地质雷达波频率与围岩等级相关关系统计分析

黄 振，刘成禹

(福州大学环境与资源学院，福州 350108)

0 引言

探地雷达(Ground Penetrating Radar，简称 GPR)，又称地质雷达，是近些年发展起来的高效的浅层地球物理探测新技术，在隧道地质超前预报中得到了广泛的应用［1－2］。

由于在岩溶地区隧道施工过程中，经常遇到突水、突泥等无法预料的地质灾害［3］，所以对超前预报研究的较多。王梦恕［4］在对岩溶地区隧道施工水文地质超前预报的意见中对仪器及方法进行了讨论。方建勤等［5］关于岩溶地质对隧道施工稳定性的影响进行了分析评价。刘斌等［6］将复信号分析技术引入到地质雷达探查水体的研究中。但是对于地质雷达波频率与围岩性质相关关系的研究较少。

由于地质雷达探测存在多解性现象，积累丰富的工程经验是准确解释雷达探测成果剖面的基础［7］。场采集地质雷达频率数据，统计整体波形频率变化特征及该区域内不同围岩情况下的雷达波频率特征。结合现场地质描述资料，分析了地质雷达波频率与围岩性质的相关特性，得到了一些定量指标，以便能更好地应用于地质雷达辅助隧道施工。

1 基本原理

现对掌子面前方围岩进行超前探测，根据反射波的穿越时间、幅度和波形，判断地下目标体的空间位置、结构及其分布［2］;确定隧道前方断层破碎带、裂隙风化破碎带、富水带等不良地质状况的位置与范围，进而详细划分或界定围岩类型以便采取不同开发方式及超前支护措施，防止隧道灾害的发生［8－11］。

2 数据分析区域概况

2.1 区域地质情况

赣龙铁路3标段位于闽、粤、赣3省交界，以低山、丘陵地貌为主，地层岩性以沉积岩和变质岩为主。在标段隧道内，出露岩层岩性为花岗岩、石英砂岩、粉砂岩、变质粉砂岩、变质砂岩和炭质页岩;部分区域出露冲－残积土和粉质黏土;部分隧道地下水发育，地下水主要为基岩裂隙水和构造裂隙水。

2.2 数据情况

所采用的数据取自2011年3—7月，赣龙铁路3标地质雷达探测报告。地质雷达探测选用瑞典MALA地球科学公司(Sweden MALA Geoscience Inc)生产的RAMAC X3M型探地雷达，天线中心频率100MHz。通过仔细阅读探测报告，使用Reflexw软件对原始数据重新处理，得到雷达剖面图和频谱图。按照已划分的不同围岩段，统计得到了231个不同围岩分段的雷达波频率。

3 数据处理方法

为了对所得数据的总体分布及分布的数字特征等做出统计推断，采用区间估计的数理统计方法，以得到可信度较高的数据区间。

假设统计点频率服从正态分布N(μ，σ2)，计算统计点频率的均值 μ 对应于置信度为 0.95，0.98，0.99的置信区间，则计算公式为:

式中:n为计算参数样本个数;X为样本平均值;S为样本均方差;t为分位点。当统计点数≤6时，取均值的±4%作为区间界限。

正态测试是用于确定一组数据(Xi，i=1～n)是否服从正态分布的非常有用的工具。在正态测试中统计数

为了便于分析讨论，按以下几种情况进行数理统计:1)围岩等级;2)岩性与围岩等级;3)水文状况与围岩等级。

4 结果与分析

通过数理统计，得到3组不同置信度下的频率分布区间结果。频率分布区间不宜过大或过小，通过比较，认为选取区间范围接近于10 MHz时作为所要求的结果较合理。

4.1 地质雷达波频率与围岩等级

该部分共统计了231组数据，其中Ⅲ级围岩15组，Ⅳ级围岩63组，Ⅴ级围岩153组。

对Ⅳ级、Ⅴ级围岩统计数据作直方统计图，并拟合正态分布曲线，如图1所示。Ⅳ级、Ⅴ级围岩统计数据较多，得到结果可信度更高，统计结果见表1。

图1 围岩等级直方统计图Fig.1 Histograms showing relationship between GPR wave frequency and grade of rock mass

