某公路隧道充泥型溶洞探地雷达属性分析

廖翼强

（广西路建工程集团有限公司，广西 南宁 530000）

0 引言

岩溶隧道施工过程中，隧道突泥的存在一直是制约隧道施工进度、造价以及人员财产安全的重要隐患。本文所依托工程为西南某省高速公路隧道，隧址区域地质环境复杂，岩石风化程度高且较为破碎；雨季施工时，由于岩溶形成地下水系的活动与地表水系联系紧密，掌子面涌水的水质变化明显，往往伴随出泥现象，在此类地区进行隧道施工建设时极有可能存在大规模突泥风险［1］。岩溶隧道大规模突水突泥往往具有突发性，前期预兆不明显，对隧道施工人员安全威胁极大。如2018年贵南客运专线在建的朝阳隧道发生突泥突水事件，致使2名施工人员死亡；2018年湖北广水的一个在建隧道发生突水突泥事故，导致6名施工人员被困。这些均为突发性突泥突水，前期预兆不明显，因此，隧道施工前准确预报掌子面前方是否存在充泥型溶洞，是隧道工程建设亟待解决的关键问题［2］。

探地雷达是一种利用电磁波对地下浅埋目标进行无损探测的技术，近些年来已经成为隧道建设过程中不可或缺的重要地质预报技术手段。因为电磁波在理论和数据处理方面与地震波相似，且地震属性分析得较为完善，探地雷达属性也逐渐由地震属性引入到探地雷达数据解释［3］，有些学者直接借用地震属性分析软件来分析探地雷达属性，如Senecha等［4］直接用地震处理软件PROMAX处理雷达数据，并取得了不错的应用效果。目前常用的探地雷达属性有三瞬属性、频谱属性、时频属性等，探地雷达数据解释也包含了波形、频率、振幅、瞬时属性等方法。如岳全贵等［5］通过分析几种典型岩溶不良地质体的雷达剖面图的波形、频率、振幅等特征，推断隧道开挖掌子面前方潜在不良地质体的类型以及位置、构造走向等空间分布特征，开挖结果验证了探地雷达超前地质预报的可行性与准确性；刘东坤等［6］分析了电磁波的反射、吸收（衰减）特性在充填型溶洞、空腔型溶洞、富水破碎带三种不良地质中的变化；刘成禹等［7］提出一种基于探地雷达原始记录数据的单道信号，通过将特定区域单道信号进行希尔伯特变换计算获取信号瞬时振幅、相位及频率的三瞬属性，从而推断岩溶位置和大小的方法，并在实际工程中得到良好应用。

虽然探地雷达属性分析技术在地质探测领域得到成功应用，但目前鲜有文献针对岩溶隧道充泥型溶洞分析其探地雷达属性特征。隧道突泥突水是隧道施工过程中的重要安全隐患，对隧道施工危害极大。因此，分析掌子面前方存在充泥型溶洞时探地雷达的属性特征，对地质超前预报判定掌子面前方是否存在突泥突水不良地质具有重要实际意义。

1 理论分析

本节简要介绍探地雷达基本理论与现场工作方法。

1.1 探地雷达基本理论

在隧道建设过程中采用探地雷达进行超前地质预报，探地雷达从发射天线T将高频脉冲发射到掌子面前方，然后由接收天线R记录所发射的脉冲（见图1a）。这种方法所记录的简单单道波形即称为单道波（见图1b）。

脉冲信号向掌子面前方辐射时，一部分能量直接通过空气和浅表面传播并由接收天线接收，即直达波；另一部分能量则穿过介质传播到更深的区域。当透射波遇到空洞溶洞、充填型溶洞和溶蚀破碎带等不连续面时，接收天线接收并记录反射回来的数据信息，此部分信息称为反射波。在隧道中，对于整体岩石，大部分电磁波能量是透射的，而在受损岩石，即质量差的岩石中，能量随着填充材料（空气、水、泥）的介电特性而变为反向散射。通过对雷达记录的波形、强度、双向走时和有效信号强度的分析和处理，可以得到岩溶的具体空间位置、结构和几何形状［8］。

图1 探地雷达工作原理图和单道波示意图

1.2 检测设备及工作方法

仪器设备采用美国进口劳雷地质雷达SIR－4000型探地雷达系统，该系统包括仪器主机和100MHz天线两部分。本文检测采用地质雷达法对围岩情况进行检测，根据现场实际情况测线布置如图2所示，测线方向为掌子面从左至右。

图2 现场实际测线布置示意图

2 常用探地雷达属性介绍

2.1 三瞬属性

三瞬属性是目前探地雷达属性应用中最为常见的一种属性分析方法，具体指的是单道信号经希尔伯特变换构造复信号计算得到瞬时振幅、瞬时相位与瞬时频率［9］。其中瞬时振幅属性反映了电磁波在前方不良地质中传播时，反射信号的能量大小以及能量损失特征，因此可以很好地反映掌子面前方介质的性质，大致推定异常区域；瞬时相位属性最大的优点在于相位的大小不随反射波的振幅变化，可以较好地反映掌子面前方深层位置处的介质相位变化；瞬时频率属性则是相位的时间变化率，因此可以很好地体现掌子面前方断层等变化情况。

