淺談特征道頻率分析在公路隧道地質雷達超前預報中的應用

■胡學維

（北京環(huán)安工程檢測有限責任公司北京100011）

淺談特征道頻率分析在公路隧道地質雷達超前預報中的應用

■胡學維

（北京環(huán)安工程檢測有限責任公司北京100011）

本文提出的地質雷達超前預報特征道頻率分析的數(shù)據(jù)處理方法，在張家口某高速公路隧道地質預報中得到了應用。預報結果表明，該方法在地質雷達超前預報數(shù)據(jù)分析中是可行的，相比較于傳統(tǒng)的分析法具有較好的補充意義。

公路隧道 地質雷達 超前預報 特征道 頻率分析 數(shù)據(jù)處理

1 引言

地質雷達預報法是目前隧道施工中常用的預報方法之一，對施工提早獲知掌子面前方地質條件，提前采取有針對性的防范措施具有十分重要的指導意義。其中，對雷達探測數(shù)據(jù)的分析處理的精度又決定了預報結果的準確性。目前，常用的數(shù)據(jù)分析方法主要以全斷面時域分析和頻率域分析等定性分析為主，受分析人員的理論水平、工程經驗及判讀習慣影響較大，預報精度受到一定程度的限制。

本文以雷達數(shù)據(jù)的頻率域分析方法為基礎，提出了一種對雷達探測數(shù)據(jù)特征道頻率分析方法，通過對掌子面前方同一深度不同部位（將掌子面從左至右分為左側、中部、右側三個部位）及同一部位不同深度的頻率進行分析，以期全面了解掌子面前方圍巖的地質情況及其變化過程。

2 地質雷達工作原理

探地雷達是根據(jù)電磁波在介質中的傳播特性進行工作的，是利用設備自行發(fā)射并接收來自被探測物體的反射電磁波實現(xiàn)探測目的的。電磁波在介質中傳播時，其路徑、電磁場強度與波形將隨通過介質的電性及幾何形態(tài)而變化。因此，根據(jù)接收到波的旅行時間（亦稱雙程走時）、幅度及波形等資料，可探測介質的結構、構造等。

探地雷達由發(fā)射天線（T）發(fā)出寬頻帶短脈沖電磁波，其主頻為數(shù)百兆赫至幾赫波段，經地下電性不均勻體反射后，由接收天線（R）接收反射信號，所得記錄為時間域脈沖信號。

3 分析流程

3.1 雷達信號預處理

在地質雷達探測中，為了得到更多的反射波特征，通常利用寬頻帶進行記錄，因此在記錄到各種有效波的同時，不可避免地記錄下了許多干擾噪聲。通過對數(shù)據(jù)預處理，達到消除或壓制干擾波，突出有效波，真實反映所測數(shù)據(jù)，進行有效解釋的目的，常規(guī)信號處理包括：漂移去除、零線設定、背景去噪、增益、濾波等。

3.2 雷達特征道頻率分析

我們知道松散介質和地下水對電磁波信號中的中高頻成分有較強的吸收能力，所以在地質雷達超前預報過程中，隧道圍巖完整性下降、風化程度增高、含水率增大等必然引起雷達信號中低頻含量的相應增高。因此，分析雷達信號中的低頻信號的含量可間接了解隧道圍巖地質條件的變化情況。特征道頻率分析的主要目的就是求取特征道（需有廣泛代表性）雷達信號中的低頻含量，根據(jù)其變化情況推斷隧道圍巖地質條件的變化情況。

100MHz屏蔽天線其頻率帶寬度為30～300MHz，本文在做數(shù)據(jù)分析時將雷達信號按頻率0～30和>30MHz分成低頻和中高頻兩個區(qū)間。工程實踐表明：低頻含量在10%以內，說明地質情況與掌子面相似，無太大變化；低頻含量在10%～20%范圍內，圍巖完整性有輕微變差的趨勢，局部需加強支護；低頻含量在20%～30%范圍內，圍巖完整性有明顯變差的趨勢，需整體加強支護；低頻含量大于30%，說明圍巖完整性急劇變差或地下水含量明顯升高，需調整圍巖級別及支護參數(shù)。數(shù)據(jù)分析具體流程包括：特征數(shù)據(jù)道選取、低頻含量分析、功率譜特征曲線判讀等

3.3 工程實例

張家口某高速公路隧道，為分離式特長隧道，左幅單線長度6890m，右幅長6798m，區(qū)內隧道圍巖巖性以中粒-粗粒狀花崗巖及花崗閃長巖為主，小型地質構造復雜，地下水發(fā)育。圖1為右線出口K52+268掌子面處雷達圖像及地質素描圖，該掌子面處隧道圍巖為強-弱風化花崗閃長巖，節(jié)理裂隙發(fā)育，風化物充填，巖體多呈塊狀鑲嵌結構，局部碎塊狀，有滴水現(xiàn)象，掌子面左側見一條寬約1.5m左右的風化槽，風化物充填。

圖1 隧道右線K52+268處雷達圖像及地質素描圖

圖2 第1000數(shù)據(jù)道功率譜曲線圖

掌子面中部及右側低頻含量統(tǒng)計方式與表1相同，統(tǒng)計結果如表2所示：

表2 掌子面中部及右側低頻含量統(tǒng)計表

從表1-表2中的數(shù)據(jù)可知，掌子面中部及右側低頻含量總體變化不大，均在10%以內，推斷K52+268～K52+248右側及中部與K52+268處掌子面圍巖完整性及風化程度相似，巖體呈塊狀鑲嵌結構，地下不發(fā)育，風化程度一般；而掌子面左側0-300ns（即K52+268 ～K52+253）低頻含量變化亦不明顯，均在10%以內，推斷巖體完整性與掌子面相似 ，300-400ns（K52+253 ～K52+248）低頻含量急劇增高，但功率譜曲線圖上地下水特征不明顯，故推斷該段巖體內風化程度高，局部全風化，巖體極破碎，易坍塌，地下水不發(fā)育，建議該段圍巖級別由Ⅳ級調整為Ⅴ。后經開挖驗證，掌子面K52+254處左側出現(xiàn)一寬約5米左右的全風化條帶，其內充填大量風化砂及粘土，與預報結果吻合。

4 結語

工程實踐證明，對地質雷達超前預報數(shù)據(jù)進行特征道頻率分析預報巖體完整性和含水性是可行的。

通過地質雷達預報成果與開挖揭露地質情況綜合對比，特征道頻率分析方法對巖體中存在的不良地質體、地下水及圍巖類別預報判定準確度較高?？梢越o隧道施工提供針對性具有指導意義的結論與建議，減少工程中因圍巖條件變化而帶來的災害性事故。

（1）崔阿禮、劉康和，探地雷達技術在巖溶探測中的應用，地球科學與環(huán)境學報，2008，02-0197-03

（2）鄧居智，莫撼，劉慶成，探地雷達在巖溶探測中的應用，物探與化探，2001，12：474-476

P5[文獻碼]B

1000-405X（2016）-5-170-2