超前探测中探地雷达应用与结果的处理分析.pdf

J o u r n a l o f E n g i n e e r i n g G e o l o g y 工程地质学报 1 0 0 4 9 6 6 5 ／ 2 0 1 0 ／ l 8 6 - 0 9 7 1 0 5 超前探测 中探地 雷达应用与结果的处理分析 水 杨天春① 周 勇② 李 好① ①湖南科技大学湖南省普通高等学校土木工程施工过程与质量安全控制重点实验室湘潭4 1 1 2 0 1 ②中南大学信息物理工程学院长沙4 1 0 0 8 3 摘要在隧道施工中， 由于地质条件的复杂性和勘察工作的局限性， 往往造成地质勘查成果与开挖后的情况不一致 ， 这就 要求在隧道施工工程中进行超前跟踪探测， 确保隧道施工的安全。本文主要介绍 S I R - 3 0 0 0探地雷达系统在郴 州 宁 远 高 速公路芒头岭隧道超前预报中的应用概况， 并采用空间域滤波和希尔伯特变换等方法对探测结果进行处理， 根据处理结果对 隧道掌子面前方溶洞、 裂隙等地质情况进行预测。隧道后期的开挖情况证明了雷达预测结果的正确性， 取得了较好的预测效 果， 同时也说明了采用空间滤波、 希尔伯特变换等处理方法对改进实测数据质量方面的有用性。 关键词探地雷达超前探测希尔伯特变换空间滤波公路隧道 中图分类号 1 6 3 1 ． 3 3 文献标 识码 A US E AND ANALYS I S 0F GR0I ND PENETRATI oN RADAR FoR FoRCA- STI NG GEoLoGI CAL CoNDI TI oNS I N m Gl I Ⅵ AY TUNNELD G YANG Ti a n c h u n ①Z HOU Yo n g L I Ha o H u n a n C o l l e g e K e y L a b o r a t o r y oft h e C o n s t r u c t i o n P r o c e s s ， Q u a l i t y a n d S a f e t y ofC i v i l E n g i n e e r i n g ， H u n a n U n i v e r s i t y ofS c i e n c e a nd T e c h n o l o g y ， Xi a n g t a n 4 1 1 2 0 1 S c h o o l ofI n f o P h y s i c s a nd G e o m a t i c s E n g i nee r i n g ， C e n t r a l S o u t h U n i v e r s i t y ， C h a n g s h a 4 1 0 0 8 3 Abs t r a c t Be c a us e o f t he c o mp l e x i t y o f g e o l o g i c a l c o nd i t i o n s o f t u n n e l s u r r o u nd i n g r o c k a n d t h e l i mi t a t i o n o f s i t e i n v e s t i g a t i o n b e f o r e t u n n e l c o n s t r u c t i o n ． t h e g e o l o gic al p r o s p e c t i n g r e s u l t s u s u a l l y d o n o t a g r e e w i t h t h e r e al c o n d i t i o n s ．C o n s e q u e n t l y ， a d v a n c e d d e t e c t i o n me t h o d s m u s t b e a d o p t e d i n t u n n e l e n gin e e ri n g i n o r d e r t o i n s u r e t h e c o n s t m c t i o n s a f e t y ．