探地雷达属性分析技术及其在隧道地质预报中的应用研究

摘要

目前西南岩溶地区高速公路处于快速发展阶段，许多隧道需要在复杂多变的地质条件下修建，然而隧道工程是一项隐蔽工程，在施工过程中会面临各种不同地质灾害。探地雷达具备采样快速、无损、操作简便、分辨率高等特点，作为一种有效的短距离地质预报手段，被广泛应用于隧道不良地质探测。本文在收集大量相关资料以及现场调研基础上，采用物理模型试验及数值分析等方法研究了典型岩溶不良地质探地雷达属性提取技术，并进行了典型岩溶不良地质探地雷达属性特征分析，研究成果有助于完善探地雷达岩溶隧道地质预报解译方法体系。本文主要研究内容如下:
　　(1)在广泛搜集已开挖岩溶隧道地质资料、分析总结常见岩溶不良地质体形态特点及充填物质类型基础上设计室内模型试验，通过物理模型试验模拟了岩溶地区隧道施工经常遇到的典型不良地质体，分别获得不同深度、不同尺寸、不同形状以及不同填充物质的探地雷达数据。
　　(2)引入基于属性分析的探地雷达信号解译技术，以物理模型试验数据为基础，分别分析了不同异常充填物时探地雷达探测剖面三瞬属性及反射波谱属性。研究结果表明:瞬时相位的分辨率最高，瞬时相位剖面图会在异常的位置表现为同相轴不连续，尤其当异常体为水时表现为相位反转180°;瞬时振幅特征随异常充填物和模型本身介质的相对介电常数的差异大小而变化，相对介电常数相差越大，表现越明显;瞬时频率特征表现不明显，可以辅助瞬时振幅特征进行目标识别;幅度谱能反映充填不同异常物时反射波的峰值特征及其与探地雷达天线主频值之间的差异;-3dB带宽的平均相位值有助于识别异常目标是否富水。
　　(3)为更好地刻画探地雷达信号时频局部特征，引入基于广义S变换的探地雷达信号时频分析方法，该方法可以通过改变时间域及频率域调节因子k、p值获取不同时间域或频率域分辨率的时频变换结果，为岩溶不良地质探地雷达信号特征分析提供一种新思路。
　　(4)以广西来马高速那黎二号隧道为工程依托，采用本文的方法对现场探测数据进行分析，取得了较好的应用效果，所提取的属性包括三瞬属性、频谱属性及时频属性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 选题依据及研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 探地雷达应用研究现状

1．2．2 探地雷达属性技术研究现状

1．2．3 探地雷达属性技术研究存在的问题

1．3 主要研究内容

第二章 探地雷达属性提取技术基本原理

2．1 引言

2．2 三瞬属性

2．3 频谱统计类属性

2．4 时频分布属性

2．5 本章小结

第三章 典型岩溶不良地质物理模型试验及探地雷达数据采集

3．1 引言

3．2 物理模型试验方案设计

3．2．1 模型试验材料选取

3．2．2 试验模型尺寸设计

3．2．3 试验模型异常目标体设计

3．3 试验模型浇筑方法及过程

3．4 模型的介电常数测定

3．5 试验工况设计

3．6 试验原始数据采集

3．6．1 试验设备介绍

3．6．2 仪器参数设置

3．6．3 不同充填物的探地雷达原始数据图像

3．7 本章小结

第四章 物理模型试验数据探地雷达属性特征分析

4．1 探地雷达信号预处理

4．1．1 常规处理方法

4．1．2 时间增益方法选取

4．2 三瞬属性剖面特征分析

4．2．1 三瞬属性提取过程

4．2．2 瞬时相位剖面

4．2．3 瞬时振幅剖面

4．2．4 瞬时频率剖面

4．3 频谱属性提取与分析

4．3．1 幅度谱特征

4．3．2 相位谱特征

4．4 基于广义S变换的时频分析

4．5 本章小结

第五章 GPR属性技术在隧道地质预报中的应用

5．1 那黎二号隧道工程概况

5．1．1 隧道设计概况

5．1．2 地形地貌

5．1．3 地层岩性

5．1．4 水文地质条件

5．1．5 地质构造

5．2 探地雷达探测结果及其属性特征分析

5．2．1 探测结果

5．2．2 三瞬属性剖面特征分析

5．2．3 谱属性特征分析

5．2．4 基于广义S变换的时频分析

5．3 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间参与的科研项目及已发表论文