探地雷達屬性在富水強風化地層中的應用分析*

王曉曙，趙湖潮，張延杰，許利東，丁紅崗，任孟德

(1.云南建投基礎工程有限責任公司,云南 昆明 650000； 2.西安建筑科技大學土木工程學院,陜西 西安 710055)

0 引言

在隧道施工中，常常會遇到富水地質，強風化砂巖遇水軟化，黏聚力大幅度降低，導致隧道大變形、坍塌事故時有發生[1-2]。提高強風化地層隧道掌子面前方地質含水情況預報的準確性，是確保當前隧道安全施工亟待解決的問題。

與其他地球物理探測方法相比，探地雷達具有高分辨率、結果直觀、掃描迅速等優勢，對含水體非常敏感，非常適合含水地質體的探測[3-5]。但受隧道強風化地質、巖體破碎和探測環境的干擾，探測人員僅依靠探地雷達剖面圖中的強反射軸來對地質體含水情況進行推斷和解釋，很容易造成誤判和漏判。為從雷達信號中挖掘更多的信息來刻畫和解釋探測目標，將探地雷達的三瞬屬性和頻譜屬性應用到地質解譯中。趙文軻等[6]對探地雷達屬性分析技術進行較全面的總結、評價和分析，認為探地雷達屬性技術擁有良好的應用前景。劉東坤等[7]對混合型充填溶洞、空溶洞、富水破碎帶3種不良地質體的雷達反射波進行頻譜分析，得出了3種不同的主頻值，為推測不良地質體提供依據。劉宗輝等[8]利用雷達屬性提取技術，對巖溶不良地質體多角度定性分析屬性特征，在定性基礎上實現屬性特征定量表示。李堯等[9]基于鉆孔雷達對典型不良地質體進行正演模擬并進行復信號分析，利用復信號技術可提高鉆孔雷達解譯的精度和準確性。劉斌等[10]將復信號分析技術引入地質雷達預報巖溶裂隙水的研究與應用中，多角度、多標準地對巖溶裂隙水進行預報。劉成禹等[11]基于探地雷達單道信號處理方法確定巖溶的位置、大小和形狀，對巖溶不良地質體多角度定性分析屬性特征，在定性基礎上實現屬性特征定量表示。上述研究主要對巖溶地層的雷達屬性分析，都取得了良好的效果，但目前尚不存在針對富水強風化地層探地雷達屬性分析工作。

本文從風口山隧道中選取富水區段和良好區段作為對比分析案例，首先對雷達原始數據進行常規處理，然后利用三瞬屬性和頻譜屬性分別在時間域和頻率域上對探地雷達反射波瞬時振幅、瞬時相位、瞬時頻率和能量、頻率進行分析檢測，在前者定性分析基礎上，根據主頻值進行量化分析，從而達到對探地雷達數據深入分析，提高對富水地質體的預報準確度。

1 屬性分析原理

1.1 三瞬屬性

三瞬屬性指瞬時振幅、瞬時相位與瞬時頻率3種屬性。瞬時振幅反映了反射信號的強度隨著傳播深度、被探測介質的電磁性質等因素的改變而變化，與該時刻地質雷達信號總能量的平方根成正比。當地質體有明顯變化時，特別遇到富水段，地質的介電常數差就會很大，瞬時振幅明顯增強。瞬時相位反映了地質雷達剖面圖上同相軸的連續性，無論反射波的能量強弱，其相位都能顯示出來。當電磁波在各向同性均勻介質中傳播時，其相位是連續的；當電磁波在不均勻介質中傳播時，其相位在剖面圖中不連續。瞬時頻率是相位的時間變化率，反映了組成地層的物性變化。當電磁波通過不同介質時，電磁波反射信號的頻率將會發生變化。由于水會吸收掉電磁波中的高頻部分，當地質體富水時瞬時頻率會明顯偏低。

1.2 頻譜屬性

雷達反射波頻譜分析，就是把信號從時域轉換到頻域中去分析。設雷達信號時域函數為f(t)，經過傅里葉變換后的頻率域函數為F(w)，頻率域函數F(w)為時域函數f(t)的頻譜密度函數，簡稱為頻譜[12]。進行頻譜分析后，可以得到雷達波頻率與能量分布的關系曲線。能量與振幅相關，設能量譜為S(w)，根據能量定理可以得到能量譜和振幅譜之間的關系，即：

S(w)=|F(w)|2

(1)

因地質的完整性、破碎性情況可以間接通過雷達反射波頻率的高低呈現出來，所以可以通過對雷達反射波頻譜分析得到該地層的頻率值，將其值用作判斷地質體的定量指標。

在電磁場的作用下，水會導致圍巖介質的電導率顯著增大，電場電荷在高電導率的介質中更容易做功而產生大量的電荷能量消耗，雷達更容易接受低頻反射信號，而高頻振蕩電磁波則更易被吸收。因此，通過建立頻率與能量的關系曲線進行頻譜分析，尋求地質體含水情況的主頻值差異，進而定量分析地質體含水情況。

2 工程概況與探測方法

2.1 工程概況

風口山隧道是一座雙向四車道雙連拱隧道，全長515m。隧道區屬低中山構造剝蝕地貌，地層以強風化砂巖為主，節理裂隙發育，巖體破碎，多呈碎石狀碎裂結構；地下水類型主要為基巖裂隙水，主要受大氣降雨補給，水量受區內降雨及季節性影響較大。強風化砂巖遇水軟化，黏聚力大幅度降低，隧道大變形、坍塌風險增加。因此，對其富水區進行超前地質預報識別是一項重要內容。

