用于隧道施工超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的探地雷達(dá)噪聲分析

何冰天郭秀軍，2邵 帥任廣欣

（1.中國(guó)海洋大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，266100，青島；2.海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，266100，青島∥第一作者，碩士研究生）

用于隧道施工超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的探地雷達(dá)噪聲分析

何冰天1郭秀軍1，2邵 帥1任廣欣1

（1.中國(guó)海洋大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，266100，青島；2.海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，266100，青島∥第一作者，碩士研究生）

探地雷達(dá)（Gp R）是當(dāng)前進(jìn)行隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的主要方法。探測(cè)過(guò)程中隧道金屬格柵及現(xiàn)場(chǎng)施工機(jī)械將對(duì)Gp R探測(cè)信號(hào)產(chǎn)生嚴(yán)重干擾，甚至完全壓制有效信號(hào)。為確定干擾信號(hào)特征，探索提高信噪比的方法，基于隧道內(nèi)GpR探測(cè)干擾源分析，利用正演模擬和實(shí)測(cè)資料分析方法研究干擾信號(hào)特征。結(jié)果表明，隧道拱頂鋼架干擾波呈反向繞射弧分布，施工機(jī)械干擾則表現(xiàn)為弧狀多次波，側(cè)壁干擾信號(hào)能力強(qiáng)且多次反射現(xiàn)象嚴(yán)重，甚至將有效信號(hào)完全壓制。傳統(tǒng)的低通、高通、帶通等濾波手段并不能壓制這些干擾信號(hào)。垂向布線方式則能最大限度避開(kāi)干擾信號(hào)，獲得理想剖面。研究成果有助于獲取信噪比高的GpR探測(cè)剖面，以準(zhǔn)確分析剖面異常、提高解譯準(zhǔn)確率。

地鐵隧道施工；超前地質(zhì)預(yù)報(bào)；探地雷達(dá)；噪聲分析

First-author＇s address College of Environmental Science and Engineering，Ocean University of China，266100，Qingdao，China

作為一種確定有耗介質(zhì)空間分布的精確探測(cè)技術(shù)，探地雷達(dá)（Gp R）技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于隧道施工超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中，成為技術(shù)規(guī)程限定采用的方法［1］。在復(fù)雜的隧道探測(cè)環(huán)境中，Gp R有效信號(hào)常受到非固定源（如施工臺(tái)車(chē)、挖掘機(jī)、其它機(jī)械設(shè)備及用電設(shè)備等）及固定源（如封閉的隧道空間結(jié)構(gòu)、掌子面上方支護(hù)鋼拱、超前導(dǎo)管等）干擾信號(hào)的影響，使采集剖面信噪比降低、地質(zhì)解譯難度增加。某些工況條件下有效信號(hào)甚至?xí)桓蓴_信號(hào)完全覆蓋，造成誤判［2-10］。

當(dāng)前對(duì)Gp R干擾源信號(hào)特征的研究主要針對(duì)地面探測(cè)環(huán)境。文獻(xiàn)［11］、［12］模擬Gp R天線的空間輻射特性，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)地面測(cè)線周?chē)鸁糁?、?shù)木、墻壁等干擾源信號(hào)做了詳細(xì)的分析說(shuō)明，并通過(guò)改變天線響應(yīng)方向壓制干擾。文獻(xiàn)［13］利用不同觀測(cè)系統(tǒng)對(duì)地面以上的點(diǎn)、線、面干擾源進(jìn)行了Gp R正演模擬，分析干擾特征，并利用射線理論計(jì)算出干擾源時(shí)距曲線的一般表達(dá)式。目前，對(duì)隧道環(huán)境中Gp R干擾源信號(hào)特征的研究較少。其中，文獻(xiàn)［14］總結(jié)了金屬礦井中金屬物、漏水點(diǎn)以及天線耦合不良造成的Gp R剖面異常特征，并給出了抑制干擾的必要技術(shù)措施。本文以青島地鐵3號(hào)線隧道施工的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)為例，通過(guò)數(shù)值模擬和實(shí)測(cè)資料分別對(duì)地面干擾源及地下干擾源形成的Gp R噪聲進(jìn)行分析，確定異常特征和壓制方法。

