地質(zhì)雷達(dá)波頻率與圍巖等級(jí)相關(guān)關(guān)系統(tǒng)計(jì)分析

黃 振，劉成禹

(福州大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，福州 350108)

0 引言

探地雷達(dá)(Ground Penetrating Radar，簡(jiǎn)稱 GPR)，又稱地質(zhì)雷達(dá)，是近些年發(fā)展起來(lái)的高效的淺層地球物理探測(cè)新技術(shù)，在隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)中得到了廣泛的應(yīng)用［1－2］。

由于在巖溶地區(qū)隧道施工過(guò)程中，經(jīng)常遇到突水、突泥等無(wú)法預(yù)料的地質(zhì)災(zāi)害［3］，所以對(duì)超前預(yù)報(bào)研究的較多。王夢(mèng)恕［4］在對(duì)巖溶地區(qū)隧道施工水文地質(zhì)超前預(yù)報(bào)的意見(jiàn)中對(duì)儀器及方法進(jìn)行了討論。方建勤等［5］關(guān)于巖溶地質(zhì)對(duì)隧道施工穩(wěn)定性的影響進(jìn)行了分析評(píng)價(jià)。劉斌等［6］將復(fù)信號(hào)分析技術(shù)引入到地質(zhì)雷達(dá)探查水體的研究中。但是對(duì)于地質(zhì)雷達(dá)波頻率與圍巖性質(zhì)相關(guān)關(guān)系的研究較少。

由于地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)存在多解性現(xiàn)象，積累豐富的工程經(jīng)驗(yàn)是準(zhǔn)確解釋雷達(dá)探測(cè)成果剖面的基礎(chǔ)［7］。場(chǎng)采集地質(zhì)雷達(dá)頻率數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)整體波形頻率變化特征及該區(qū)域內(nèi)不同圍巖情況下的雷達(dá)波頻率特征。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)描述資料，分析了地質(zhì)雷達(dá)波頻率與圍巖性質(zhì)的相關(guān)特性，得到了一些定量指標(biāo)，以便能更好地應(yīng)用于地質(zhì)雷達(dá)輔助隧道施工。

1 基本原理

現(xiàn)對(duì)掌子面前方圍巖進(jìn)行超前探測(cè)，根據(jù)反射波的穿越時(shí)間、幅度和波形，判斷地下目標(biāo)體的空間位置、結(jié)構(gòu)及其分布［2］;確定隧道前方斷層破碎帶、裂隙風(fēng)化破碎帶、富水帶等不良地質(zhì)狀況的位置與范圍，進(jìn)而詳細(xì)劃分或界定圍巖類型以便采取不同開(kāi)發(fā)方式及超前支護(hù)措施，防止隧道災(zāi)害的發(fā)生［8－11］。

2 數(shù)據(jù)分析區(qū)域概況

2.1 區(qū)域地質(zhì)情況

贛龍鐵路3標(biāo)段位于閩、粵、贛3省交界，以低山、丘陵地貌為主，地層巖性以沉積巖和變質(zhì)巖為主。在標(biāo)段隧道內(nèi)，出露巖層巖性為花崗巖、石英砂巖、粉砂巖、變質(zhì)粉砂巖、變質(zhì)砂巖和炭質(zhì)頁(yè)巖;部分區(qū)域出露沖－殘積土和粉質(zhì)黏土;部分隧道地下水發(fā)育，地下水主要為基巖裂隙水和構(gòu)造裂隙水。

2.2 數(shù)據(jù)情況

所采用的數(shù)據(jù)取自2011年3—7月，贛龍鐵路3標(biāo)地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)報(bào)告。地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)選用瑞典MALA地球科學(xué)公司(Sweden MALA Geoscience Inc)生產(chǎn)的RAMAC X3M型探地雷達(dá)，天線中心頻率100MHz。通過(guò)仔細(xì)閱讀探測(cè)報(bào)告，使用Reflexw軟件對(duì)原始數(shù)據(jù)重新處理，得到雷達(dá)剖面圖和頻譜圖。按照已劃分的不同圍巖段，統(tǒng)計(jì)得到了231個(gè)不同圍巖分段的雷達(dá)波頻率。

