探地雷达属性在富水强风化地层中的应用分析

2021年4月上
第50卷㊀第7期
施㊀工㊀技㊀术
CONSTRUCTIONTECHNOLOGY
77
㊀DOI:10 7672/sgjs2021070077
探地雷达属性在富水强风化地层中的应用分析
王晓曙1ꎬ赵湖潮1ꎬ张延杰1ꎬ许利东1ꎬ丁红岗1ꎬ任孟德2
(1.云南建投基础工程有限责任公司ꎬ云南㊀昆明㊀650000ꎻ2.西安建筑科技大学土木工程学院ꎬ陕西㊀西安㊀710055)[摘要]采用探地雷达进行强风化地层隧道超前地质预报时ꎬ受现场探测环境㊁强风化地层的不均匀性以及解译技术制约ꎬ造成富水区雷达反射波的解译困难ꎮ将探地雷达瞬时属性和频
谱属性应用到富水强风化地层研究中ꎬ介绍了瞬时属性和频谱属性的原理ꎬ并阐述了探地雷达属性在富水强风化地层预报中的可行性ꎮ结合工程实例分析研究表明:富水地层的瞬时振幅增强ꎬ瞬时相位轴稀疏ꎬ瞬时频率降低ꎮ根据100MHz雷达天线实测结果ꎬ良好地层的主频值在70MHz左右ꎬ富水地层的主频值在30MHz左右ꎮ
国际组织的作用[关键词]隧道ꎻ地质预报ꎻ探地雷达ꎻ强风化地层ꎻ三瞬属性ꎻ频谱属性[中图分类号]TU753
[文献标识码]A
[文章编号]1002 ̄8498(2021)07 ̄0077 ̄04
ApplicationAnalysisoftheGroundPenetratingRadarAttributesin
Water ̄richandStrong ̄weatheredStratum
WANGXiaoshu1ꎬZHAOHuchao1ꎬZHANGYanjie1ꎬXULidong1ꎬ
DINGHonggang1ꎬRENMengde2
(1.YunnanConstructionandInvestmentFoundationEngineeringCo.ꎬLtd.ꎬKunmingꎬYunnan㊀650000ꎬChinaꎻ
2.SchoolofCivilEngineeringꎬXi anUniversityofArchitectureandTechnologyꎬXi anꎬShaanxi㊀710055ꎬChina)Abstract:Itisdifficulttointerprettheradarreflectionwavesinwater ̄richstratumwhenusinggroundpenetratingradar(GPR)toforecastthestrong ̄weatheredstratumtunnelduetonumerousfactorsꎬsuchasthefielddetectionenvironmentꎬtheinhomogeneityofstrong ̄weatheredstratumandtheinterpretationtechnologyandsoon.TheinstantaneousattributesandspectrumattributesofGPRareappliedtothestudyofthewater ̄richandstrong ̄weatheredstratum.TheprinciplesofGPRattributesareintroducedꎬandthefeasibilityofthewater ̄richandstrong ̄weatheredstratumpredictionwithGPRbasedonth
eattributesisexpounded.Finallyꎬtheexamplesareanalyzedinthispaperanditshowsthatthewater ̄richandstrong ̄weatheredstratumenhancetheinstantaneousamplitudeofreflectedsignalꎬtheinstantaneous
