某公路隧道充泥型溶洞探地雷達屬性分析

廖翼強

（廣西路建工程集團有限公司，廣西 南寧 530000）

0 引言

巖溶隧道施工過程中，隧道突泥的存在一直是制約隧道施工進度、造價以及人員財產安全的重要隱患。本文所依托工程為西南某省高速公路隧道，隧址區域地質環境復雜，巖石風化程度高且較為破碎；雨季施工時，由于巖溶形成地下水系的活動與地表水系聯系緊密，掌子面涌水的水質變化明顯，往往伴隨出泥現象，在此類地區進行隧道施工建設時極有可能存在大規模突泥風險［1］。巖溶隧道大規模突水突泥往往具有突發性，前期預兆不明顯，對隧道施工人員安全威脅極大。如2018年貴南客運專線在建的朝陽隧道發生突泥突水事件，致使2名施工人員死亡；2018年湖北廣水的一個在建隧道發生突水突泥事故，導致6名施工人員被困。這些均為突發性突泥突水，前期預兆不明顯，因此，隧道施工前準確預報掌子面前方是否存在充泥型溶洞，是隧道工程建設亟待解決的關鍵問題［2］。

探地雷達是一種利用電磁波對地下淺埋目標進行無損探測的技術，近些年來已經成為隧道建設過程中不可或缺的重要地質預報技術手段。因為電磁波在理論和數據處理方面與地震波相似，且地震屬性分析得較為完善，探地雷達屬性也逐漸由地震屬性引入到探地雷達數據解釋［3］，有些學者直接借用地震屬性分析軟件來分析探地雷達屬性，如Senecha等［4］直接用地震處理軟件PROMAX處理雷達數據，并取得了不錯的應用效果。目前常用的探地雷達屬性有三瞬屬性、頻譜屬性、時頻屬性等，探地雷達數據解釋也包含了波形、頻率、振幅、瞬時屬性等方法。如岳全貴等［5］通過分析幾種典型巖溶不良地質體的雷達剖面圖的波形、頻率、振幅等特征，推斷隧道開挖掌子面前方潛在不良地質體的類型以及位置、構造走向等空間分布特征，開挖結果驗證了探地雷達超前地質預報的可行性與準確性；劉東坤等［6］分析了電磁波的反射、吸收（衰減）特性在充填型溶洞、空腔型溶洞、富水破碎帶三種不良地質中的變化；劉成禹等［7］提出一種基于探地雷達原始記錄數據的單道信號，通過將特定區域單道信號進行希爾伯特變換計算獲取信號瞬時振幅、相位及頻率的三瞬屬性，從而推斷巖溶位置和大小的方法，并在實際工程中得到良好應用。

雖然探地雷達屬性分析技術在地質探測領域得到成功應用，但目前鮮有文獻針對巖溶隧道充泥型溶洞分析其探地雷達屬性特征。隧道突泥突水是隧道施工過程中的重要安全隱患，對隧道施工危害極大。因此，分析掌子面前方存在充泥型溶洞時探地雷達的屬性特征，對地質超前預報判定掌子面前方是否存在突泥突水不良地質具有重要實際意義。

1 理論分析

本節簡要介紹探地雷達基本理論與現場工作方法。

1.1 探地雷達基本理論

在隧道建設過程中采用探地雷達進行超前地質預報，探地雷達從發射天線T將高頻脈沖發射到掌子面前方，然后由接收天線R記錄所發射的脈沖（見圖1a）。這種方法所記錄的簡單單道波形即稱為單道波（見圖1b）。

脈沖信號向掌子面前方輻射時，一部分能量直接通過空氣和淺表面傳播并由接收天線接收，即直達波；另一部分能量則穿過介質傳播到更深的區域。當透射波遇到空洞溶洞、充填型溶洞和溶蝕破碎帶等不連續面時，接收天線接收并記錄反射回來的數據信息，此部分信息稱為反射波。在隧道中，對于整體巖石，大部分電磁波能量是透射的，而在受損巖石，即質量差的巖石中，能量隨著填充材料（空氣、水、泥）的介電特性而變為反向散射。通過對雷達記錄的波形、強度、雙向走時和有效信號強度的分析和處理，可以得到巖溶的具體空間位置、結構和幾何形狀［8］。