Th e p a p e r p r e s e n t s t h e u s e o f t he g r o u n d p e n e t r a t i o n r a d a r S I R一 3 0 00 s y s t e m i n Man g t o u l i n g t u n n e l alo n g t h e Ch e n z ho u Ni n g y ua n e x p r e s s hi g h wa y ． Th e d a t a wa s p r o c e s s e d wi th the s p a t i al fil t e r a n d Hi l b e r t tra n s f o r m． Ka r s t c a v e a nd t h e c r a n n y we r e f o r e c a s t e d i n the fro n t o f t u nn e l f a c e by GPR r e s u l t s ．， I 1he e x c a v a t i o n r e s ult t e s t i f i e d t he v ali di t y o f t he f o r e c a s t e d r e s u l t s ． A be t t e r f o r e c a s t e ff e c t wa s o b t a i n e d．Th e r e s u l t i l l u mi n a t e s t h e s e r - v i c e a bi l i t y o f s p a t i a l fil t e ring a nd Hi l be r t t r a n s f o r m for GPR d a t a p r o c e s s i n g ． Ke y wor d s GPR， Gr o un d p e ne t r a t i o n r a d ar ，F o r e c a s t i n g，Hi l b e r t t r a ns f o r m ，Sp a t i al fi l t e rin g，Hi g h wa y t u n n e l 女收稿 日期 2 0 0 9 1 2 0 2； 收到修改稿 日期 2 0 1 0 0 3 1 1 ． 基金项 目 湖南省 自然科学基金资助项 目 0 6 J J 2 0 7 7 ． 第一作者简介 杨 天春 ， 主要从事地球物理与岩土工程方面 的教学和科研工作 ． E ma i l y t e 6 8 0 3 y a h o o ． c o rn． c n 9 7 2 J o u r n a l o fE n g i n e e r i n g G e o l o g y 工程地质 学报2 0 1 0 1 引 言 随着我 国基础设施建设投入的增加， 高速公路 建设是 目前工程建设 的重点之一。如湖南省 2 0 0 9 年就实现新开工炎陵分路 口至炎陵县城、 京港澳高 速公路长沙连接线等 1 4条 9 7 8 k m高速公路的开工 建设， 总共有 3 8 0亿元 的投资计划 。在湖南省 的中 西部地区， 高速公路大都经过山区， 并且很多地方都 是灰岩区。灰岩地区的工程地质、 水文地质条件复 杂多变 J ， 勘察阶段不可能完全准确地查明可能发 生地质灾害的不 良地质体 的位置、 规模和性质。因 此 ， 在隧道施工中就可能遇到由断层裂隙、 破碎带、 溶洞等不良地质体所导致的坍塌、 涌水、 突水、 冒顶 等地质灾害 J 。特别是在岩溶发育 区， 含水岩溶发 育复杂多变、 大小不一、 形态各异 ， 而且有些岩溶与 暗河相通， 隧道施工过程中， 若对这些不良地质体不 进行处理， 将会导致人员伤亡和国家财产损失 ， 并且 会严重影响工程质量和施工进度_ 3 ， 。 T S P系统是 目前我国在隧道施工中应用较多的 一 种地质超前预报方法， 其预报的距离较远， 是一种 长距离预报 ， 但 目前 国内技术人员对该系统的数据 存储方式、 数据处理方法还不是十分了解 ， 这影响了 该方法的应用效果 J 。因此 ， 目前在隧道超前预报 中应用更多的另一种物探方法是探地雷达 ， 尽管 该方法预报的距离较短， 一般在 3 0 m左右， 但其预 测的精度和准确性较高， 深受工程技术人员的喜爱。 