2.2 频谱属性

探地雷达频谱属性是根据波形图判定的地质异常区域，通过对截取异常区域的有效单道信号作傅里叶变换以获取雷达数据在频率域中的信息，频谱属性可以较为直观地反映电磁波在穿过异常区域时，岩溶不良地质对电磁波的吸收衰减特性［6］。

2.3 时频属性

通过频谱属性分析可以获取信号在频率域中的整体分布情况，但未能得到各时刻的具体频率成分信息。因此，有必要对雷达信号进行时频变换以获取雷达信号的时频局部特征［10］，本文时频属性的提取方法为对单道信号数据进行广义S变换，其数学表达式为：

其中k和p分别为实际各频率调节参数，具体大小应根据实际需要选择。

3 工程实例分析

本文以西南某省高速公路隧道为依托，选取经现场开挖验证后的充泥型溶洞探地雷达数据为分析对象，分别从波形图、三瞬属性、频谱属性以及时频属性等方面分析掌子面前方充泥型溶洞的不同特征。

3.1 工程地质概况

隧址属亚热带季风气候，夏长多雨，年平均气温18.2℃～21.7℃，年降雨量在1 249～1 673mm之间；隧道地貌属于岩溶峰丛地貌，地形切割剧烈，沟谷发育；隧道进出口主要由微风化灰岩组成，结构面发育。洞身段主要为微风化灰岩，岩质较硬，局部节理发育，多呈闭合状态，岩体较完整，局部较破碎，工程地质稳定性较好。隧址范围内无大的地表水体，岩溶水主要分布于灰岩中的溶洞、溶蚀裂隙及岩溶破碎带中。

3.2 隧道掌子面情况

掌子面揭露围岩为微风化灰岩，岩质坚硬，岩体完整性较好，节理裂隙弱发育，岩体结构面结合较好，掌子面干燥。

3.3 掌子面探地雷达记录

根据本文1.2节现场测线布置，获取掌子面处雷达原始数据，并对原始雷达数据进行常规的数据处理，如静态校正、增益调整、去直流漂移、滤波、压制和剔除干扰波及突出有效波等处理，处理后波形图如图3所示。图3中框线圈定区域存在明显的同相轴连续，上方反射界面约为时间深度50ns处，且后方存在多次强反射。结合掌子面地质情况，按照常规分析可推断此区域为充填型溶洞，具体充填物质类别不能精确推定。此外，该异常区域位于隧道掌子面左前方，具体不良地质规模大小未能得到很好体现。因此，在此区域进行隧道掘进时应谨慎开挖，短进尺、弱爆破、早支护、勤量测，做好预防突水突泥措施。实际开挖进尺约3m后，掌子面左前方出现大量突泥，开挖结果与预期一致，验证了利用探地雷达对前方不良地质进行预报的必要性。

图3 处理后雷达图像示例图

3.4 充泥型溶洞探地雷达属性分析

本文选取掌子面测线0.8m处（见图3）单道波数据为分析对象，单道波形图如图4所示，图中圈定区域即为掌子面左前方异常区域，该区域波形较为规律，振幅变化明显且幅值衰减较慢。此类现象可解释为电磁波传播在充泥型溶洞不良地质区域上反射界面时介质电性差异较大，因此振幅变化明显；在充泥型溶洞内部传播时电磁波传播速度明显降低，使得上下界面反射波出现明显分离，即在反射界面后方形成多次反射。

图4 单道波形图

3.4.1 瞬时属性分析

将上述选取的雷达单道信号作希尔伯特变换并作归一化处理，可获得瞬时振幅属性如图5所示，图中显示在异常区域振幅衰减较为规律，主峰明显且存在多个峰值，表明其振幅衰减较慢并呈规律性变化。这是因为该异常区域介质较为均匀，电磁波能量衰减较慢。

图5 瞬时振幅示意图

3.4.2 幅度谱属性分析

将上述截取的充泥型溶洞区段雷达反射波作傅里叶变换并归一化处理得到幅度谱，如图6所示。从图中可以看出充泥型溶洞反射波主频明显，中心频率分布在80～100MHz之间。

图6 幅度谱示意图

3.4.3 时频属性分析

图7为上述选定的单道波进行广义S变换的结果，参数k取0.4，p取0.7。经时频属性分析可获得单道波各时刻频率信息，从时频分布图中可以看出充泥型溶洞上、下反射界面反射波所对应的中心频率接近雷达反射波的中心频率，并随着反射次数增加逐渐减小，此现象可解释为雷达电磁波在泥浆中传播时高频成分不断衰减所致。

图7 时频分布示例图

4 结语

本文对经开挖验证后的充泥型溶洞探地雷达数据进行多种雷达属性分析，结果表明：

（1）充泥型溶洞雷达上反射截面振幅变化明显，后方存在多次反射；反射波主频明显，且中心频率分布在80～100MHz之间。

（2）时频分布表明此类异常区域中心频率随时间衰减较为明显，反映电磁波在充泥型溶洞内存在频率衰减现象。

（3）本文采用的多种属性分析技术及对充泥型溶洞探地雷达分析结果对岩溶隧道探地雷达数据解释与推断前方是否存在类似突泥不良地质具有一定的参考和借鉴意义。