探地雷达属性在富水强风化地层中的应用分析*

王晓曙，赵湖潮，张延杰，许利东，丁红岗，任孟德

(1.云南建投基础工程有限责任公司,云南 昆明 650000； 2.西安建筑科技大学土木工程学院,陕西 西安 710055)

0 引言

在隧道施工中，常常会遇到富水地质，强风化砂岩遇水软化，黏聚力大幅度降低，导致隧道大变形、坍塌事故时有发生[1-2]。提高强风化地层隧道掌子面前方地质含水情况预报的准确性，是确保当前隧道安全施工亟待解决的问题。

与其他地球物理探测方法相比，探地雷达具有高分辨率、结果直观、扫描迅速等优势，对含水体非常敏感，非常适合含水地质体的探测[3-5]。但受隧道强风化地质、岩体破碎和探测环境的干扰，探测人员仅依靠探地雷达剖面图中的强反射轴来对地质体含水情况进行推断和解释，很容易造成误判和漏判。为从雷达信号中挖掘更多的信息来刻画和解释探测目标，将探地雷达的三瞬属性和频谱属性应用到地质解译中。赵文轲等[6]对探地雷达属性分析技术进行较全面的总结、评价和分析，认为探地雷达属性技术拥有良好的应用前景。刘东坤等[7]对混合型充填溶洞、空溶洞、富水破碎带3种不良地质体的雷达反射波进行频谱分析，得出了3种不同的主频值，为推测不良地质体提供依据。刘宗辉等[8]利用雷达属性提取技术，对岩溶不良地质体多角度定性分析属性特征，在定性基础上实现属性特征定量表示。李尧等[9]基于钻孔雷达对典型不良地质体进行正演模拟并进行复信号分析，利用复信号技术可提高钻孔雷达解译的精度和准确性。刘斌等[10]将复信号分析技术引入地质雷达预报岩溶裂隙水的研究与应用中，多角度、多标准地对岩溶裂隙水进行预报。刘成禹等[11]基于探地雷达单道信号处理方法确定岩溶的位置、大小和形状，对岩溶不良地质体多角度定性分析属性特征，在定性基础上实现属性特征定量表示。上述研究主要对岩溶地层的雷达属性分析，都取得了良好的效果，但目前尚不存在针对富水强风化地层探地雷达属性分析工作。

本文从风口山隧道中选取富水区段和良好区段作为对比分析案例，首先对雷达原始数据进行常规处理，然后利用三瞬属性和频谱属性分别在时间域和频率域上对探地雷达反射波瞬时振幅、瞬时相位、瞬时频率和能量、频率进行分析检测，在前者定性分析基础上，根据主频值进行量化分析，从而达到对探地雷达数据深入分析，提高对富水地质体的预报准确度。

1 属性分析原理

1.1 三瞬属性

三瞬属性指瞬时振幅、瞬时相位与瞬时频率3种属性。瞬时振幅反映了反射信号的强度随着传播深度、被探测介质的电磁性质等因素的改变而变化，与该时刻地质雷达信号总能量的平方根成正比。当地质体有明显变化时，特别遇到富水段，地质的介电常数差就会很大，瞬时振幅明显增强。瞬时相位反映了地质雷达剖面图上同相轴的连续性，无论反射波的能量强弱，其相位都能显示出来。当电磁波在各向同性均匀介质中传播时，其相位是连续的；当电磁波在不均匀介质中传播时，其相位在剖面图中不连续。瞬时频率是相位的时间变化率，反映了组成地层的物性变化。当电磁波通过不同介质时，电磁波反射信号的频率将会发生变化。由于水会吸收掉电磁波中的高频部分，当地质体富水时瞬时频率会明显偏低。

1.2 频谱属性

雷达反射波频谱分析，就是把信号从时域转换到频域中去分析。设雷达信号时域函数为f(t)，经过傅里叶变换后的频率域函数为F(w)，频率域函数F(w)为时域函数f(t)的频谱密度函数，简称为频谱[12]。进行频谱分析后，可以得到雷达波频率与能量分布的关系曲线。能量与振幅相关，设能量谱为S(w)，根据能量定理可以得到能量谱和振幅谱之间的关系，即：

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

(1)

因地质的完整性、破碎性情况可以间接通过雷达反射波频率的高低呈现出来，所以可以通过对雷达反射波频谱分析得到该地层的频率值，将其值用作判断地质体的定量指标。

在电磁场的作用下，水会导致围岩介质的电导率显著增大，电场电荷在高电导率的介质中更容易做功而产生大量的电荷能量消耗，雷达更容易接受低频反射信号，而高频振荡电磁波则更易被吸收。因此，通过建立频率与能量的关系曲线进行频谱分析，寻求地质体含水情况的主频值差异，进而定量分析地质体含水情况。

2 工程概况与探测方法

2.1 工程概况

风口山隧道是一座双向四车道双连拱隧道，全长515m。隧道区属低中山构造剥蚀地貌，地层以强风化砂岩为主，节理裂隙发育，岩体破碎，多呈碎石状碎裂结构；地下水类型主要为基岩裂隙水，主要受大气降雨补给，水量受区内降雨及季节性影响较大。强风化砂岩遇水软化，黏聚力大幅度降低，隧道大变形、坍塌风险增加。因此，对其富水区进行超前地质预报识别是一项重要内容。

