何冰天郭秀軍，2邵 帥任廣欣

（1.中國海洋大學(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)教育部重點實驗室，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)報的探地雷達噪聲分析

何冰天1郭秀軍1，2邵 帥1任廣欣1

（1.中國海洋大學(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)教育部重點實驗室，266100，青島∥第一作者，碩士研究生）

探地雷達（Gp R）是當前進行隧道超前地質(zhì)預(yù)報的主要方法。探測過程中隧道金屬格柵及現(xiàn)場施工機械將對Gp R探測信號產(chǎn)生嚴重干擾，甚至完全壓制有效信號。為確定干擾信號特征，探索提高信噪比的方法，基于隧道內(nèi)GpR探測干擾源分析，利用正演模擬和實測資料分析方法研究干擾信號特征。結(jié)果表明，隧道拱頂鋼架干擾波呈反向繞射弧分布，施工機械干擾則表現(xiàn)為弧狀多次波，側(cè)壁干擾信號能力強且多次反射現(xiàn)象嚴重，甚至將有效信號完全壓制。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。垂向布線方式則能最大限度避開干擾信號，獲得理想剖面。研究成果有助于獲取信噪比高的GpR探測剖面，以準確分析剖面異常、提高解譯準確率。

地鐵隧道施工；超前地質(zhì)預(yù)報；探地雷達；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技術(shù)，探地雷達（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)雜的隧道探測環(huán)境中，Gp R有效信號常受到非固定源（如施工臺車、挖掘機、其它機械設(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)、掌子面上方支護鋼拱、超前導(dǎo)管等）干擾信號的影響，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甚至會被干擾信號完全覆蓋，造成誤判［2-10］。

當前對Gp R干擾源信號特征的研究主要針對地面探測環(huán)境。文獻［11］、［12］模擬Gp R天線的空間輻射特性，通過現(xiàn)場試驗對地面測線周圍燈柱、樹木、墻壁等干擾源信號做了詳細的分析說明，并通過改變天線響應(yīng)方向壓制干擾。文獻［13］利用不同觀測系統(tǒng)對地面以上的點、線、面干擾源進行了Gp R正演模擬，分析干擾特征，并利用射線理論計算出干擾源時距曲線的一般表達式。目前，對隧道環(huán)境中Gp R干擾源信號特征的研究較少。其中，文獻［14］總結(jié)了金屬礦井中金屬物、漏水點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號線隧道施工的超前地質(zhì)預(yù)報為例，通過數(shù)值模擬和實測資料分別對地面干擾源及地下干擾源形成的Gp R噪聲進行分析，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)報方法和信號構(gòu)成

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

圖1　探地雷達探測示意圖

1.2GPR探測信號模擬與分析

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

1.2.1模型構(gòu)建

構(gòu)建無干擾源無目標體、無干擾源有目標體、存在鋼拱干擾和目標體、存在機械干擾和目標體及兩種干擾源和目標體同時存在等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)機械、臺架等金屬物干擾源的εr= 40，σ=10 S/m；富水斷層破碎帶的εr=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)相對磁導(dǎo)率約等于1，因此暫不考慮其影響。斷層目標體尺寸為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)值計算模型

模擬電場采用y方向水平偶極子，信號脈沖設(shè)為Ricker子波，自激自收探測方式。為使正演模擬結(jié)果和實際一致，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d x=d y=0.1 m，天線間距為0.1 m，測點間距為0.075 m，時窗長度為150 ns，沿掌子面上水平測線探測。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)果顯示無任何干擾源情況下，當掌子面前方無目標體時，探測剖面僅存在界面直達波（如圖3a）所示）。當有斷層破碎帶存在并和掌子面平行時，探測剖面會出現(xiàn)和直達波平行的反射軸Ⅰ（如圖3b）所示），反射軸位置可由反射波走時和波速確定。當洞頂存在鋼拱時，探測剖面出現(xiàn)一反向繞射?、颍瑫r出現(xiàn)波相凌亂的多次反射波Ⅲ（如圖3c）所示）。遠離掌子面孤立存在的施工機械則表現(xiàn)為探測剖面上弧狀的多次反射軸Ⅳ和Ⅴ（如圖3d）所示）。當兩種類型干擾源同時存在時，有效信號和干擾信號相互疊加構(gòu)成更為復(fù)雜的探測剖面（如圖3e）所示），施工機械產(chǎn)生的多次波被覆蓋。

圖3　數(shù)值模擬剖面

2　實測GPR噪聲分析

2.1青島地鐵GPR探測概況

青島地鐵3號線隧道全長約24.9 km，平均設(shè)計埋深約為25 m，部分區(qū)間和車站埋深小于10 m，主要采用礦山法施工。線路突出的工程地質(zhì)問題有：①隧道埋藏較淺，在多個地層間穿插，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，部分斷層富水，易引起突水事故；③1-5標段位于臨海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，主要利用Gp R技術(shù)開展超前地質(zhì)預(yù)報工作。探測采用加拿大Sensor&Software公司生產(chǎn)的EKKO系列探地雷達，選用中心頻率100 MHz非屏蔽式天線，天線間距0.5 m，測點間距0.1 m，時窗長度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)狀測線。測線盡可能布置在掌子面軸心位置，并保證足夠的測線長度及連續(xù)性，避開干擾源。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，而施工機械則屬于可移動干擾源。

2.2探測剖面噪聲分析

圖5為沿掌子面水平布線探地雷達實測剖面。圖5a）中頂部出現(xiàn)的反向反射弧為頂部鋼拱的反映，其異常信號的特征和圖3c）類似；兩側(cè)能量較強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完全壓制。位于測線一端的施工機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，該異常信號特征與圖3d）類似，其曲線分布形態(tài)符合理論時程特征。

圖4　GpR探測現(xiàn)場照片

圖5　掌子面沿水平布線探地雷達實測剖面

3　噪聲壓制方法

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

圖6a）、6b）、6c）分別為針對圖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，濾波后剖面對深層信息的反映能力增強，但強反射信號依然存在，并壓制了淺層有效信號。由于隧道內(nèi)噪聲的頻譜和有效信號并無明顯差異，故傳統(tǒng)低通、高通、帶通的濾波處理方式對噪聲的壓制并不明顯。

實際工作中，垂直布線的方式能通過改變天線響應(yīng)方向來減小干擾信號響應(yīng)。在這種測量情形下，拱頂干擾可看作位于測線一端的固定源，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測試剖面相同掌子面中心位置垂向布線測試結(jié)果。根據(jù)干擾源分析和走時特征推斷圖中的傾斜同相軸為頂部鋼拱干擾。由于側(cè)壁干擾信號減弱，在走時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，開挖結(jié)果（見圖7b））驗證了這種推斷。

4　結(jié)語

正演計算和實測資料分析結(jié)果顯示：用于隧道支護的拱頂鋼架是Gp R地質(zhì)超前預(yù)報探測嚴重的干擾源，其干擾波呈反向繞射弧分布；側(cè)壁干擾信號呈掃把狀，能量強且多次反射現(xiàn)象嚴重，甚至將有效信號完全壓制；施工機械干擾則表現(xiàn)為弧狀多次波，在探測剖面上容易識別。

圖6　探地雷達實測剖面濾波結(jié)果

圖7　垂向布線探測剖面及開挖結(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。利用天線極化方向和干擾源的位置關(guān)系，靈活設(shè)置測線可最大限度避開干擾信號，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）