phaseaxisissparseꎬandreducetheinstantaneousfrequency.Basedontheresultsmeasuredbya100MHzradarantennaꎬthedominantfrequencyvalueofthegoodstratumisapproximately70MHzꎬandthedominantfrequencyvalueofthewater ̄richstratumisabout30MHz.Keywords:tunnelsꎻgeologicalpredictionꎻgroundpenetratingradarꎻstrong ̄weatheredstratumꎻthreeinstantaneousattributesꎻspectrumattribute∗国家十三五重点研发计划(2017YFC0804601)ꎻ国家自然科学基金地区项目(51764020)
[作者简介]王晓曙ꎬ高级工程师ꎬ董事长ꎬ总经理
[通信作者]张延杰ꎬ工程师ꎬ博士ꎬE ̄mail:yanjie_tm@163.com[收稿日期]2020 ̄12 ̄21
0㊀引言
在隧道施工中ꎬ常常会遇到富水地质ꎬ强风化砂岩遇水软化ꎬ黏聚力大幅度降低ꎬ导致隧道大变形㊁坍塌事故时有发生[1 ̄2]ꎮ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ꎬ是确保当
前隧道安全施工亟待解决的问题ꎮ
与其他地球物理探测方法相比ꎬ探地雷达具有高分辨率㊁结果直观㊁扫描迅速等优势ꎬ对含水体非常敏感ꎬ非常适合含水地质体的探测[3 ̄5]ꎮ但受隧道强风化地质㊁岩体破碎和探测环境的干扰ꎬ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ꎬ很容易造成误判和漏判ꎮ为从雷达信号中挖掘更多的信息来刻画和解释探测目标ꎬ将探地雷达的三瞬属性和频谱属性应用到地质解译中ꎮ赵文轲等[6]对探地雷达属性
78㊀施工技术第50卷
分析技术进行较全面的总结㊁评价和分析ꎬ认为探地雷达属性技术拥有良好的应用前景ꎮ刘东坤等[7]对混合型充填溶洞㊁空溶洞㊁富水破碎带3种不良地质体的雷达反射波进行频谱分析ꎬ得出了3种不
同的主频值ꎬ为推测不良地质体提供依据ꎮ刘宗辉等[8]利用雷达属性提取技术ꎬ对岩溶不良地质体多角度定性分析属性特征ꎬ在定性基础上实现属性特征定量表示ꎮ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ꎬ利用复信号技术可提高钻孔雷达解译的精度和准确性ꎮ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ꎬ多角度㊁多标准地对岩溶裂隙水进行预报ꎮ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㊁大小和形状ꎬ对岩溶不良地质体多角度定性分析属性特征ꎬ在定性基础上实现属性特征定量表示ꎮ上述研究主要对岩溶地层的雷达属性分析ꎬ都取得了良好的效果ꎬ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ꎮ
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ꎬ首先对雷达原始数据进行常规处理ꎬ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㊁瞬时相位㊁瞬时频率和能量㊁频率进行分析检测ꎬ在前者定性分析基础上ꎬ根据主频值进行量化分析ꎬ从而达到对探地雷达数据深入分析ꎬ提高对富水地质体的预报准确度ꎮ
1㊀属性分析原理
1 1㊀三瞬属性
㊀㊀三瞬属性指瞬时振幅㊁瞬时相位与瞬时频率3种属性ꎮ瞬时振幅反映了反射信号的强度随着传播深度㊁被探测介质的电磁性质等因素的改变而变化ꎬ与该时刻地质雷达信号总能量的平方根成正比ꎮ当