本文主要探讨 S I Rd O 0 0探地雷达系统在夏蓉高速 公路湖南省郴州至宁远段芒头岭隧道超前地质预报 中的应用情况 ， 通过对实测数据的处理分析 ， 说明其 应用效果 ， 同时也说明空间滤波、 希尔伯特 H i l b e r t 变换等数据处理方法在雷达数据处理方面 的有效 性 。 2 方法原理 地球物理勘探方法的物理基础是利用地下介质 间物性差异 ， 通过仪器接收人工激发或天然的地球 物理场电阻率 、 波速、 密度 等在空 间或时 间上的响 应 ，以达到探测地下介质分布特征的 目的。 探地雷达 也称地质雷达 ， g r o u n d p e n e t r a t i n g r a d a r ， 简称 G P R 方法类似于探空雷达， 是利用高频电 磁波束的反射探测地下 目的体 ；电磁波以脉冲形式 通过发射天线定向地送入隧道掌子面前方 ， 当高频 电磁波束遇到前方电性分界面 如含水层、 破碎带、 溶洞等 时 ， 电磁波会发生反射 ， 反射波的振 幅、 路 径和波形将随所通过的介质的电性特征和几何形态 而变化 ， 根据接收天线所接收到的反射信号的旅行 时、 幅度、 频率与波形变化特征 ， 就可确定 目标体 的 位置和埋深。其中， 电磁波在界面上产生反射主要 与界面两侧介质的介电常数差异有关， 差异越大反 射信号越强烈， 反之反射信号越弱 。 地质雷达可连续进行探测 ， 且其剖面图形具有 地震剖面形态 ， 图形比较直观 图 1 ， 如空洞异常具 有明显的双曲线特征；探测速度快 ， 工作效率高。 图 1中， 、 分别表示发射天线和接收天线， 图的 上半部分表示一个地质模型， 下半部分为该模型的 雷达探测结果示意图。 距离 图 1 探地雷达探测原理 图 F i g ．1 P r i n c i p l e o f GP R 鋈 J 本次雷达探测工作采用美 国 G S S I 公 司生产的 S I R ． 3 0 0 0型雷达 ， 现场配备 中心频率为 1 0 0 MH z 加 强性天线以连续性扫描方式进行探测 ， 人工分 5时 段设置增益 ， 最大采样时窗大小为 3 0 0 n s ； 实测资料 的处理主要采用仪器所配的“ R A D A N ” 软件进行分 析。 探地雷达所测得 的原始记录资料 ， 首先要经过 计算机进行编辑、 滤波、 振幅调整、 时间剖面输出等 一 系列处理 ， 然后根据波速进行时间一深度的换算 得到解译的图像剖面。由此 ， 可得到反映地层剖面 的不同岩性和结构面分界线 的雷达时间剖面图像。 3 实践应用 3 ． 1 工程概 况 郴宁高速公路是厦蓉高速公路 的重要组成部 分 ， 全长 1 0 4 ． 4 2 7 k m。场地 内地貌形态受地质构造、 旅行时 ● 1 8 6 杨天春等超前探测中探地雷达应用与结果的处理分析 9 7 3 岩性控制明显 ， 地貌单元属于丘陵地貌 ， 地形起伏较 大 ， 标高一般在 2 0 0～3 0 0 m之 间， 山岭多呈东 西 向 展布 ， 山丘平面形态一般呈带状和不规则状圆形 ， 剥 蚀较强烈 ， 山丘 自然坡度 1 0 。～3 0 。 ， 个别地段 有基 岩裸露 。 芒头岭隧道位于郴宁高速第 四合 同段 内， 该隧 道左线起 讫 桩号 Z K 1 2 7 5 9 3～Z K 1 2 8 0 2 0， 全 长 4 2 7 m； 右线起讫桩号 Y K 1 2 7 5 7 8～Y K1 2 7 9 7 0 ， 全 长 3 9 2 m。该合 同段地貌属于剥蚀侵蚀作用形 式的 低 山 一丘陵地 貌， 隧道段 内地形起伏较 大 ， 山高坡 陡， 冲沟发育 ， 冲沟走向以北东向为主 ， 次为东西 ， 呈 “ U ” 字型沟谷。隧道轴线通过路段地面标高 3 8 4 ． 5 3 ～ 4 5 2 ． 7 0 m， 相对高差 6 8 ． 1 7 m。隧道顶板上覆岩体 最大厚度 5 8 ． 1 7 m， 地形坡度为 1 0 。 ～2 0 。 ， 山坡植被 发育 ， 主要为灌木丛和乔木 ， 基岩零星裸露于地表 ； 隧道进 口雷堡坳端东临雷堡坳岩溶溶蚀洼地 ， 隧道 出口挂板山端座落在挂板山岩溶溶蚀洼地东缘 ， 均 为地下水补给区。 