隧道施工期超前預報地質雷達異常干擾識別及處理

周 輪, 李術才, 許振浩,*, 吳 靜, 何樹江, 黃 鑫, 朱興禮

(1. 山東大學巖土與結構工程研究中心， 山東 濟南 250061；2. 中鐵十四局集團第二工程有限公司， 山東 泰安 271000)

隧道施工期超前預報地質雷達異常干擾識別及處理

周 輪1, 李術才1, 許振浩1,*, 吳 靜1, 何樹江1, 黃 鑫1, 朱興禮2

(1. 山東大學巖土與結構工程研究中心， 山東 濟南 250061；2. 中鐵十四局集團第二工程有限公司， 山東 泰安 271000)

受隧道施工復雜環(huán)境的影響，地質雷達在超前地質預報中經常遇到各種干擾信號，會對不良地質體探測和預報的準確性造成影響。采用現場實測的方法對隧道地質雷達探測過程中掌子面附近臺車等金屬物體、探測表面凹凸不平、電纜與輸電線路、測線表面金屬或非金屬干擾物、探測區(qū)積水積泥以及底板測線附近金屬物體等常見干擾因素進行分析，研究其在雷達處理圖像上的表現特征與識別方法，并從相對介電常數取值、直達波拾取、天線移動、測線里程標記、增益調節(jié)和數據處理等方面討論減少或消除干擾因素的措施。研究成果有利于提高地質雷達在隧道超前預報中的準確性，并對類似工程具有一定的參考和借鑒意義。

隧道； 超前地質預報； 地質雷達； 干擾信號； 齊岳山隧道

0 引言

地質雷達具有操作簡單、精確度高、對施工影響小等特點，因而被廣泛應用在隧道超前地質預報中[1]。近年來大量學者在地質雷達應用方面做了相關研究，在隧道超前地質預報以及施工檢測方面積累了豐富的經驗[2-4]。然而，受隧道內復雜環(huán)境的影響，進行地質雷達數據采集時會遇到各種干擾信號，采集到的原始波形也會千差萬別，有的干擾數據甚至會將有效數據完全掩蓋，造成對不良地質體的誤判，使得探測結果不準確，威脅隧道施工與運營安全[5-6]。同時，操作不當也會產生各種異常信號，只有正確認識干擾波和異常信號的產生原因，才能采取有效的措施，獲得高質量的數據圖像，為數據解譯提供良好的基礎[7-9]。

在地質雷達探測干擾識別與處理方面，一些學者也進行了相關研究。如： 許新剛等[10]研究了地質雷達探測過程中幾種常見的干擾，并提出了相應的處理對策；蘭樟松等[11]將地質雷達應用在工程勘察方面，總結了探測過程中的常見干擾因素；魯建邦[12]對干擾數據解譯圖像識別進行研究，提高了干擾圖像識別的準確率。而在隧道內特定環(huán)境中地質雷達探測干擾方面的研究較少，且關于隧道中常見干擾因素的分析不全面，對減少或消除干擾的措施討論不詳細。

本文結合利萬高速齊岳山隧道施工期超前地質預報工作，分析地質雷達探測中的常見干擾因素，研究干擾因素在雷達處理圖像上的表現特征與識別方法，根據隧道現場干擾源特征，探討減少或消除干擾因素的措施。

1 地質雷達探測原理

地質雷達是一種根據巖體介質的電性差異對巖體介質或地質異常體進行探測的電磁波探測技術[13]。通過地質雷達天線向巖體內部發(fā)射電磁波，電磁波在不同電性差異界面反射，反射回來的電磁波被接收天線接收，接收數據再傳至電腦進行處理，其探測原理如圖1所示。通過對采集的數據進行處理，得到雷達反射圖像，對圖像進行分析，并結合現場實際情況，可以推測不良地質體的類型、位置及其分布特點[14]。

圖1 地質雷達探測原理

不同的介質具有不同的反射特性，電磁波在巖體介質中傳播時，會在2種不同相對介電常數介質的接觸面發(fā)生反射，反射波能量的大小取決于反射系數

(1)

式中ε1、ε2為介質的相對介電常數。

由式(1)可知，2種介質的相對介電常數差別越大，反射系數越大，反射越明顯。常見介質的相對介電常數如表1所示，其中： 空氣的相對介電常數為1，水的相對介電常數為81，金屬體的相對介電常數為無窮大。相對介電常數的差異會造成電磁波傳播特性的差異。