地质体有明显变化时ꎬ特别遇到富水段ꎬ地质的介电常数差就会很大ꎬ瞬时振幅明显增强ꎮ瞬时相位反映了地质雷达剖面图上同相轴的连续性ꎬ无论反射波的能量强弱ꎬ其相位都能显示出来ꎮ当电磁波在各向同性均匀介质中传播时ꎬ其相位是连续的ꎻ当电磁波在不均匀介质中传播时ꎬ其相位在剖面图中不连续ꎮ瞬时频率是相位的时间变化率ꎬ反映了组成地层的物性变化ꎮ当电磁波通过不同介质时ꎬ电磁波反射信号的频率将会发生变化ꎮ由于水会吸收掉电磁波中的高频部分ꎬ当地质体富水时瞬时频率会明显偏低ꎮ
1 2㊀频谱属性
㊀㊀雷达反射波频谱分析ꎬ就是把信号从时域转换到频域中去分析ꎮ设雷达信号时域函数为f(t)ꎬ经
过傅里叶变换后的频率域函数为F(w)ꎬ频率域函
数F(w)为时域函数f(t)的频谱密度函数ꎬ简称为
频谱[12]ꎮ进行频谱分析后ꎬ可以得到雷达波频率与能量分布的关系曲线ꎮ能量与振幅相关ꎬ设能量谱
为S(w)ꎬ根据能量定理可以得到能量谱和振幅谱
之间的关系ꎬ即:
维纳滤波
S(w)=|F(w)|2(1)㊀㊀因地质的完整性㊁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ꎬ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ꎬ将其值用作判断地质体的定量指标ꎮ
在电磁场的作用下ꎬ水会导致围岩介质的电导
率显著增大ꎬ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ꎬ雷达更容易接受
低频反射信号ꎬ而高频振荡电磁波则更易被吸收ꎮ
因此ꎬ通过建立频率与能量的关系曲线进行频谱分
析ꎬ寻求地质体含水情况的主频值差异ꎬ进而定量
分析地质体含水情况ꎮ
2㊀工程概况与探测方法㊀
2 1㊀工程概况
㊀㊀风口山隧道是一座双向四车道双连拱隧道ꎬ全长515mꎮ隧道区属低中山构造剥蚀地貌ꎬ地层以强风化砂岩为主ꎬ节理裂隙发育ꎬ岩体破碎ꎬ多呈碎石状碎裂结构ꎻ地下水类型主要为基岩裂隙水ꎬ主要受大气降雨补给ꎬ水量受区内降雨及季节性影响较大ꎮ强风化砂岩遇水软化ꎬ黏聚力大幅度降低ꎬ隧道大变形㊁坍塌风险增加ꎮ因此ꎬ对其富水区进行超前地质预报识别是一项重要内容ꎮ
2 2㊀预报方式
㊀㊀本次探测的雷达设备选用瑞典MALA/X3M型探地雷达ꎬ雷达脉冲重复频率10~200kHz(标准100kHz)ꎮ采用发射频率为100MHz的屏蔽天线ꎬ样点数设为660ꎬ时窗为500~700nsꎬ采样频率1024MHzꎬ叠加次数128次ꎬ道间距为0 1mꎬ以点测方式采集数据ꎮ测线布置如图1所示ꎮ为减少外界环境杂波的干扰ꎬ探测前应将掌子面附近的开挖台车㊁机械设备撤离ꎬ并暂停掌子面附近下台阶钢拱立架㊁锚杆钻孔㊁焊接等施工作业ꎮ
采用MATGPR软件对雷达反射波数据进行分
析预处理ꎬ预处理步骤主要包括背景去除㊁带通滤
波㊁反褶积等ꎬ通过预处理来去除反射波中的杂波㊁
增强有效波ꎬ提高信噪比ꎮ
3㊀探地雷达波形图像分析
㊀㊀采用MATGPR软件对现场探测雷达反射波数据预处理后ꎬ得出富水地层与良好地层的探地雷达
2012全国百强县2021No.7王晓曙等:探地雷达属性在富水强风化地层中的应用分析79
图1㊀探地雷达测线布置
反射波波形堆积图ꎬ如图2所示ꎮ由富水地层与良好地层的现场实际开挖掌子面情况可知ꎬ富水地层的隧道上台阶左侧壁有股状水流出ꎬ导致掌子面局部滑塌ꎻ良好地层的隧道掌子面未见有水ꎬ呈干燥状态ꎮ由于该隧道地层为强风化砂砾岩ꎬ节理裂隙发育ꎬ岩体较破碎ꎬ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ꎬ同相轴错断ꎬ振幅变化大ꎬ在地质解释时往往都解释为岩体破碎ꎬ却很难推测前方围岩含水情况ꎮ可见ꎬ针对强风化地层ꎬ仅仅依靠反射波形很难准确解译前方地质情况ꎬ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2㊀探地雷达反射波波形堆积图