隧址区位于郴州复式背斜 中下芒头岭的背斜地 段 ， 背斜两翼岩层产状分别为 9 0 。 ／ _ 5 1 。 、 2 6 0 。 ／_ _ 5 0 。 ， 核部为石炭系下统岩关阶上段 的钙质页岩 ， 倾斜较 陡， 近直立， 隧道洞身穿越该背斜核部 ， 参照原芒头 岭隧道音频电磁测深法资料 ， 区内推断出 2条断层 ， 即 F N W L7 0 。 和 F S E L7 0 。 。区 内未见较大 规模的新构造运动迹象。 隧址区内地层由上至下为第 四系更新统粉质黏 土和石炭系下统灰岩、 砂页岩。 1 种植土 Q 褐黄色 ， 稍湿 ， 松散 ；成分 以粉质黏土为主 ， 可见植 物根系 ， 该层分布于坡地表层 ， 厚度 约 0 ． 6 0 m； 2 粉质黏土 Q p 卅 褐黄色， 可硬塑， 厚度 4 ． 9 0 m左 右 ， 隧道大部分地段均有分布 ； 3 石炭系石磴子段 C 。 d 灰色， 弱风化 ， 岩质硬， 裂隙较发育 ， 方解石 脉较 发育 ， 岩体较完 整 ， 岩心多呈 柱状 ， 揭露 层厚 1 0 ． 4～2 4 ． 0 m， 隧道地段进 、 出口处均有分 布， R Q D 值为 8 0 ％一 9 1 ％ ； 4 石炭系上段岩关组 C Y 钙 质页岩为主， 局部为泥灰岩 ， 薄层泥质灰岩及粉砂质 灰岩。 另外 ， 前期勘察揭露隧道进 口段岩溶发育 ， 岩石 较破碎 ， 富含水 ， 可能出现突泥、 突水、 塌方等不 良地 质现象 。 3 ． 2雷达探 测结 果 本次雷达探测位于芒头岭 隧道的左线 ， 掌子面 的里程桩号为 Z K 1 2 7 6 1 6 ． 5 。针对隧道掌子面的实 际情况 ， 地质雷达探测时在掌子面水平方 向布设两 条平行的探测剖面 图 2 ， 即测线 a 和 b 。雷达采样 采取按时间的连续性方式 ， 采样时雷达天线的移动 是从掌子面的左侧向右侧移动。 图 2 探地雷达探测 的测线位置 Fi g ．2 La y o ut o f GP R me a s ur i n g l i ne 图 3为现场采集 的雷达超 前探测的原始结果 ， 数据只经过了简单 的叠加、 废道切除和时． 深转换等 初步处理。根据雷达探测原始图像可知 总体上隧 道前方 中部反射较强 ， 右侧 和左侧反射较弱；靠近 掌子面 6 m范围 内， 雷达图像 的同相轴具有较好 的 连续性 ， 但 1 0 m之后反射信号 的振幅增强 ， 存在较 杂乱的反射 ， 同相轴连续性较差。 3 ． 3 探 测 结果 的处理 与解 译 显然， 如果直接根据图 3的原始探测结果 ， 很难 做出准确的分析解释。为此 ， 对原始结果进行空间 域滤波和 H i l b e r t 变换 J 。 首先 ， 对采集到的原始信号进行时域的二维空 间滤波 图4 。显然 ， 滤波后雷达图像的杂波减少 ， 信噪比得到了明显提高。 其次， 对信号进行 H i l b e r t 变换 。H i l b e r t 变换在 本质上是一种全通滤波器 ， 经过处理可获取信号的 瞬时振幅、 瞬时相位、 瞬时频率信息 ， 有助于提高地 质雷达解释的准确性。在此， 仅列 出处理后 的瞬时 振幅剖面 图 5 。在 图 5中， 亮 白区清晰地反映了 反射信号 的强振幅位置 ， 与图 3相比， 处理后的雷达 图像更便于推断解释。 根据 图4和图 5的雷达 图像 ， 并结合现场掌子 面情况 ， 在掌子面附近 4 m范 围内 ， 存在相位连续性 较好的多次反射信号 图 4 ， 瞬时振幅信号 的能量 团在 2 ． 5～ 5 m范围内也较集 中 图 5 ， 这主要是掌 子面附近受爆破松弛影 响而形成 的围岩松动 区反 映 。 掌子面前方 4 ． 5～1 l m范 围内， 能量 团分布较 均匀 图5 、 仅在局部存在强反射细亮条纹 图 4 ； 电磁波能量衰减缓慢 ， 波形均匀， 杂乱反射较少 ， 说 明该区段 内岩体较完整。 9 7 4 J o u r n a l 0 厂 E n g i n e e r i n g G e o l o g y 工程地质学报2 0 1 0 测 线 a 图 3 探地雷达探测原始结果 F i g ．3 Ex p l o rin g r e s u l t s o f GPR a．测线 a ．I ． 测线 b 测线 b 测线 a 测 线 b 图 4 空间滤波后的探地雷达图像 F i g ．