表1 常見材料的相對介電常數[14-15]

電磁波在介質中的傳播速度

(2)

式中：C為電磁波在真空中的傳播速度；εr為介質的相對介電常數。

根據材料的相對介電常數，由式(2)可計算出電磁波在該介質中的傳播速度，從而可以根據反射波的接收時間判斷出反射體的位置。

通過對接收的反射電磁波數據進行分析，可識別地下不良地質體的類型、位置及規(guī)模。地質雷達的探測效果主要取決于不良地質體與周圍介質間的相對介電常數差異、巖體介質對電磁波的吸收程度、不良地質體的深度位置以及周圍探測環(huán)境對雷達信號的干擾程度等[14]。不良地質體與周圍介質間的相對介電常數差異越大，電磁波反射越強烈，在雷達圖像上的反應特征越明顯。地質雷達探測時容易受環(huán)境干擾，因此，需在探測過程中采取相應的措施來減少或者消除干擾。

2 幾種常見異常信號

在隧道中進行地質雷達探測時，掌子面附近的臺車等金屬物體、探測表面凹凸不平、底板測線附近電纜與輸電線路、測線表面金屬或非金屬干擾物、探測區(qū)積水積泥以及底板測線附近金屬體等是常見的干擾源，會嚴重影響采集信息的質量。根據齊岳山隧道現場采集的干擾源數據，分別對上述干擾源進行討論和分析。

2.1 掌子面附近臺車等金屬物體

在地質雷達探測隧道掌子面前方地質情況時，需將雷達天線緊貼掌子面，朝掌子面前方發(fā)射電磁波，如果掌子面附近施工臺車等金屬物體未轉移至測線范圍外一定距離，會對探測結果產生干擾，其在雷達圖像上的表現如圖2所示，雷達圖像上將出現一系列強振幅高能量同相軸。圖像異常位置和干擾體位置可通過式(2)速度時間換算關系驗證。因此，在進行掌子面地質雷達超前預報時，需將測線附近的金屬物體移至測線范圍外一定距離，減小對雷達信號的影響。對于無法移走的金屬物體，需要標記并記錄其位置，防止將掌子面附近的金屬物體誤判為異常地質體。

圖2 掌子面附近金屬物體干擾圖像

2.2 探測表面凹凸不平

地質雷達探測時，操作員需將雷達天線緊貼探測表面，且天線移動方向須與天線上的標示方向一致。當探測表面凹凸不平時，天線移動過程中容易發(fā)生跳動，會造成電磁波散射現象，且電磁波會在地面與天線之間不斷震蕩和反射，產生的震蕩信號會影響有效信號，跳動嚴重時甚至會將有效信號完全掩蓋。天線和探測表面之間的耦合效應引起的反射波信號如圖3所示，其在雷達圖像上反映為一系列隨時間延長的電磁波信號，掩蓋了有效信號，造成數據無法分析。探測表面凹凸不平還會造成操作員移動天線不便、移動速度不一致等問題?？梢灶A先對探測表面進行處理，確保探測表面平整。同時為保證天線水平，可以在移動時微抬天線，在保證天線能越過凸起位置時，天線應緊靠探測面，這在一定程度上能減弱干擾，但會使直達波的到達時間延長，后期數據處理時應予以剔除。

圖3 探測表面凹凸不平干擾圖像

2.3 電纜與輸電線路

隧道內電纜對地質雷達探測干擾較大，容易造成誤判。電纜通常布置在隧道邊墻，在進行底板下方不良地質體探測時，測線方向與電流方向平行，天線的極化方向垂直于電流方向，如圖4所示，其在地質雷達圖像上表現為1組反射強烈的水平同相軸[14]。在底板探測時，需要注意輸電線路與測線之間的相對位置，并記錄下來。