1　GPR噪聲理論分析

1.1GPR超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法和信號(hào)構(gòu)成

根據(jù)規(guī)范要求，Gp R現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)時(shí)，首先，根據(jù)掌子面情況設(shè)定十字或網(wǎng)狀測(cè)線；然后，將發(fā)射、接收天線緊貼掌子面以固定間距，并沿測(cè)線方向連續(xù)采集。由于隧道環(huán)境復(fù)雜，天線接收到的信號(hào)不僅包括來(lái)自掌子面前方目標(biāo)體的反射信號(hào)，還包括來(lái)自拱頂鋼拱、側(cè)壁及施工機(jī)械的干擾信號(hào)，這些信號(hào)疊加在一起共同構(gòu)成探測(cè)剖面（如圖1所示）。由于拱架及施工機(jī)械一般均為金屬介質(zhì)，形成的反射波能量強(qiáng)，會(huì)大大降低探測(cè)剖面的信噪比。

圖1　探地雷達(dá)探測(cè)示意圖

1.2GPR探測(cè)信號(hào)模擬與分析

雷達(dá)天線發(fā)射電磁波在空間的傳播機(jī)理可用Maxwell方程組表示。FDTD（Finite Difference Time Domain，時(shí)域有限差分）方法是把Maxwell方程組進(jìn)行時(shí)間和空間域離散差分，利用蛙跳式空間域內(nèi)的電場(chǎng)和磁場(chǎng)進(jìn)行交替計(jì)算，通過(guò)時(shí)間域更新來(lái)模仿電磁場(chǎng)變化的數(shù)值計(jì)算方法［15-17］。本文利用FDTD方法，通過(guò)Gpr Max 2D軟件正演計(jì)算電磁波傳播時(shí)程，利用Matlab程序?qū)崿F(xiàn)計(jì)算結(jié)果圖形化。

1.2.1模型構(gòu)建

構(gòu)建無(wú)干擾源無(wú)目標(biāo)體、無(wú)干擾源有目標(biāo)體、存在鋼拱干擾和目標(biāo)體、存在機(jī)械干擾和目標(biāo)體及兩種干擾源和目標(biāo)體同時(shí)存在等5種介電模型，分別如圖2的a）、b）、c）、d）、e）所示。模型尺寸設(shè)為6 m ×14 m。其中：完整花崗巖的介電常數(shù)εr=5，電導(dǎo)率σ=0 S/m；空氣的εr=1，σ=0 S/m；掌子面拱頂鋼架及后方作業(yè)機(jī)械、臺(tái)架等金屬物干擾源的εr= 40，σ=10 S/m；富水?dāng)鄬悠扑閹У摩舝=25，σ=0.01 S/m。由于目前Gp R應(yīng)用范圍內(nèi)絕大多數(shù)介質(zhì)相對(duì)磁導(dǎo)率約等于1，因此暫不考慮其影響。斷層目標(biāo)體尺寸為6 m×1 m，位置在掌子面前方1 m處；設(shè)定鋼拱為外拱半徑2 m、厚度0.4 m的圓環(huán)；非固定源尺寸為1 m×1 m，位置在掌子面后方3 m處。

圖2　數(shù)值計(jì)算模型

模擬電場(chǎng)采用y方向水平偶極子，信號(hào)脈沖設(shè)為Ricker子波，自激自收探測(cè)方式。為使正演模擬結(jié)果和實(shí)際一致，設(shè)天線中心頻率為100 MHz，最大輸入電壓為1 000 V，采樣間隔為0.062 5 ns，空間離散步長(zhǎng)d x=d y=0.1 m，天線間距為0.1 m，測(cè)點(diǎn)間距為0.075 m，時(shí)窗長(zhǎng)度為150 ns，沿掌子面上水平測(cè)線探測(cè)。模型使用p ML吸收邊界條件，滿足Courant穩(wěn)定性要求。