4 G P R i ma g e s p r o c e s s e d b y s p a t i a l fi l t e r i n g a ． 测线 a ； b ． 测线 b 掌子面中部前方 1 1 m之后 ， 存存较杂乱的雷达 反射信号 ， 能量团分布不均匀 ， 波形杂乱 ， 同相轴错 断， 甚至模糊不清 ； 推测 1 1～1 7 m范围内， 岩石较破 碎 ， 节理裂隙发育 ， 并且地下水很丰富。 在测线 a和测线 b的雷达图像剖面左侧 1 m左 右， 均出现明显的双曲线异常 图4 ， 并且 图 5 b中 左侧 1 m、 埋深 1 3 m左右存在一明显的高能量团， 说 明隧道掌子面左侧的前方可能存在溶洞；从空间位 置而言， 由于测线 b在测线 a的上部 ， 其中图 4 b中 的异常又比图4 a中的更明显 ， 由此推测该溶洞下部 被充填 ， 所以推测前方的溶洞是半充填状态。根据 雷达图像的反演结果推断， 掌子面左侧前方的溶洞 位于 Z K 1 2 7 6 2 7 ． 5附近 ， 即掌子面前方约 l 1 m处。 经过该隧道的进一步开挖可知 ， 雷达探测的结 果与开挖后的情况基本一致 ， 隧道左侧前方确实存 在一半充填型的溶洞 ， 并且隧道 中下部前方 1 1 ． 5～ 1 7 m左右位置岩石较破碎， 节理裂隙发育。开挖情 况验证了雷达预报结果的准确性和可靠性。 l 1 l l 1 8 6 杨天春等 超前探测中探地雷达应用与结果的处理分析 9 7 5 4 结语 测线 a 测线 b 图 5 H i l b e r t 变换后的瞬时振幅图像 F i g ．5 GP R i ma g e s p r o c e s s e d b y Hi l b e r t t r a n s f o r m a ． 测线 a ； b ． 测线 b 从探地雷达在隧道超前 预报 的应用效果来看 ， 探地雷达实测数据 的信噪 比较低 ， 应用空 间域滤波 的方法可 明显提高探 地雷 达 图像 的信 噪 比， 采用 Hi l b e r t 变换可进一步提取信号 中的瞬时信息 ， 便 于 对实测结果的分析解译。 另外 ， 探地雷达探测距离较短 ， 探测距离与分辨 率的矛盾很难克服 ， 与 T S P等长期预报方 法相 比， 同样长度的隧道需要更多的探测次数 。但地质雷达 具有扫描速度快 、 重量轻、 分辨率高、 屏蔽效果好 、 图 像直观、 对施工影响小和能跟踪施工全过程等优点 ， 因此 ， 可将其作为长期预报的辅助手段使用。 参考文献 [ 1 ] 赵杰华 ，谭捍华 ， 罗强， 等． 综合物探在岩溶地区公路工程勘察 中的应 用 [ J ] ． 湖 南科 技 大学 学 报 自然 科学 版 ，2 0 0 8 ， 2 3 3 7 7～8 1 ． Z h a o J i e h u a ， T a n H a n h u a ， L u o Q i a n g ， e t a 1 ．A p p l i c a t i o n o f c o m p r e h e n s i v e p h y s i c a l e x p l o r a t i o n f o r e n g i n g e e r l n g g e o l o g i c al p r o s p e c - t i n g o f h i g h wa y i n k a r s t a r e a ．J o u r n a l o f Hu n a n Univ e r s i t y o f S c i e n e eT e c h n o l o g y N a t u r a l S c i e n c e E d i t i o n ， 2 0 0 8， 2 3 3 7 7 ～8 2． [ 2 ] 刘建友 ， 伍法权 ， 卢丙清 ， 等． 雅砻 江锦屏二级水 电站皮带输送 隧洞施工中的地质 问题分 析及 其处理 措施 [ J ] ． 工程地 质学 报 ， 2 0 0 9， 1 7 5 5 9 0～ 5 9 6 ． L i u J i a n y o u， W 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