■胡學(xué)維

（北京環(huán)安工程檢測有限責(zé)任公司北京100011）

淺談特征道頻率分析在公路隧道地質(zhì)雷達(dá)超前預(yù)報中的應(yīng)用

■胡學(xué)維

（北京環(huán)安工程檢測有限責(zé)任公司北京100011）

本文提出的地質(zhì)雷達(dá)超前預(yù)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(zhì)預(yù)報中得到了應(yīng)用。預(yù)報結(jié)果表明，該方法在地質(zhì)雷達(dá)超前預(yù)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(zhì)雷達(dá) 超前預(yù)報 特征道 頻率分析 數(shù)據(jù)處理

1 引言

地質(zhì)雷達(dá)預(yù)報法是目前隧道施工中常用的預(yù)報方法之一，對施工提早獲知掌子面前方地質(zhì)條件，提前采取有針對性的防范措施具有十分重要的指導(dǎo)意義。其中，對雷達(dá)探測數(shù)據(jù)的分析處理的精度又決定了預(yù)報結(jié)果的準(zhǔn)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(jīng)驗及判讀習(xí)慣影響較大，預(yù)報精度受到一定程度的限制。

本文以雷達(dá)數(shù)據(jù)的頻率域分析方法為基礎(chǔ)，提出了一種對雷達(dá)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(cè)、中部、右側(cè)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(zhì)情況及其變化過程。

2 地質(zhì)雷達(dá)工作原理

探地雷達(dá)是根據(jù)電磁波在介質(zhì)中的傳播特性進行工作的，是利用設(shè)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(zhì)中傳播時，其路徑、電磁場強度與波形將隨通過介質(zhì)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(zhì)的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造等。

探地雷達(dá)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(jīng)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(dá)信號預(yù)處理

在地質(zhì)雷達(dá)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(yù)處理，達(dá)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(shè)定、背景去噪、增益、濾波等。

3.2 雷達(dá)特征道頻率分析

我們知道松散介質(zhì)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(zhì)雷達(dá)超前預(yù)報過程中，隧道圍巖完整性下降、風(fēng)化程度增高、含水率增大等必然引起雷達(dá)信號中低頻含量的相應(yīng)增高。因此，分析雷達(dá)信號中的低頻信號的含量可間接了解隧道圍巖地質(zhì)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(dá)信號中的低頻含量，根據(jù)其變化情況推斷隧道圍巖地質(zhì)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(dá)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(nèi)，說明地質(zhì)情況與掌子面相似，無太大變化；低頻含量在10%～20%范圍內(nèi)，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(nèi)，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(diào)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(nèi)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(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，地下水發(fā)育。圖1為右線出口K52+268掌子面處雷達(dá)圖像及地質(zhì)素描圖，該掌子面處隧道圍巖為強-弱風(fēng)化花崗閃長巖，節(jié)理裂隙發(fā)育，風(fēng)化物充填，巖體多呈塊狀鑲嵌結(jié)構(gòu)，局部碎塊狀，有滴水現(xiàn)象，掌子面左側(cè)見一條寬約1.5m左右的風(fēng)化槽，風(fēng)化物充填。

圖1 隧道右線K52+268處雷達(dá)圖像及地質(zhì)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(cè)低頻含量統(tǒng)計方式與表1相同，統(tǒng)計結(jié)果如表2所示：

表2 掌子面中部及右側(cè)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(cè)低頻含量總體變化不大，均在10%以內(nèi)，推斷K52+268～K52+248右側(cè)及中部與K52+268處掌子面圍巖完整性及風(fēng)化程度相似，巖體呈塊狀鑲嵌結(jié)構(gòu)，地下不發(fā)育，風(fēng)化程度一般；而掌子面左側(cè)0-300ns（即K52+268 ～K52+253）低頻含量變化亦不明顯，均在10%以內(nèi)，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(nèi)風(fēng)化程度高，局部全風(fēng)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(diào)整為Ⅴ。后經(jīng)開挖驗證，掌子面K52+254處左側(cè)出現(xiàn)一寬約5米左右的全風(fēng)化條帶，其內(nèi)充填大量風(fēng)化砂及粘土，與預(yù)報結(jié)果吻合。

4 結(jié)語

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

通過地質(zhì)雷達(dá)預(yù)報成果與開挖揭露地質(zhì)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(zhì)體、地下水及圍巖類別預(yù)報判定準(zhǔn)確度較高?？梢越o隧道施工提供針對性具有指導(dǎo)意義的結(jié)論與建議，減少工程中因圍巖條件變化而帶來的災(zāi)害性事故。

（1）崔阿禮、劉康和，探地雷達(dá)技術(shù)在巖溶探測中的應(yīng)用，地球科學(xué)與環(huán)境學(xué)報，2008，02-0197-03

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

P5[文獻碼]B

1000-405X（2016）-5-170-2