张 胜，黎永索，范天成，蒋东宇，曾 健

隧道不良地质体的模型试验及检测信号频谱分析

张 胜，黎永索，范天成，蒋东宇，曾 健

（湖南城市学院土木工程学院，湖南 益阳 413000）

隧道工程建设经常会遇到诸如溶洞、溶洞积水等不良地质情况，为确保隧道施工安全，普遍采用地质雷达探明掌子面前方是否存在不良地质体及含水情况，如何根据地质雷达波形及频谱特征进行解译显得尤为重要．利用可重复的砂槽，建立试验模型，模型中埋设空洞、空洞积水等典型不良情况，采用地质雷达对试验模型进行探测，获得不同地质条件的地质雷达检测数据，并对地质雷达数据进行频谱分析．结果表明：电磁波遇到不同地质时，地质雷达时间剖面图中出现明显振幅反射，但振幅衰减存在明显的差异性；随着介质的介电常数增大，地质雷达信号振幅衰减逐渐增大，但主振频率反而降低．模型试验成果为实际工程中对隧道掌子面前方不同地质情况的解译提供参考．

隧道工程；不良地质体；模型试验；频谱分析；地质雷达

随着我国经济的不断发展以及城市化进程的快速推进，交通隧道、市政隧道以及水工隧道逐渐进入更加复杂的地质区域．地质勘察对地下工程施工的影响日益突出，特别是在隧道施工过程中，不良地质情况常常成为制约隧道修建的主要因素[1]．为了保证隧道施工的质量，需要合理应用综合地质勘查技术，对地质情况进行准确地判断，保障施工安全，提高施工速度，扩大施工效益．近年来，超前地质预报在我国隧道施工中已经开始发挥作用，尤其是在存在空洞、破碎带、软弱夹层和溶洞等不良地质情况下对隧道进行施工时，已被列为必不可少的技术环节[2-3]．地质雷达法是近年来应用于短距离超前地质预报较为普遍的一种物探手段[4]．地质雷达法以其快速、无损、连续探测、实时成像、数据处理直观方便以及探测精度高等优点，在隧道工程超前地质预报检测中广泛应用[5-6]．然而，由于隧道施工环境的复杂性、掌子面检测的不平整性以及各种因素的干扰，势必造成地质雷达检测数据的质量下降，有效信号不突出，加之解译工作缺乏标准化的比对数据，专业技术人员知识背景和经验积累不同，对出具地质雷达检测报告也会有明显差异[7]．在地质雷达解译过程中，地质雷达信号及其频谱特征与对应的空洞、破碎带、软弱夹层和溶洞等不良地质条件有着直接关系，对地质雷达检测结果的解读有重要的依据，国内外相关学者对此作了相关研究，并在工程实践中起了重要作用．如：刘东坤等对西南地区隧道施工中所遇到不良地质情况的构成以及地质雷达检测信号频谱差异特征作了分析[8]；吴霞等作了大量的现场探测，对不同风化程度灰岩的地质雷达时间剖面及其频谱特征进行了研究[9]．但大部分研究内容主要以地质雷达时间剖面图像的定性分析为主，而对地质雷达单道信号进行定量分析非常少见，这也是目前国内外相关学者研究的热点．

因此，本文通过模型试验研究不同地质条件下地质雷达信号的频谱特征，并从定量的角度加以分析，对提高利用地质雷达检测信号来判断地下空间中不良体的准确性具有重要的理论意义和实际应用价值．

1 地质雷达法的探测原理

地质雷达法是一种电磁波反射技术[10]．发射机向地下目标体发射出10~1 500 MHz的高频电磁波，电磁波在传播过程中遇到介电常数不同的物体(如空洞、破碎带、软弱夹层和溶洞)时，一部分电磁波会发生反射，产生返回地面的回波；另一部分电磁波将穿透不良体继续向下传播，地质雷达的接收天线将接收反射回来的电磁波(见图1)，通过电缆把信号传到主机上，主机把接收的地质雷达检测信号转换成数字信号．也就是说，地质雷达主机自动记录并合成地质雷达的时间剖面图，地质雷达的时间剖面图直接反映了本次测试的地质情况．由地质雷达记录的双程走时和求得的速度，就可以确定所测目标体的深度[11]．

图1 地质雷达探测原理图

由式(1)和式(2)可得

由于所测目标体(如空洞、破碎带、软弱夹层和溶洞)的相对介电常数、电导率、电磁波速度和衰减等与周围地层的这些参数存在着明显差异，导致了地质雷达图像特征中波幅的宽窄、振幅的强弱以及波的形状特征均不一致．因此，对地质雷达采集的数据进行处理后，根据地质雷达图像的差异化特征就可以判断不同目标体的属性．

2 试验方案设计

为了保证地质雷达检测数据的可靠性，故利用砂槽模拟均质围岩进行反复大量的试验．砂槽试验模型的示意图见图2，黑色区域表示不良地质体，相关介质的典型电性参数见表1[11]．

图2 试验模型示意图

表1 常见介质的介电常数、电导率、速度和衰减

砂槽试验模型如图3所示．采用木模板成型，模型长2.5 m，宽1.0 m，高0.5 m．砂槽中心埋设内径20 cm×20 cm×20 cm空腔木箱模拟空洞，在木箱中注入半箱水模拟空洞积水，在木箱中注满水模拟空洞积满水．此时，模型试验有正常(纯砂)、空洞、空洞积水和空洞积满水4种工况．

