隧道施工期超前预报地质雷达异常干扰识别及处理

周 轮, 李术才, 许振浩,*, 吴 静, 何树江, 黄 鑫, 朱兴礼

(1. 山东大学岩土与结构工程研究中心， 山东 济南 250061；2. 中铁十四局集团第二工程有限公司， 山东 泰安 271000)

隧道施工期超前预报地质雷达异常干扰识别及处理

周 轮1, 李术才1, 许振浩1,*, 吴 静1, 何树江1, 黄 鑫1, 朱兴礼2

(1. 山东大学岩土与结构工程研究中心， 山东 济南 250061；2. 中铁十四局集团第二工程有限公司， 山东 泰安 271000)

受隧道施工复杂环境的影响，地质雷达在超前地质预报中经常遇到各种干扰信号，会对不良地质体探测和预报的准确性造成影响。采用现场实测的方法对隧道地质雷达探测过程中掌子面附近台车等金属物体、探测表面凹凸不平、电缆与输电线路、测线表面金属或非金属干扰物、探测区积水积泥以及底板测线附近金属物体等常见干扰因素进行分析，研究其在雷达处理图像上的表现特征与识别方法，并从相对介电常数取值、直达波拾取、天线移动、测线里程标记、增益调节和数据处理等方面讨论减少或消除干扰因素的措施。研究成果有利于提高地质雷达在隧道超前预报中的准确性，并对类似工程具有一定的参考和借鉴意义。

隧道； 超前地质预报； 地质雷达； 干扰信号； 齐岳山隧道

0 引言

地质雷达具有操作简单、精确度高、对施工影响小等特点，因而被广泛应用在隧道超前地质预报中[1]。近年来大量学者在地质雷达应用方面做了相关研究，在隧道超前地质预报以及施工检测方面积累了丰富的经验[2-4]。然而，受隧道内复杂环境的影响，进行地质雷达数据采集时会遇到各种干扰信号，采集到的原始波形也会千差万别，有的干扰数据甚至会将有效数据完全掩盖，造成对不良地质体的误判，使得探测结果不准确，威胁隧道施工与运营安全[5-6]。同时，操作不当也会产生各种异常信号，只有正确认识干扰波和异常信号的产生原因，才能采取有效的措施，获得高质量的数据图像，为数据解译提供良好的基础[7-9]。

在地质雷达探测干扰识别与处理方面，一些学者也进行了相关研究。如： 许新刚等[10]研究了地质雷达探测过程中几种常见的干扰，并提出了相应的处理对策；兰樟松等[11]将地质雷达应用在工程勘察方面，总结了探测过程中的常见干扰因素；鲁建邦[12]对干扰数据解译图像识别进行研究，提高了干扰图像识别的准确率。而在隧道内特定环境中地质雷达探测干扰方面的研究较少，且关于隧道中常见干扰因素的分析不全面，对减少或消除干扰的措施讨论不详细。

本文结合利万高速齐岳山隧道施工期超前地质预报工作，分析地质雷达探测中的常见干扰因素，研究干扰因素在雷达处理图像上的表现特征与识别方法，根据隧道现场干扰源特征，探讨减少或消除干扰因素的措施。

1 地质雷达探测原理

地质雷达是一种根据岩体介质的电性差异对岩体介质或地质异常体进行探测的电磁波探测技术[13]。通过地质雷达天线向岩体内部发射电磁波，电磁波在不同电性差异界面反射，反射回来的电磁波被接收天线接收，接收数据再传至电脑进行处理，其探测原理如图1所示。通过对采集的数据进行处理，得到雷达反射图像，对图像进行分析，并结合现场实际情况，可以推测不良地质体的类型、位置及其分布特点[14]。

图1 地质雷达探测原理

不同的介质具有不同的反射特性，电磁波在岩体介质中传播时，会在2种不同相对介电常数介质的接触面发生反射，反射波能量的大小取决于反射系数

(1)

式中ε1、ε2为介质的相对介电常数。

由式(1)可知，2种介质的相对介电常数差别越大，反射系数越大，反射越明显。常见介质的相对介电常数如表1所示，其中： 空气的相对介电常数为1，水的相对介电常数为81，金属体的相对介电常数为无穷大。相对介电常数的差异会造成电磁波传播特性的差异。

表1 常见材料的相对介电常数[14-15]

电磁波在介质中的传播速度

(2)

式中：C为电磁波在真空中的传播速度；εr为介质的相对介电常数。

根据材料的相对介电常数，由式(2)可计算出电磁波在该介质中的传播速度，从而可以根据反射波的接收时间判断出反射体的位置。

通过对接收的反射电磁波数据进行分析，可识别地下不良地质体的类型、位置及规模。地质雷达的探测效果主要取决于不良地质体与周围介质间的相对介电常数差异、岩体介质对电磁波的吸收程度、不良地质体的深度位置以及周围探测环境对雷达信号的干扰程度等[14]。不良地质体与周围介质间的相对介电常数差异越大，电磁波反射越强烈，在雷达图像上的反应特征越明显。地质雷达探测时容易受环境干扰，因此，需在探测过程中采取相应的措施来减少或者消除干扰。