3 數(shù)據(jù)處理方法

為了對(duì)所得數(shù)據(jù)的總體分布及分布的數(shù)字特征等做出統(tǒng)計(jì)推斷，采用區(qū)間估計(jì)的數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法，以得到可信度較高的數(shù)據(jù)區(qū)間。

假設(shè)統(tǒng)計(jì)點(diǎn)頻率服從正態(tài)分布N(μ，σ2)，計(jì)算統(tǒng)計(jì)點(diǎn)頻率的均值 μ 對(duì)應(yīng)于置信度為 0.95，0.98，0.99的置信區(qū)間，則計(jì)算公式為:

式中:n為計(jì)算參數(shù)樣本個(gè)數(shù);X為樣本平均值;S為樣本均方差;t為分位點(diǎn)。當(dāng)統(tǒng)計(jì)點(diǎn)數(shù)≤6時(shí)，取均值的±4%作為區(qū)間界限。

正態(tài)測(cè)試是用于確定一組數(shù)據(jù)(Xi，i=1～n)是否服從正態(tài)分布的非常有用的工具。在正態(tài)測(cè)試中統(tǒng)計(jì)數(shù)

為了便于分析討論，按以下幾種情況進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì):1)圍巖等級(jí);2)巖性與圍巖等級(jí);3)水文狀況與圍巖等級(jí)。

4 結(jié)果與分析

通過(guò)數(shù)理統(tǒng)計(jì)，得到3組不同置信度下的頻率分布區(qū)間結(jié)果。頻率分布區(qū)間不宜過(guò)大或過(guò)小，通過(guò)比較，認(rèn)為選取區(qū)間范圍接近于10 MHz時(shí)作為所要求的結(jié)果較合理。

4.1 地質(zhì)雷達(dá)波頻率與圍巖等級(jí)

該部分共統(tǒng)計(jì)了231組數(shù)據(jù)，其中Ⅲ級(jí)圍巖15組，Ⅳ級(jí)圍巖63組，Ⅴ級(jí)圍巖153組。

對(duì)Ⅳ級(jí)、Ⅴ級(jí)圍巖統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)作直方統(tǒng)計(jì)圖，并擬合正態(tài)分布曲線，如圖1所示。Ⅳ級(jí)、Ⅴ級(jí)圍巖統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)較多，得到結(jié)果可信度更高，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表1。

圖1 圍巖等級(jí)直方統(tǒng)計(jì)圖Fig.1 Histograms showing relationship between GPR wave frequency and grade of rock mass

表1 圍巖等級(jí)計(jì)算結(jié)果Table 1 Calculation results based on grade of rock mass

在對(duì)地質(zhì)雷達(dá)原始數(shù)據(jù)的處理過(guò)程中得到不同圍巖等級(jí)的典型波形頻率圖，如圖2和圖3所示。

由圖1—3可知:

1)不同等級(jí)圍巖的雷達(dá)波頻率范圍有明顯差異，頻率分布范圍交叉較小，隨圍巖工程性質(zhì)變差，頻率明顯下降。

2)對(duì)于某一等級(jí)圍巖的波形頻率分布區(qū)間范圍較大，但有明顯集中分布的區(qū)間，通過(guò)擬合的正態(tài)曲線也能較好地反映其分布規(guī)律。

3)當(dāng)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)足夠多時(shí)，對(duì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)測(cè)試結(jié)果符合正態(tài)分布的假設(shè)，可見(jiàn)不同等級(jí)圍巖波形頻率變化為正態(tài)分布。

4.2 不同巖性地質(zhì)雷達(dá)波頻率與圍巖等級(jí)

該部分共統(tǒng)計(jì)了198組數(shù)據(jù)，按花崗巖39組、變質(zhì)粉砂巖75組、變質(zhì)砂巖33組、粉砂巖39組、石英砂巖12組統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見(jiàn)表2。