表1 围岩等级计算结果Table 1 Calculation results based on grade of rock mass

在对地质雷达原始数据的处理过程中得到不同围岩等级的典型波形频率图，如图2和图3所示。

由图1—3可知:

1)不同等级围岩的雷达波频率范围有明显差异，频率分布范围交叉较小，随围岩工程性质变差，频率明显下降。

2)对于某一等级围岩的波形频率分布区间范围较大，但有明显集中分布的区间，通过拟合的正态曲线也能较好地反映其分布规律。

3)当统计数据足够多时，对统计数据进行正态测试结果符合正态分布的假设，可见不同等级围岩波形频率变化为正态分布。

4.2 不同岩性地质雷达波频率与围岩等级

该部分共统计了198组数据，按花岗岩39组、变质粉砂岩75组、变质砂岩33组、粉砂岩39组、石英砂岩12组统计，结果见表2。

对不同岩性统计结果作直方统计图，对统计数据较多的图形进行正态曲线拟合，以便更好地分析变化规律，如图4所示。

由图4可知:

1)粉砂岩等沉积岩的围岩雷达波频率较变质粉砂岩等变质岩的围岩频率高。花岗岩波形频率变化较大，出现了较低的频率，可能是由于整体性差、地下水发育较强引起的。

2)对于相同岩性的不同等级围岩的变化规律与只考虑围岩等级的情况大致相同。

表2 岩性与围岩等级统计结果Table 2 Statistics on basis of lithology and grade of rock mass

4.3 不同水文状况地质雷达波频率与围岩等级

该部分共统计了186组数据，按地下水较发育78组、地下水不发育108组分别进行统计，结果见表3。

表3 水文状况与围岩等级统计结果Table 3 Statistics on basis of hydrology and grade of rock mass

对不同水文状况统计结果作直方统计图，并对图形进行正态曲线拟合，以便更好地分析变化规律，如图5所示。

图5 Ⅴ级围岩波形频率直方统计图Fig.5 Histograms showing relationship between groundwater and GPR wave frequency in GradeⅤrock mass

雷达波速和频谱与岩体破碎程度相关，对岩体中的高电导物体，如含水情况、含泥情况影响也很大。

由图5可以看出:对比不同水文状况相同围岩等级，波形频率分布区间变化没有明显的规律性，拟合的正态分布曲线也基本相同，说明单一考虑地下水的发育情况，不能对围岩等级做出很好的判断。

5 结论与讨论

虽然地质描述及地质预报存在很大的不确定性，但是这些现场资料的统计分析对区域地质预报具有一定的辅助作用。

通过对大量地质雷达隧道超前预报报告和实测掌子面产状的统计，按照围岩等级、岩性、水文情况3个方面分别进行分析，得出地质雷达波频率与围岩等级相关关系的统计结果:1)不同等级围岩的雷达波频率范围存在明显差异，围岩工程性质变差，频率变低;2)对于不同岩性围岩，围岩等级从Ⅲ级到Ⅴ级，雷达波频率变低;3)不同水文状况下，波形频率分布区间变化不明显。

由于区域性的地质特点以及索取数据数量有限，所得规律性的统计特征具有局限性。雷达波速和频谱对含泥、含水情况，破碎情况影响都较大，因此，需要更多的统计分析并结合其他方法(如地震波法、电法等手段)，才能将地质预报的辅助作用发挥得更好。

［1］ 何发亮，李苍松，陈成宗.隧道地质超前预报［M］.成都:西南交通大学出版社，2006.

［2］ 薄会申.地质雷达技术实用手册［M］.北京:地质出版社，2006.

［3］ 李术才，李树忱，张庆松，等.岩溶裂隙水与不良地质情况超前预报研究［J］.岩石力学与工程学报，2007，26(2):217 －225.(LI Shucai，LI Shuchen，ZHANG Qingsong，et al.Forecast of karst-fractured ground water and defective geological conditions［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2007，26(2):217 －225.(in Chinese))

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