2.2 预报方式

本次探测的雷达设备选用瑞典MALA/X3M型探地雷达，雷达脉冲重复频率10～200kHz(标准100 kHz)。采用发射频率为 100MHz的屏蔽天线，样点数设为660，时窗为500～700ns，采样频率1 024MHz，叠加次数128次，道间距为0.1m，以点测方式采集数据。测线布置如图1所示。为减少外界环境杂波的干扰，探测前应将掌子面附近的开挖台车、机械设备撤离，并暂停掌子面附近下台阶钢拱立架、锚杆钻孔、焊接等施工作业。

图1 探地雷达测线布置

采用MATGPR软件对雷达反射波数据进行分析预处理，预处理步骤主要包括背景去除、带通滤波、反褶积等，通过预处理来去除反射波中的杂波、增强有效波，提高信噪比。

3 探地雷达波形图像分析

采用MATGPR软件对现场探测雷达反射波数据预处理后，得出富水地层与良好地层的探地雷达反射波波形堆积图，如图2所示。由富水地层与良好地层的现场实际开挖掌子面情况可知，富水地层的隧道上台阶左侧壁有股状水流出，导致掌子面局部滑塌；良好地层的隧道掌子面未见有水，呈干燥状态。由于该隧道地层为强风化砂砾岩，节理裂隙发育，岩体较破碎，地层的不均匀性导致富水区段与良好区段的波形图均存在局部波形较杂乱，同相轴错断，振幅变化大，在地质解释时往往都解释为岩体破碎，却很难推测前方围岩含水情况。可见，针对强风化地层，仅仅依靠反射波形很难准确解译前方地质情况，需进一步挖掘雷达反射波的深层信息来提高超前地质预报的准确性。

图2 探地雷达反射波波形堆积图

4 探地雷达属性分析

4.1 三瞬属性

4.1.1瞬时振幅

瞬时振幅只呈现雷达反射波的振幅信息，可排除相位信息的干扰，使雷达反射波信号的强弱更容易被区分。富水地层和良好地层的瞬时振幅分别如图3所示。富水地层在250～350ns位置呈现深红色，说明电磁波遇到富水地层时产生强烈反射信号，即能量大，振幅强；相比良好地层瞬时振幅，却没有出现红色区域，即反射信号一般。因此，通过瞬时振幅图的颜色判断反射信号的强弱，定性推测地层的含水情况。

图3 探地雷达瞬时振幅

4.1.2瞬时相位

瞬时相位只呈现雷达反射波的相位信息，可排除振幅信息的干扰，微弱的反射波也能清晰呈现出来。富水地层和良好地层的瞬时相位分别如图4所示。由图4可知，由于岩体破碎，富水地层和良好地层的同相轴均错断不连续；富水地层相位轴较稀疏，良好地层相位轴较密集，说明富水地层频率较低，良好地层频率较高。

图4 探地雷达瞬时相位

4.1.3瞬时频率

富水地层和良好地层的瞬时频率分别如图5所示。由图5可知，富水地层反射波频率较低，良好地层反射波频率相对较高，这是因为水会吸收掉反射波中的高频成分，雷达更容易接收到低频成分。因此，通过分析瞬时频率图的颜色可以反映反射波频率高低，间接定性判断地层含水情况。

图5 探地雷达瞬时频率

4.2 频谱属性

对富水区段的雷达反射波其中2道单道波做傅里叶变换进行频谱分析，在频谱分析图中建立振幅和频率的分布关系曲线，如图6所示。两幅图均呈现高频成分的振幅较低，低频成分的振幅高达170左右，这说明电磁波在含水量较大的围岩介质中传播时，雷达反射波中大量高频部分被吸收，且该部分高频反射波能量耗费较高，因此所对应的能量较小。通过对频谱分析后得到的主频值是围岩富水的一种综合反映，从图6中可以看出该富水区段的主频值大约为30MHz，因此可以把该主频值作为推断围岩富水的量化指标判据。

图6 富水地层频谱分析

作为对比，对良好区段的雷达反射波中2道单道波做傅里叶变换进行频谱分析，在频谱分析图中建立振幅和频率的分布关系曲线，如图7所示。两幅图均呈现出两个峰值，峰值振幅50左右，主频值70MHz左右；从而 70 MHz 左右的主频值作为一个量化指标可对推测围岩良好。

图7 良好地层频谱分析

5 结语

本文利用探地雷达三瞬属性和频谱属性，对富水区段和良好区段的雷达反射波信号进行对比分析，得出以下主要结论。

1)强风化地层岩体破碎，地质的不均匀性导致富水区段与良好区段的波形图均存在局部波形较杂乱、同相轴错断、振幅变化大，根据波形图很难推测前方围岩含水情况。

2)通过对富水地层与良好地层的三瞬属性对比分析，富水地层的瞬时振幅明显增强，瞬时相位轴较稀疏，瞬时频率明显降低。

3)通过对富水地层与良好地层的频谱对比分析，得到电磁波在富水地层传播过程中高频的吸收程度比在良好地层高，良好地层的主频值在70MHz左右，富水地层的主频值在30MHz左右。

4)将探地雷达属性应用到富水强风化地层中能提高预报的准确度，但探地雷达易受探测环境干扰。为确保施工安全，建议结合地质勘查资料、掌子面地质素描及外界降雨量综合分析，必要时可同时采用其他探测方法进行综合超前地质预报。