圖4 電纜與輸電線路干擾圖像

2.4 測線表面金屬或非金屬干擾物

電磁波在遇到金屬物體時，會在其表面產生強烈全反射，反射能量較強，振幅較大，而頻率基本保持不變。當地質雷達天線越過測線表面的金屬物體(如鋼筋、金屬管線、金屬電纜等)時，反射波在地質雷達圖像上表現為強能量同相軸，并且會在金屬物和天線之間多次反射，如圖5所示，在雷達圖像上表現為強能量同相軸垂向延續(xù)時間長的特點[10]；當地質雷達天線越過測線表面非金屬干擾物(如小石子、皮管線、木板等)時，電磁波也會產生強能量反射波，得到的反射波圖像與金屬物體產生的圖像類似，但反射電磁波的能量相對較弱，在圖像上沒那么明顯。強反射干擾容易覆蓋有效信息，造成采集的圖像無法分析。因此，在進行隧道底板探測時，應將測線上的金屬和非金屬干擾物移開，保持測線平整，或者根據現場情況重新布置測線。

圖5 測線表面金屬體干擾圖像

2.5 探測區(qū)域積水積泥

隧道施工時底板常積水積泥，電磁波在積水積泥探測表面出現強反射，會掩蓋有效信號，如圖6所示，導致探測結果無法分析。因此，探測時需要合理選擇測線位置，盡量避免雷達天線通過有水段落；當無法避開時，可先處理積水積泥，然后再進行探測。

圖6 探測表面積水積泥干擾圖像

2.6 底板測線附近金屬體

在進行底板探測時，測線附近通常放置有金屬體(如臺車、裝載機、電機等)，會對探測結果產生干擾。當金屬體位于測線兩端時，其在雷達圖像上反映為雙曲線的一翼，如圖7(a)所示；當金屬體位于測線中間時，其在雷達圖像上反映為雙曲線，如圖7(b)所示。由于雙曲線通常為溶洞在雷達圖像上的反射特征，為防止將金屬體誤判為溶洞等異常體，探測前需撤走測線附近的金屬體。

(a) 金屬體在測線兩端

(b) 金屬體在測線中部

3 注意事項討論

3.1 相對介電常數與電磁波傳播速度

電磁波在不同介質中的傳播速度不同，傳播速度會影響隧道不良地質體的定位，因此，正確獲取電磁波的傳播速度至關重要。電磁波在地層中的傳播速度主要取決于介質的相對介電常數[13]，由于地下介質的復雜性和隱蔽性，較難準確獲取其相對介電常數值，可通過觀測探測區(qū)域的地質條件，記錄巖體巖性、含水量、泥質含量等信息。根據巖體巖性確定該段巖體的相對介電常數范圍，再通過巖體含水量以及泥質含量對相對介電常數值進行修正。當含水量、泥質含量較大時，應適當增大相對介電常數取值。確定相對介電常數值后，再計算其所對應的速度。

3.2 直達波拾取

雷達天線位置與探測表面之間存在一定距離，電磁波傳播至地面反射回來被接收形成直達波。為了將探測深度坐標軸原點建立在地面，使異常體深度為雷達圖像深度坐標值，在數據處理時需將直達波時間段剔除。直達波時間段切除準確與否會影響異常體的定位，尤其是在采用高頻率雷達探測時，探測距離短，切除不準確對不良地質體位置的判斷偏差更大，正確選取直達波時間更為重要。在現場探測時，可以預先在地表放一塊金屬物體，移動天線越過金屬物體來獲取直達波在雷達圖像上的位置，隨后移走金屬物體再進行正式探測。數據處理時，通過分析越過金屬物體的雷達數據來確定直達波時間。

3.3 天線移動速度和距離

在進行底板不良地質體探測時，天線宜勻速移動，且不能過快，以正常步數移動天線為佳，盡量沿設計測線移動。勻速移動的目的主要是便于異常體在測線上的定位。若移動速度過快，會造成獲得的有用信息較少，不利于信號分析。測線長度不宜過長，30～40 m為佳，當需要探測的距離較長時，可采用分段探測的方法。

3.4 測線里程標記

在進行底板探測時，地質雷達圖像上顯示的不良地質體位置通常會與隧道內的實際里程有一些偏差。為保證地質雷達圖像上各點的坐標與實際里程對應，可以每隔10 m的距離對測線進行一次標記，并記錄所有標記點的里程以供核對[16]。移動天線對齊標記點，打點標記并記錄其位置，數據處理時將標記點顯示在雷達圖像上，以便與實際里程校核。在雷達圖像上顯示較大異常的位置，可通過增加測線條數來確定異常體的規(guī)模與形態(tài)。

