探测远距离地面金属体，这是地质雷达的雏形。地质雷达概念的提出是在1910年，当时，Lctmbach和L提出了地质雷达的概念。其后，Lctmbach等人又用两分离天线在地表进行发射与接收来探测地下水和矿层，并通过地下反射波与地表泄漏的直达波之间的干涉进行地下目标的深度判别，他们探测地下目标采用连续的电磁波，利用了导电媒质对电磁波的衰减与反射特性。
一般认为，第一个提出应用脉冲技术确定地下结构思路的人是德国的Hfilscnbcch，他于1926年指出，电磁波在介电常数不同的介质交界面上会产生反射，这个结论也成为了地质雷达研究领域的一条基本理论根据。其后50年用脉冲技术探测地下目标得到了广泛的发展，但地质雷达的初期应用仅限于对电磁波吸收很弱的冰层、岩盐等介质中。
70年代以来，随着电子技术的发展以及现代数据处理技术的广泛应用，地质雷达的应用范围迅速扩大，国外开始出现各种形式的试验性地质雷达，美、日、加拿大等国有几家公司还相继推出了自己的产品。这些雷达所使用的中心工作频率在10—1000MHz范围，时窗在0—20000ns，探测深度可达40～80多米，分辨率达厘米级，深度符合率小于±5厘米。就应用范围而言，这些地质雷达系统包括地砸用，钻孔用和航空用：就雷达系统天线利用方式而言，有单基、双基和多基系统，三维GPR系统仍处于研制阶段。地质雷达具有探测速度快、非接触、非破坏性探测、分辨率高、可直接获得地下剖面图、可进行资料的实时成像处理、经济方便等优点，有着广泛的应用前景，得到了较广泛的关注。许多国家都投入了大量的人力、物力进行地质雷达的研制和实验工作。
2）在国内地质雷达技术的研究：
在我国，地质雷达的研究始于七十年代初期，西安交通大学、电子部二十二所、成都电子科技大学、北京邮电大学等单位先后开展了地质雷达的研制工作，这些雷达由于种种原因没有得到广泛应用。近几年来，一些高校和研究单位相继引进国外的仪器，在理论上作了一些研究。虽然我国的地质雷达研究起步较晚，但是由于我们及时引进和借鉴了国外的先进技术，近些年来在该领域也取得了较为突出的成果，许多单位推出了自己的地质雷达样机。但由于种种原因，研究成果同样未能得到广泛应用。近几年来，地震局、铁道设计部门、黄委会以及中国地质大学等一些高校和研究所相继引进日本、美国和加拿大等国的设备，在地质雷达技术的理论和应用研究中作了大量工作。
当前地质雷达的研究趋势不在于多用途多目标类型的系统，而是在于高性能的专用设备。因为地层介质特性的复杂性和不同目标体具有的不同反射特性，地质雷达很难做到单机多用，要想获得高性能，地质雷达只能是专机专用。
3）地质雷达的应用现状：
地质雷达作为一种高分辨率探测技术，可以对深浅地质问题进行详细填图和对地下目标体进行无损探测等。自80年代末以来，地质雷达的应用领域得到了进一步扩大。目前，它已应用到各行各业中，如采矿工程、水利水电工程、地质工程与岩土工程勘察、建筑工程、公路工程、隧道工程、管线工程、环境工程、
考古等等。
在工程建设与维护过程中，地质雷达可用于各种工程质量与隐患的探测，为工程安全、设计、施工以及工程质量提供科学依据。在矿山工程中，地质雷达可用于探测采空区，地下水防突层厚度，渗水裂隙，破碎带，断层，溶洞，自燃区，瓦斯突出，巷道围岩(扰动区)松动圈以及采场充填体缺陷等工程灾害隐患。地质雷达在澳大利亚矿山中应用较多，A．F．Siggins就应用地质雷达探测井下岩层裂隙灾害隐患。美国George A．McMechan等人在德克萨斯州中部Ellenburger白云石矿采用地质雷达探测坍塌的废空区。南非采矿业五年多的实践证明，地质雷达可广泛用于岩层定量研究，包括描述断层和岩脉、绘制裂隙图、确定剪应力区和深部风化作用，以及描述不同岩性的岩体接触面。
国内也有不少研究人员从事这方面的科研工作，其中在煤矿中应用地质雷达技术起步较早，迄今，地质雷达已成功用于探测煤矿井下的地质构造和瓦斯构造。在水利水电工程中，地质雷达主要用于探测堤坝工程灾害隐患和坝基灾害调查。瑞典乌普萨拉大学Seje Carlsten应用地质雷达探测堤坝内部散浸灾害隐患。国内，大量研究成果表明，地质雷达可成功应用于江岸边坡塌陷调查，坝基勘察与灾害调查，堤身裂缝、动物洞穴(如白蚁穴)、堤坝体“散浸”、堤坝滑塌、“老口门”等堤坝灾害隐患探测。
在地质工程与岩土工程勘察中，地质雷达主要用于建筑物地基勘察、滑坡灾害调查、基岩面探测、地基夯实加固检测、溶洞灾害探测、土壤信息测定与评价、地质结构灾害和地下水灾害隐患探测以及地质灾害评估。国内，在这方面的研究，主要侧重于现场工程灾害探测，以求解决具体问题。国外学者在研究灾害探测的同时，还注重对灾害进行评估分析。