2 几种常见异常信号

在隧道中进行地质雷达探测时，掌子面附近的台车等金属物体、探测表面凹凸不平、底板测线附近电缆与输电线路、测线表面金属或非金属干扰物、探测区积水积泥以及底板测线附近金属体等是常见的干扰源，会严重影响采集信息的质量。根据齐岳山隧道现场采集的干扰源数据，分别对上述干扰源进行讨论和分析。

2.1 掌子面附近台车等金属物体

在地质雷达探测隧道掌子面前方地质情况时，需将雷达天线紧贴掌子面，朝掌子面前方发射电磁波，如果掌子面附近施工台车等金属物体未转移至测线范围外一定距离，会对探测结果产生干扰，其在雷达图像上的表现如图2所示，雷达图像上将出现一系列强振幅高能量同相轴。图像异常位置和干扰体位置可通过式(2)速度时间换算关系验证。因此，在进行掌子面地质雷达超前预报时，需将测线附近的金属物体移至测线范围外一定距离，减小对雷达信号的影响。对于无法移走的金属物体，需要标记并记录其位置，防止将掌子面附近的金属物体误判为异常地质体。

图2 掌子面附近金属物体干扰图像

2.2 探测表面凹凸不平

地质雷达探测时，操作员需将雷达天线紧贴探测表面，且天线移动方向须与天线上的标示方向一致。当探测表面凹凸不平时，天线移动过程中容易发生跳动，会造成电磁波散射现象，且电磁波会在地面与天线之间不断震荡和反射，产生的震荡信号会影响有效信号，跳动严重时甚至会将有效信号完全掩盖。天线和探测表面之间的耦合效应引起的反射波信号如图3所示，其在雷达图像上反映为一系列随时间延长的电磁波信号，掩盖了有效信号，造成数据无法分析。探测表面凹凸不平还会造成操作员移动天线不便、移动速度不一致等问题。可以预先对探测表面进行处理，确保探测表面平整。同时为保证天线水平，可以在移动时微抬天线，在保证天线能越过凸起位置时，天线应紧靠探测面，这在一定程度上能减弱干扰，但会使直达波的到达时间延长，后期数据处理时应予以剔除。

图3 探测表面凹凸不平干扰图像

2.3 电缆与输电线路

隧道内电缆对地质雷达探测干扰较大，容易造成误判。电缆通常布置在隧道边墙，在进行底板下方不良地质体探测时，测线方向与电流方向平行，天线的极化方向垂直于电流方向，如图4所示，其在地质雷达图像上表现为1组反射强烈的水平同相轴[14]。在底板探测时，需要注意输电线路与测线之间的相对位置，并记录下来。

图4 电缆与输电线路干扰图像

2.4 测线表面金属或非金属干扰物

电磁波在遇到金属物体时，会在其表面产生强烈全反射，反射能量较强，振幅较大，而频率基本保持不变。当地质雷达天线越过测线表面的金属物体(如钢筋、金属管线、金属电缆等)时，反射波在地质雷达图像上表现为强能量同相轴，并且会在金属物和天线之间多次反射，如图5所示，在雷达图像上表现为强能量同相轴垂向延续时间长的特点[10]；当地质雷达天线越过测线表面非金属干扰物(如小石子、皮管线、木板等)时，电磁波也会产生强能量反射波，得到的反射波图像与金属物体产生的图像类似，但反射电磁波的能量相对较弱，在图像上没那么明显。强反射干扰容易覆盖有效信息，造成采集的图像无法分析。因此，在进行隧道底板探测时，应将测线上的金属和非金属干扰物移开，保持测线平整，或者根据现场情况重新布置测线。

图5 测线表面金属体干扰图像

2.5 探测区域积水积泥

隧道施工时底板常积水积泥，电磁波在积水积泥探测表面出现强反射，会掩盖有效信号，如图6所示，导致探测结果无法分析。因此，探测时需要合理选择测线位置，尽量避免雷达天线通过有水段落；当无法避开时，可先处理积水积泥，然后再进行探测。

图6 探测表面积水积泥干扰图像

2.6 底板测线附近金属体

在进行底板探测时，测线附近通常放置有金属体(如台车、装载机、电机等)，会对探测结果产生干扰。当金属体位于测线两端时，其在雷达图像上反映为双曲线的一翼，如图7(a)所示；当金属体位于测线中间时，其在雷达图像上反映为双曲线，如图7(b)所示。由于双曲线通常为溶洞在雷达图像上的反射特征，为防止将金属体误判为溶洞等异常体，探测前需撤走测线附近的金属体。