2.2 預報方式

本次探測的雷達設備選用瑞典MALA/X3M型探地雷達，雷達脈沖重復頻率10～200kHz(標準100 kHz)。采用發射頻率為 100MHz的屏蔽天線，樣點數設為660，時窗為500～700ns，采樣頻率1 024MHz，疊加次數128次，道間距為0.1m，以點測方式采集數據。測線布置如圖1所示。為減少外界環境雜波的干擾，探測前應將掌子面附近的開挖臺車、機械設備撤離，并暫停掌子面附近下臺階鋼拱立架、錨桿鉆孔、焊接等施工作業。

圖1 探地雷達測線布置

采用MATGPR軟件對雷達反射波數據進行分析預處理，預處理步驟主要包括背景去除、帶通濾波、反褶積等，通過預處理來去除反射波中的雜波、增強有效波，提高信噪比。

3 探地雷達波形圖像分析

采用MATGPR軟件對現場探測雷達反射波數據預處理后，得出富水地層與良好地層的探地雷達反射波波形堆積圖，如圖2所示。由富水地層與良好地層的現場實際開挖掌子面情況可知，富水地層的隧道上臺階左側壁有股狀水流出，導致掌子面局部滑塌；良好地層的隧道掌子面未見有水，呈干燥狀態。由于該隧道地層為強風化砂礫巖，節理裂隙發育，巖體較破碎，地層的不均勻性導致富水區段與良好區段的波形圖均存在局部波形較雜亂，同相軸錯斷，振幅變化大，在地質解釋時往往都解釋為巖體破碎，卻很難推測前方圍巖含水情況。可見，針對強風化地層，僅僅依靠反射波形很難準確解譯前方地質情況，需進一步挖掘雷達反射波的深層信息來提高超前地質預報的準確性。

圖2 探地雷達反射波波形堆積圖

4 探地雷達屬性分析

4.1 三瞬屬性

4.1.1瞬時振幅

瞬時振幅只呈現雷達反射波的振幅信息，可排除相位信息的干擾，使雷達反射波信號的強弱更容易被區分。富水地層和良好地層的瞬時振幅分別如圖3所示。富水地層在250～350ns位置呈現深紅色，說明電磁波遇到富水地層時產生強烈反射信號，即能量大，振幅強；相比良好地層瞬時振幅，卻沒有出現紅色區域，即反射信號一般。因此，通過瞬時振幅圖的顏色判斷反射信號的強弱，定性推測地層的含水情況。

圖3 探地雷達瞬時振幅

4.1.2瞬時相位

瞬時相位只呈現雷達反射波的相位信息，可排除振幅信息的干擾，微弱的反射波也能清晰呈現出來。富水地層和良好地層的瞬時相位分別如圖4所示。由圖4可知，由于巖體破碎，富水地層和良好地層的同相軸均錯斷不連續；富水地層相位軸較稀疏，良好地層相位軸較密集，說明富水地層頻率較低，良好地層頻率較高。

圖4 探地雷達瞬時相位

4.1.3瞬時頻率

富水地層和良好地層的瞬時頻率分別如圖5所示。由圖5可知，富水地層反射波頻率較低，良好地層反射波頻率相對較高，這是因為水會吸收掉反射波中的高頻成分，雷達更容易接收到低頻成分。因此，通過分析瞬時頻率圖的顏色可以反映反射波頻率高低，間接定性判斷地層含水情況。

圖5 探地雷達瞬時頻率

4.2 頻譜屬性

對富水區段的雷達反射波其中2道單道波做傅里葉變換進行頻譜分析，在頻譜分析圖中建立振幅和頻率的分布關系曲線，如圖6所示。兩幅圖均呈現高頻成分的振幅較低，低頻成分的振幅高達170左右，這說明電磁波在含水量較大的圍巖介質中傳播時，雷達反射波中大量高頻部分被吸收，且該部分高頻反射波能量耗費較高，因此所對應的能量較小。通過對頻譜分析后得到的主頻值是圍巖富水的一種綜合反映，從圖6中可以看出該富水區段的主頻值大約為30MHz，因此可以把該主頻值作為推斷圍巖富水的量化指標判據。

圖6 富水地層頻譜分析

作為對比，對良好區段的雷達反射波中2道單道波做傅里葉變換進行頻譜分析，在頻譜分析圖中建立振幅和頻率的分布關系曲線，如圖7所示。兩幅圖均呈現出兩個峰值，峰值振幅50左右，主頻值70MHz左右；從而 70 MHz 左右的主頻值作為一個量化指標可對推測圍巖良好。

圖7 良好地層頻譜分析

5 結語

本文利用探地雷達三瞬屬性和頻譜屬性，對富水區段和良好區段的雷達反射波信號進行對比分析，得出以下主要結論。

1)強風化地層巖體破碎，地質的不均勻性導致富水區段與良好區段的波形圖均存在局部波形較雜亂、同相軸錯斷、振幅變化大，根據波形圖很難推測前方圍巖含水情況。

2)通過對富水地層與良好地層的三瞬屬性對比分析，富水地層的瞬時振幅明顯增強，瞬時相位軸較稀疏，瞬時頻率明顯降低。

3)通過對富水地層與良好地層的頻譜對比分析，得到電磁波在富水地層傳播過程中高頻的吸收程度比在良好地層高，良好地層的主頻值在70MHz左右，富水地層的主頻值在30MHz左右。

4)將探地雷達屬性應用到富水強風化地層中能提高預報的準確度，但探地雷達易受探測環境干擾。為確保施工安全，建議結合地質勘查資料、掌子面地質素描及外界降雨量綜合分析，必要時可同時采用其他探測方法進行綜合超前地質預報。