1.2.2正演模擬結(jié)果分析

正演結(jié)果顯示無(wú)任何干擾源情況下，當(dāng)掌子面前方無(wú)目標(biāo)體時(shí)，探測(cè)剖面僅存在界面直達(dá)波（如圖3a）所示）。當(dāng)有斷層破碎帶存在并和掌子面平行時(shí)，探測(cè)剖面會(huì)出現(xiàn)和直達(dá)波平行的反射軸Ⅰ（如圖3b）所示），反射軸位置可由反射波走時(shí)和波速確定。當(dāng)洞頂存在鋼拱時(shí)，探測(cè)剖面出現(xiàn)一反向繞射弧Ⅱ，同時(shí)出現(xiàn)波相凌亂的多次反射波Ⅲ（如圖3c）所示）。遠(yuǎn)離掌子面孤立存在的施工機(jī)械則表現(xiàn)為探測(cè)剖面上弧狀的多次反射軸Ⅳ和Ⅴ（如圖3d）所示）。當(dāng)兩種類型干擾源同時(shí)存在時(shí)，有效信號(hào)和干擾信號(hào)相互疊加構(gòu)成更為復(fù)雜的探測(cè)剖面（如圖3e）所示），施工機(jī)械產(chǎn)生的多次波被覆蓋。

圖3　數(shù)值模擬剖面

2　實(shí)測(cè)GPR噪聲分析

2.1青島地鐵GPR探測(cè)概況

青島地鐵3號(hào)線隧道全長(zhǎng)約24.9 km，平均設(shè)計(jì)埋深約為25 m，部分區(qū)間和車(chē)站埋深小于10 m，主要采用礦山法施工。線路突出的工程地質(zhì)問(wèn)題有：①隧道埋藏較淺，在多個(gè)地層間穿插，不同地層巖土性質(zhì)差異較大，極易引起坍塌事故出現(xiàn)；②巖體中斷層等構(gòu)造多而密集，部分?jǐn)鄬痈凰滓鹜凰鹿?；?-5標(biāo)段位于臨海1 km范圍內(nèi)，導(dǎo)水良好的斷層易引發(fā)突水事故，造成海水倒灌，影響施工安全。

為保證施工安全，根據(jù)鐵路隧道建設(shè)規(guī)范要求和淺埋特點(diǎn)，主要利用Gp R技術(shù)開(kāi)展超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作。探測(cè)采用加拿大Sensor&Software公司生產(chǎn)的EKKO系列探地雷達(dá)，選用中心頻率100 MHz非屏蔽式天線，天線間距0.5 m，測(cè)點(diǎn)間距0.1 m，時(shí)窗長(zhǎng)度400 ns，采樣間隔1 600 ps，脈沖電壓1 000 V。

根據(jù)不同區(qū)段地質(zhì)情況，在掌子面布設(shè)十字或網(wǎng)狀測(cè)線。測(cè)線盡可能布置在掌子面軸心位置，并保證足夠的測(cè)線長(zhǎng)度及連續(xù)性，避開(kāi)干擾源。但多數(shù)情況下，一些干擾源仍然存在。如圖4中，洞頂鋼拱和兩側(cè)洞壁為固定源干擾源，而施工機(jī)械則屬于可移動(dòng)干擾源。

2.2探測(cè)剖面噪聲分析

圖5為沿掌子面水平布線探地雷達(dá)實(shí)測(cè)剖面。圖5a）中頂部出現(xiàn)的反向反射弧為頂部鋼拱的反映，其異常信號(hào)的特征和圖3c）類似；兩側(cè)能量較強(qiáng)的掃把狀多次波反射軸為側(cè)面鋼拱的反映。兩種干擾波將剖面有效信號(hào)完全壓制。位于測(cè)線一端的施工機(jī)械引起的干擾波表現(xiàn)為弧狀雙曲線形干擾，并有多次波出現(xiàn)，如圖5b）所示，該異常信號(hào)特征與圖3d）類似，其曲線分布形態(tài)符合理論時(shí)程特征。

圖4　GpR探測(cè)現(xiàn)場(chǎng)照片

圖5　掌子面沿水平布線探地雷達(dá)實(shí)測(cè)剖面

3　噪聲壓制方法

數(shù)字濾波技術(shù)根據(jù)數(shù)據(jù)中有效信號(hào)和干擾信號(hào)所在頻譜范圍的差異來(lái)確定有效信號(hào)頻譜分界面，再設(shè)置濾波器以實(shí)現(xiàn)噪聲去除和壓制。