4㊀探地雷达属性分析4 1㊀三瞬属性4 1 1㊀瞬时振幅
㊀㊀瞬时振幅只呈现雷达反射波的振幅信息ꎬ可排除相位信息的干扰ꎬ使雷达反射波信号的强弱更容易被区分ꎮ富水地层和良好地层的瞬时振幅分别如图3所示ꎮ富水地层在250~350ns位置呈现深红ꎬ说明电磁波遇到富水地层时产生强烈反射信号ꎬ即能量大ꎬ振幅强ꎻ相比良好地层瞬时振幅ꎬ却没有出现红区域ꎬ即反射信号一般ꎮ因此ꎬ通过瞬时振幅图的颜判断反射信号的强弱ꎬ定性推测地层的含水情况
北京亚运会开幕式图3㊀探地雷达瞬时振幅
4 1 2㊀瞬时相位
㊀㊀瞬时相位只呈现雷达反射波的相位信息ꎬ可排除振幅信息的干扰ꎬ微弱的反射波也能清晰呈现出来ꎮ富水地层和良好地层的瞬时相位分别如图4所示ꎮ由图4可知ꎬ由于岩体破碎ꎬ富水地层和良好地层的同相轴均错断不连续ꎻ富水地层相位轴较稀疏ꎬ良好地层相位轴较密集ꎬ说明富水地层频率较低ꎬ良好地层频率较高
图4㊀探地雷达瞬时相位
4 1 3㊀瞬时频率
㊀㊀富水地层和良好地层的瞬时频率分别如图5所示ꎮ由图5可知ꎬ富水地层反射波频率较低ꎬ良好地层反射波频率相对较高ꎬ这是因为水会吸收掉反射波中的高频成分ꎬ雷达更容易接收到低频成分ꎮ因此ꎬ通过分析瞬时频率图的颜可以反映反射波频率高低ꎬ间接定性判断地层含水情况ꎮ
4 2㊀频谱属性
硫铁矿制硫酸㊀㊀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ꎬ在频谱分析图中建立振幅和频率的分布关系曲线ꎬ如图6所示ꎮ两幅图均呈现高频成分的振幅较低ꎬ低频成分的振幅高达170左右ꎬ这说明电磁波在含水量较大的围岩介质中传播时ꎬ雷达反射波中大量高频部分被吸收ꎬ且该部
80㊀施工技术第50
图5㊀探地雷达瞬时频率
分高频反射波能量耗费较高ꎬ因此所对应的能量较小ꎮ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ꎬ从图6中可以看出该富水区段的主频值大约为30MHzꎬ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6㊀富水地层频谱分析
作为对比ꎬ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ꎬ在频谱分析图中建立振幅和频率的分布关系曲线ꎬ如图7所示ꎮ两幅图均呈现出两个峰值ꎬ峰值振幅50左右ꎬ主频值
70MHz左右ꎻ从而70MHz左右的主频值作为一个量化指标可对推测围岩良好
图7㊀良好地层频谱分析
5㊀结语㊀㊀本文利用探地雷达三瞬属性和频谱属性ꎬ对富
㊀㊀㊀
水区段和良好区段的雷达反射波信号进行对比分析ꎬ得出以下主要结论ꎮ
1)强风化地层岩体破碎ꎬ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㊁同相轴错断㊁振幅变化大ꎬ根据波形图很难推测前方围岩含水情况ꎮ
2)通过对富水地层与良好地层的三瞬属性对比分析ꎬ富水地层的瞬时振幅明显增强ꎬ瞬时相位轴较稀疏ꎬ瞬时频率明显降低ꎮ
3)通过对富水地层与良好地层的频谱对比分
析ꎬ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ꎬ良好地层的主频值在70MHz左右ꎬ富水地层的主频值在30MHz左右ꎮ
鞍山信托
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ꎬ但探地雷达易受探测环境干扰ꎮ为确保施工安全ꎬ建议结合地质勘查资料㊁掌子面地质素描及外界降雨量综合分析ꎬ必要时可同时采用其他探测方法进行综合超前地质预报ꎮ
参考文献:
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