(a) 金属体在测线两端

(b) 金属体在测线中部

3 注意事项讨论

3.1 相对介电常数与电磁波传播速度

电磁波在不同介质中的传播速度不同，传播速度会影响隧道不良地质体的定位，因此，正确获取电磁波的传播速度至关重要。电磁波在地层中的传播速度主要取决于介质的相对介电常数[13]，由于地下介质的复杂性和隐蔽性，较难准确获取其相对介电常数值，可通过观测探测区域的地质条件，记录岩体岩性、含水量、泥质含量等信息。根据岩体岩性确定该段岩体的相对介电常数范围，再通过岩体含水量以及泥质含量对相对介电常数值进行修正。当含水量、泥质含量较大时，应适当增大相对介电常数取值。确定相对介电常数值后，再计算其所对应的速度。

3.2 直达波拾取

雷达天线位置与探测表面之间存在一定距离，电磁波传播至地面反射回来被接收形成直达波。为了将探测深度坐标轴原点建立在地面，使异常体深度为雷达图像深度坐标值，在数据处理时需将直达波时间段剔除。直达波时间段切除准确与否会影响异常体的定位，尤其是在采用高频率雷达探测时，探测距离短，切除不准确对不良地质体位置的判断偏差更大，正确选取直达波时间更为重要。在现场探测时，可以预先在地表放一块金属物体，移动天线越过金属物体来获取直达波在雷达图像上的位置，随后移走金属物体再进行正式探测。数据处理时，通过分析越过金属物体的雷达数据来确定直达波时间。

3.3 天线移动速度和距离

在进行底板不良地质体探测时，天线宜匀速移动，且不能过快，以正常步数移动天线为佳，尽量沿设计测线移动。匀速移动的目的主要是便于异常体在测线上的定位。若移动速度过快，会造成获得的有用信息较少，不利于信号分析。测线长度不宜过长，30～40 m为佳，当需要探测的距离较长时，可采用分段探测的方法。

3.4 测线里程标记

在进行底板探测时，地质雷达图像上显示的不良地质体位置通常会与隧道内的实际里程有一些偏差。为保证地质雷达图像上各点的坐标与实际里程对应，可以每隔10 m的距离对测线进行一次标记，并记录所有标记点的里程以供核对[16]。移动天线对齐标记点，打点标记并记录其位置，数据处理时将标记点显示在雷达图像上，以便与实际里程校核。在雷达图像上显示较大异常的位置，可通过增加测线条数来确定异常体的规模与形态。

3.5 增益调节

地质雷达探测时，电磁波由探测面向远处传播，部分能量会被介质吸收掉，反射波能量相应减少。距离天线越近反射波能量越大，距离天线越远反射波能量越小，会在雷达图像上反映出比较明显的能量分层带，越靠近探测表面信号越强，远端信号较弱，因此，需要进行增益调节来放大有效信号。正确的增益调节方式如图8(a)所示。增益调节的原则是保证增益点之间线性变化，同时应使反射能量控制在一定的范围。增益太大会造成削波现象，掩盖有效信号，增益太小有效信号不明显，异常体位置不突出[14]。应根据隧道的实际情况，将天线移至探测位置，采用先自动后手动的方法调节增益。

图8 增益调节示意图

3.6 数据处理

隧道内地质雷达探测时，干扰因素较多，对采集的原始数据处理后才能进行分析，处理时可通过设置正确的滤波参数来去除部分干扰。雷达数据处理的原则是处理步骤越少越好，原始数据最能反映实际情况，处理步骤多则会将有效信号处理掉。随着科学技术的发展，雷达数据处理方法越来越多，效果也越来越好。可根据实际情况选择处理方法，采用多种方法综合处理分析，避免单一方法造成的处理结果与实际情况不符。

4 结论与建议

1)地质雷达探测时需将金属物体移至测线外一定距离。对于会对探测结果产生干扰又无法移走的干扰体，应详细记录其相关信息，包括干扰体的属性与大小以及干扰体与测线的相对位置关系等，并通过信号处理从雷达图像上识别或剔除干扰波，降低误判率。

2)确保探测表面平整或适当调节天线与地面距离，保证天线与探测表面平行，注意清理底板积水，减少积水对探测的影响。

3)根据现场围岩情况，选取合适的相对介电常数。标记测线里程，并在探测一定范围后进行校核。天线移动应匀速，且不能过快。合理设置增益，采用正确的滤波参数。

4)当预报结果显示存在异常体时，可增加测线密度或辅以其他探测方法进行综合超前预报，避免单一方法造成的处理结果与实际情况不符，从而更准确地进行超前地质预报。

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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

国家重点基础研究发展计划(“973”计划)(2013CB036000)； 国家自然科学基金(51479106， 51509147)； 山东省优秀中青年科学家奖励基金(2014BSE27132)

周轮(1992—)，男，湖南娄底人，山东大学建筑与土木工程专业在读硕士，研究方向为隧道地质灾害超前预报及防治。E-mail：18769788330@163.com。 *通讯作者： 许振浩， 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