圖6a）、6b）、6c）分別為針對(duì)圖5b）剖面相應(yīng)的低通（高截頻率fH為120 MHz）、高通（低截頻率fL為50 MHz）和帶通（頻帶f為50～125 MHz）濾波結(jié)果。由圖6可見(jiàn)，濾波后剖面對(duì)深層信息的反映能力增強(qiáng)，但強(qiáng)反射信號(hào)依然存在，并壓制了淺層有效信號(hào)。由于隧道內(nèi)噪聲的頻譜和有效信號(hào)并無(wú)明顯差異，故傳統(tǒng)低通、高通、帶通的濾波處理方式對(duì)噪聲的壓制并不明顯。

實(shí)際工作中，垂直布線的方式能通過(guò)改變天線響應(yīng)方向來(lái)減小干擾信號(hào)響應(yīng)。在這種測(cè)量情形下，拱頂干擾可看作位于測(cè)線一端的固定源，側(cè)壁干擾由于天線極化方向改變而減弱。圖7a）為在和圖6測(cè)試剖面相同掌子面中心位置垂向布線測(cè)試結(jié)果。根據(jù)干擾源分析和走時(shí)特征推斷圖中的傾斜同相軸為頂部鋼拱干擾。由于側(cè)壁干擾信號(hào)減弱，在走時(shí)120 ns位置出現(xiàn)一條明顯的同相軸，根據(jù)反射波特征推斷為和掌子面平行的巖脈反映，開(kāi)挖結(jié)果（見(jiàn)圖7b））驗(yàn)證了這種推斷。

4　結(jié)語(yǔ)

正演計(jì)算和實(shí)測(cè)資料分析結(jié)果顯示：用于隧道支護(hù)的拱頂鋼架是Gp R地質(zhì)超前預(yù)報(bào)探測(cè)嚴(yán)重的干擾源，其干擾波呈反向繞射弧分布；側(cè)壁干擾信號(hào)呈掃把狀，能量強(qiáng)且多次反射現(xiàn)象嚴(yán)重，甚至將有效信號(hào)完全壓制；施工機(jī)械干擾則表現(xiàn)為弧狀多次波，在探測(cè)剖面上容易識(shí)別。

圖6　探地雷達(dá)實(shí)測(cè)剖面濾波結(jié)果

圖7　垂向布線探測(cè)剖面及開(kāi)挖結(jié)果

傳統(tǒng)的低通、高通、帶通等濾波手段并不能壓制這些干擾信號(hào)。利用天線極化方向和干擾源的位置關(guān)系，靈活設(shè)置測(cè)線可最大限度避開(kāi)干擾信號(hào)，獲得理想剖面。

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GPR Noise Signal Analysis in Geological Prediction of Tunnel Construction

He Bingtian，Guo Xiujun，Shao Shuai，Ren Guangxin

GpRis a primary method currently adopted in tunnel geological prediction.In the detection process，the tunnel metal grid and on-site construction machinery will cause severe interference with GpR signal，or even completely suppress valid signals.In order to identify the characteristics of interference and explore ways to improve the SNR（signal noise ratio），in this paper the characteristics of interference signals are analyzed，a forward modeling and experimental data analysis is used on the basis of tunnel Gp R interference source analysis. The result displays the reverse arc diffraction of steel vault interference wave and the arc multiples distribution of construction mechanical interference wave，also reveals that the sidewall interference signals are extremely strong with multiple reflection which can completely suppress valid signals.While the traditional filter methods such as low pass，high pass or band pass can＇t suppress the interference signals，but the vertical cabling can prevent interference signals to the utmost extent and obtain an ideal section.This research contributes to acquiring Gp R sections with higher SNR，helps to make finer analysis of section anomalies and increase the accuracy of interpretation.

ubway tunnel construction；geological prediction；ground penetrating radar（Gp R）；noise signal analysis

U 452.1+1；TN 95

10.16037/j.1007-869x.2016.03.014

（2014-05-14）