對(duì)不同巖性統(tǒng)計(jì)結(jié)果作直方統(tǒng)計(jì)圖，對(duì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)較多的圖形進(jìn)行正態(tài)曲線擬合，以便更好地分析變化規(guī)律，如圖4所示。

由圖4可知:

1)粉砂巖等沉積巖的圍巖雷達(dá)波頻率較變質(zhì)粉砂巖等變質(zhì)巖的圍巖頻率高。花崗巖波形頻率變化較大，出現(xiàn)了較低的頻率，可能是由于整體性差、地下水發(fā)育較強(qiáng)引起的。

2)對(duì)于相同巖性的不同等級(jí)圍巖的變化規(guī)律與只考慮圍巖等級(jí)的情況大致相同。

表2 巖性與圍巖等級(jí)統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 2 Statistics on basis of lithology and grade of rock mass

4.3 不同水文狀況地質(zhì)雷達(dá)波頻率與圍巖等級(jí)

該部分共統(tǒng)計(jì)了186組數(shù)據(jù)，按地下水較發(fā)育78組、地下水不發(fā)育108組分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 水文狀況與圍巖等級(jí)統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 3 Statistics on basis of hydrology and grade of rock mass

對(duì)不同水文狀況統(tǒng)計(jì)結(jié)果作直方統(tǒng)計(jì)圖，并對(duì)圖形進(jìn)行正態(tài)曲線擬合，以便更好地分析變化規(guī)律，如圖5所示。

圖5 Ⅴ級(jí)圍巖波形頻率直方統(tǒng)計(jì)圖Fig.5 Histograms showing relationship between groundwater and GPR wave frequency in GradeⅤrock mass

雷達(dá)波速和頻譜與巖體破碎程度相關(guān)，對(duì)巖體中的高電導(dǎo)物體，如含水情況、含泥情況影響也很大。

由圖5可以看出:對(duì)比不同水文狀況相同圍巖等級(jí)，波形頻率分布區(qū)間變化沒(méi)有明顯的規(guī)律性，擬合的正態(tài)分布曲線也基本相同，說(shuō)明單一考慮地下水的發(fā)育情況，不能對(duì)圍巖等級(jí)做出很好的判斷。

5 結(jié)論與討論

雖然地質(zhì)描述及地質(zhì)預(yù)報(bào)存在很大的不確定性，但是這些現(xiàn)場(chǎng)資料的統(tǒng)計(jì)分析對(duì)區(qū)域地質(zhì)預(yù)報(bào)具有一定的輔助作用。

通過(guò)對(duì)大量地質(zhì)雷達(dá)隧道超前預(yù)報(bào)報(bào)告和實(shí)測(cè)掌子面產(chǎn)狀的統(tǒng)計(jì)，按照圍巖等級(jí)、巖性、水文情況3個(gè)方面分別進(jìn)行分析，得出地質(zhì)雷達(dá)波頻率與圍巖等級(jí)相關(guān)關(guān)系的統(tǒng)計(jì)結(jié)果:1)不同等級(jí)圍巖的雷達(dá)波頻率范圍存在明顯差異，圍巖工程性質(zhì)變差，頻率變低;2)對(duì)于不同巖性圍巖，圍巖等級(jí)從Ⅲ級(jí)到Ⅴ級(jí)，雷達(dá)波頻率變低;3)不同水文狀況下，波形頻率分布區(qū)間變化不明顯。

由于區(qū)域性的地質(zhì)特點(diǎn)以及索取數(shù)據(jù)數(shù)量有限，所得規(guī)律性的統(tǒng)計(jì)特征具有局限性。雷達(dá)波速和頻譜對(duì)含泥、含水情況，破碎情況影響都較大，因此，需要更多的統(tǒng)計(jì)分析并結(jié)合其他方法(如地震波法、電法等手段)，才能將地質(zhì)預(yù)報(bào)的輔助作用發(fā)揮得更好。

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