3.5 增益調節(jié)

地質雷達探測時，電磁波由探測面向遠處傳播，部分能量會被介質吸收掉，反射波能量相應減少。距離天線越近反射波能量越大，距離天線越遠反射波能量越小，會在雷達圖像上反映出比較明顯的能量分層帶，越靠近探測表面信號越強，遠端信號較弱，因此，需要進行增益調節(jié)來放大有效信號。正確的增益調節(jié)方式如圖8(a)所示。增益調節(jié)的原則是保證增益點之間線性變化，同時應使反射能量控制在一定的范圍。增益太大會造成削波現象，掩蓋有效信號，增益太小有效信號不明顯，異常體位置不突出[14]。應根據隧道的實際情況，將天線移至探測位置，采用先自動后手動的方法調節(jié)增益。

圖8 增益調節(jié)示意圖

3.6 數據處理

隧道內地質雷達探測時，干擾因素較多，對采集的原始數據處理后才能進行分析，處理時可通過設置正確的濾波參數來去除部分干擾。雷達數據處理的原則是處理步驟越少越好，原始數據最能反映實際情況，處理步驟多則會將有效信號處理掉。隨著科學技術的發(fā)展，雷達數據處理方法越來越多，效果也越來越好?？筛鶕嶋H情況選擇處理方法，采用多種方法綜合處理分析，避免單一方法造成的處理結果與實際情況不符。

4 結論與建議

1)地質雷達探測時需將金屬物體移至測線外一定距離。對于會對探測結果產生干擾又無法移走的干擾體，應詳細記錄其相關信息，包括干擾體的屬性與大小以及干擾體與測線的相對位置關系等，并通過信號處理從雷達圖像上識別或剔除干擾波，降低誤判率。

2)確保探測表面平整或適當調節(jié)天線與地面距離，保證天線與探測表面平行，注意清理底板積水，減少積水對探測的影響。

3)根據現場圍巖情況，選取合適的相對介電常數。標記測線里程，并在探測一定范圍后進行校核。天線移動應勻速，且不能過快。合理設置增益，采用正確的濾波參數。

4)當預報結果顯示存在異常體時，可增加測線密度或輔以其他探測方法進行綜合超前預報，避免單一方法造成的處理結果與實際情況不符，從而更準確地進行超前地質預報。

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Interpretation and Treatment of Interfering Factors in Advance Geological Prediction by Ground Penetrating Radar of Tunnel Construction

ZHOU Lun1, LI Shucai1, XU Zhenhao1, *, WU Jing1, HE Shujiang1, HUANG Xin1, ZHU Xingli2

(1. Geo & Stru Engineering Research Center, Shandong University, Jinan 250061, Shandong, China;2.The2ndEngineeringCo.,Ltd.ofChinaRailway14thBureauGroup,Tai’an271000,Shandong,China)

The ground penetrating radar is usually used to predict tunnel geology. However, it is often disturbed by interfering factors in complex tunnel construction environment; as a result, the prediction accuracy for bad geology can not be guaranteed. Some normal interfering factors, i.e. metal objects around tunnel face, detection surface roughness, cable and transmission line, metal/nonmetal of detection line, water and mud and metal around detection line on tunnel floor, are studied. The expression characteristics on radar image and interpretation of the interfering factors are analyzed. Countermeasures are discussed in terms of relative dielectric constants, direct wave pickup, radar antenna movement, survey line mileage marking, gain control and data processing. The study results can provide reference for similar projects in the future.

tunnel; advance geological prediction; ground penetrating radar; interfering signal; Qiyueshan Tunnel

2016-06-02;

2016-08-07

國家重點基礎研究發(fā)展計劃(“973”計劃)(2013CB036000)； 國家自然科學基金(51479106， 51509147)； 山東省優(yōu)秀中青年科學家獎勵基金(2014BSE27132)

周輪(1992—)，男，湖南婁底人，山東大學建筑與土木工程專業(yè)在讀碩士，研究方向為隧道地質災害超前預報及防治。E-mail：18769788330@163.com。 *通訊作者： 許振浩， E-mail: zhenhao_xu@sdu.edu.cn。

10.3973/j.issn.1672-741X.2016.12.017

U 45

A

1672-741X(2016)12-1517-06