图3 砂槽试验模型图

3 波形与频谱分析

3.1 地质雷达信号的采集

探测时，采用美国GSSI SIR3000型地质雷达，其主要工作技术参数为：天线中心频率900 MHz，采样时窗9 ns，采样点数512．试验过程中，采取点测方式，地质雷达天线沿着砂槽长度中心线方向移动，每次移动距离为1 cm，横向共采集100道信号．采集过程中对每种工况进行标记，如“1”对应纯砂，“2”对应空洞，“3”对应空洞积水，“4”对应空洞积满水．不同地质条件下，采集的地质雷达时间剖面图如图4所示．从图4可以看出：

图4 不同地质条件下地质雷达时间剖面图

(1)地质雷达时间剖面的左、右侧面和底面受到界面反射严重；

(2)地质雷达电磁波遇到不同介质时，界面处均出现明显的反射；

(3)随着介质的介电常数的增加，地质雷达时间剖面图上衰减快，从而可以定性判断振幅衰减的相对快慢，但不能显示具体的量值．

因此，需采用其他方法作进一步分析．

3.2 地质雷达信号的波形分析

为了更好地说明电磁波遇到不同介质时地质雷达时间剖面图的图像特征，选取每个工况下的典型波形进行对比分析．从如图4所示的不同地质条件下地质雷达时间剖面图中抽取第50道信号，结果见图5．从图5可以看出，电磁波遇到介电常数不同的空洞、空洞积水和空洞积满水情况时，振幅衰减明显增大，振幅衰减的幅度关系为2<3<4；当木箱积满水时，地质雷达反射波不是波峰、波谷呈交替反射，而是以一段波形逐渐衰减．因此，在实际工程中，对地质资料疑似有积水状况时，可以考虑抽取地质雷达信号的特征波形进行详细研究．

3.3 地质雷达信号的频谱分析

对如图5所示的地质雷达特征信号进行傅里叶变换，结果见图6．从图6可看出，电磁波遇到不同介质时，地质雷达信号的频率成分均小于2 000 MHz，频率成分相对简单，只有2~3个幅度较大的峰值，但主振频率存在明显的差异性，其值分别为598 MHz、798 MHz、798 MHz和465 MHz．也就是说，地质雷达信号随着介质的介电常数增大而其主振频率发生相应的降低．相对于有积水的空洞，没有积水的空洞的地质雷达检测信号的主振频率要更集中．

图6 不同地质条件下第50道信号的频谱

4 结论

(1)在地质雷达时间剖面图上，电磁波遇到不同介质时，界面处均出现明显的振幅反射，但振幅衰减又有明显的差异；

(2)电磁波遇到介电常数不同的空洞、空洞积水和空洞积满水情况时，地质雷达信号的振幅衰减呈现差异性，特别是当空洞积满水时，地质雷达反射波不是波峰和波谷呈交替反射，而是以一段波形逐渐衰减．

(3)地质雷达信号的频率成分相对简单，但主振频率存在明显的差异性．随着介质的介电常数增大，地质雷达信号的主振频率反而降低．

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[4]吴俊, 毛海和, 应松, 等. 地质雷达在公路隧道短期地质超前预报中的应用[J]. 岩土力学, 2003(S1): 154-157.

[5]高至飞, 侯长兵. 地质雷达法检测高速铁路隧道常见质量缺陷及图像解释[J]. 铁道建筑, 2014(11): 94-97.

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[10]杨艳青, 贺少辉, 江波, 等. 铁路隧道整体式衬砌地质雷达检测模拟试验研究[J]. 铁道学报, 2012, 34(9): 93-98.

[11]曾昭发, 刘四新, 冯晅, 等. 探地雷达原理与应用[M]. 北京:电子工业出版社, 2010.

(责任编校：陈健琼)

Model Experiment and Frequency Spectrum Analysis of Detection Signal Foradverse Geological Bodiesin Tunnel

ZHANG Sheng, LI Yongsuo, FAN Tiancheng, JIANG Dongyu, ZENG Jian

（School of Civil Engineering, Hunan City University, Yiyang, Hunan 413000, China）

Tunnel engineering construction often encounters adverse geological conditions such as karst caves, is widely used karst cavesseeper. In order to ensure the safety of tunnel construction, ground penetrating radar (GPR) for exploring the adverse geological bodies in front of the tunnel face, especially towater-holding condition. Therefore, it is of vital importance to explore how to interpret the waveform and spectrum characteristics of GPR. The model experiment is established by using the repeated sandlaunder. In the model, the typical adverse geological conditions such as cavity, cavity seeper were buried. Then the model experiment was detected by GPR. GPR data were obtained under different geological conditions. The GPR data were analyzed by Fouriertransform. The results show that when the electromagnetic wave encounters different geological conditions, there is an obvious amplitude reflection in the GPR time section. But the amplitude attenuation has obvious differences. With the increase of dielectric constant, GPR signal amplitude attenuation increases gradually, but the main vibration frequency decreases. The model experiment results provide a reference for analyzing the different geological conditions in front of tunnel face in practical engineering.

tunnel engineering; adverse geological bodies; model experiment; frequency spectrum analysis; ground penetrating radar

U45

A

10.3969/j.issn.1672-7304.2017.04.0001

1672–7304(2017)04–0001–05

2017-04-13

国家自然科学基金项目(51608183，51678226)；益阳市指导性科技计划项目(益科字[2016]51号)；湖南城市学院大学生创新性实验计划项目(CX201635)

张胜(1984-)，男，湖南安化人，博士，主要从事隧道与地下工程研究．E-mail：zhangsheng0403311@163.com