在建筑工程中，地质雷达主要用于建筑地基调查、建筑原材料及混凝土构件无损检测、挡土墙厚度探测、保护性建筑结构加固检测。在公路工程中，地质雷达主要用于公路路面厚度检测、公路路面密实度、路基勘察、公路路面与路基病害调查。在隧道工程中，地质雷达主要用于隧道质量检测、隧道病害诊断、隧道掘进超前灾害探测与预报。法国80年代中期就开始采用地质雷达检测公路隧道，瑞士的Petr Holub等人1994年使用地质雷达检测水工隧道质量。90年代后期，我国学者李大心、牛一雄、薛建、邓居智、李伟和、李修忠、刘敦文等人相继，将地质雷达技术应用到公路建设中，取得了良好的测试效果。
3、 研究内容与方法：
本课题的主要研究内容：
1)系统总结隧道超前地质预报方法中的各种探测手段，侧重于各种手段的范围及其探测方法。突出地质雷达近几年来在工程实践中的地位。
2）系统的研究国内外地质雷达法在超前预测中的应用现状及发展情况的概述。
3)阐述地质雷达进行地质探测的基本理论，包括地质雷达探测的数据采集技术、数据处理技术及数据解释技术等。
4)阐述雷达波的传播、反射、折射、透射与散射绕射等规律。通过对岩土介电特性分析，分析雷达波在不同岩层中的传播与衰减投律。对雷达脉冲波在岩土介质中传播与衰减规律进行分析，总结出不同不良地质体在雷达图像中的显现特征。为了说明应用地质雷达进行隧道工程地质探测是切实可行的。
5）根据地质雷达法超前探测，根据其反射回波幅度，波形组合特征及掌子面观测描述等综合划分围岩级别及预报。
6）以柳州至南宁客运专线和新建南宁至黎塘铁路的三新村一号隧道为例，总结出检测里程段段拱顶、左边墙、右边墙、左拱腰、右拱腰、仰拱衬砌背后回填情况。地质雷达检测图像显示钢筋、钢拱架分布情况。围岩中溶洞、断层、富水带、裂隙密集不良地质体在地质雷达图像中的显现特征，以及雷达图像的处理与识别方法，根据不良地质体的分布与规模，对隧道围岩类别进行动态划分，并将探测结果与勘察设计、工程实际进行对比；并对围岩类别的划分及对衬砌质量的实际情况经过开挖验证作对比。看地质雷达法超前预测对柳州至南宁客运专线和新建南宁至黎塘铁路中的三新村一号隧道的探测是否是成功的。
目的：经过以上分析说明地质雷达法无论在理论上还是在实际应用中都是可行的。

本文拟解决的关键技术是如何通过理论分析和工程实例来进行研究地质雷达法超前地质预测的可行性。其中理论分析可以通过针对隧道开挖施工中经常遇到的地质灾害。结合地质雷达的工作性能，从麦克斯韦电磁理论出发，由电磁波传播、反射、折射理论和地球物理理论两方面入手，说明应用地质雷达进行隧道工程超前地质探测是切实可行的。
工程实例分析可以由州至南宁客运专线和新建南宁至黎塘铁路中的三新村一号隧道的探测来进行验证地质雷达法超前地质预测的实用性。并且可以通过其它方法，比如地质雷达测后处理系统的研究，对地质雷达做相应改进，应用到实际工程中去，以提高地质雷达的探测精度，提高工作效率实现隧道的信息化施工水平。

遇到的问题及对策：
在施工过程中如何使用地质雷达测后处理系统，以及如何完成地质雷达测后处理系统的建模研究。影响地质雷达超前预报的因素很多，如影响探测深度，分辨率以及精度等，如何提高它们是研究的重点。由于地质雷达法是一种比较先进的地球物理方法，由已知条件推断未知情况的方法。因此要在对掌子面前方做地质雷达超前研究预报之前，应该搜集前期的工程地质勘察资料，对掌子面前方的地质情况有个基本的认识，从而可以对地质雷达剖面图上的异常情况做出合理的推理。由于隧道穿越的地质条件复杂，很难设计出相应的物理模型对其进行模拟，因此只能在预报过程中对预报结果不断的进行验证积累经验，提高预报的准确率。
4 研究计划进度
2011年9月 —2011年10月：看完文献综述报告，在阅读规定文献量50篇以上,其中外文文献占40%以上，此外着重阐述该研究课题国内外的研究现状及发展动态,同时介绍查阅文献的范围以及查阅方式、手段。
2011年10月—2011年12月：完成论文开题报告以及论文开题报告评审表。完成论文的开题，包括学术构思、研究方法、关键技术、技术路线、实施方案、可行性分析、研究中可能遇到的难点、解决的方法和措施以及预期目标。拟采用的实验手段,所需科研和实验条件,估计课题工作量 和所需经费,为论文的研究做好准备。
2011年12月—2012年6月：完成对地质雷达法超前地质预测的工程实例的实测质料，并对其 中遇到的问题作定性分析。完成论文中期报告和论文中期报告评审表。
2012年6月 —2012年10月：完成论文的大部分工作。经导师指导，认真研究修改使论文更加完善。
2012年6月 —2012年10月：完成学位申请与评定书，通过论文评审意见书，再对论文作修改，争取论文更优秀。
2012年6月 —2012年10月：对论文作细致修改为论文答辩做准备。之后就投入精力进入论文答辩工作中去，争取使论文答辩做的完美
5 主要参考文献 （12条）
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