圖1 探地雷達工作原理圖和單道波示意圖

1.2 檢測設備及工作方法

儀器設備采用美國進口勞雷地質雷達SIR－4000型探地雷達系統，該系統包括儀器主機和100MHz天線兩部分。本文檢測采用地質雷達法對圍巖情況進行檢測，根據現場實際情況測線布置如圖2所示，測線方向為掌子面從左至右。

圖2 現場實際測線布置示意圖

2 常用探地雷達屬性介紹

2.1 三瞬屬性

三瞬屬性是目前探地雷達屬性應用中最為常見的一種屬性分析方法，具體指的是單道信號經希爾伯特變換構造復信號計算得到瞬時振幅、瞬時相位與瞬時頻率［9］。其中瞬時振幅屬性反映了電磁波在前方不良地質中傳播時，反射信號的能量大小以及能量損失特征，因此可以很好地反映掌子面前方介質的性質，大致推定異常區域；瞬時相位屬性最大的優點在于相位的大小不隨反射波的振幅變化，可以較好地反映掌子面前方深層位置處的介質相位變化；瞬時頻率屬性則是相位的時間變化率，因此可以很好地體現掌子面前方斷層等變化情況。

2.2 頻譜屬性

探地雷達頻譜屬性是根據波形圖判定的地質異常區域，通過對截取異常區域的有效單道信號作傅里葉變換以獲取雷達數據在頻率域中的信息，頻譜屬性可以較為直觀地反映電磁波在穿過異常區域時，巖溶不良地質對電磁波的吸收衰減特性［6］。

2.3 時頻屬性

通過頻譜屬性分析可以獲取信號在頻率域中的整體分布情況，但未能得到各時刻的具體頻率成分信息。因此，有必要對雷達信號進行時頻變換以獲取雷達信號的時頻局部特征［10］，本文時頻屬性的提取方法為對單道信號數據進行廣義S變換，其數學表達式為：

其中k和p分別為實際各頻率調節參數，具體大小應根據實際需要選擇。

3 工程實例分析

本文以西南某省高速公路隧道為依托，選取經現場開挖驗證后的充泥型溶洞探地雷達數據為分析對象，分別從波形圖、三瞬屬性、頻譜屬性以及時頻屬性等方面分析掌子面前方充泥型溶洞的不同特征。

3.1 工程地質概況

隧址屬亞熱帶季風氣候，夏長多雨，年平均氣溫18.2℃～21.7℃，年降雨量在1 249～1 673mm之間；隧道地貌屬于巖溶峰叢地貌，地形切割劇烈，溝谷發育；隧道進出口主要由微風化灰巖組成，結構面發育。洞身段主要為微風化灰巖，巖質較硬，局部節理發育，多呈閉合狀態，巖體較完整，局部較破碎，工程地質穩定性較好。隧址范圍內無大的地表水體，巖溶水主要分布于灰巖中的溶洞、溶蝕裂隙及巖溶破碎帶中。

3.2 隧道掌子面情況

掌子面揭露圍巖為微風化灰巖，巖質堅硬，巖體完整性較好，節理裂隙弱發育，巖體結構面結合較好，掌子面干燥。

3.3 掌子面探地雷達記錄

根據本文1.2節現場測線布置，獲取掌子面處雷達原始數據，并對原始雷達數據進行常規的數據處理，如靜態校正、增益調整、去直流漂移、濾波、壓制和剔除干擾波及突出有效波等處理，處理后波形圖如圖3所示。圖3中框線圈定區域存在明顯的同相軸連續，上方反射界面約為時間深度50ns處，且后方存在多次強反射。結合掌子面地質情況，按照常規分析可推斷此區域為充填型溶洞，具體充填物質類別不能精確推定。此外，該異常區域位于隧道掌子面左前方，具體不良地質規模大小未能得到很好體現。因此，在此區域進行隧道掘進時應謹慎開挖，短進尺、弱爆破、早支護、勤量測，做好預防突水突泥措施。實際開挖進尺約3m后，掌子面左前方出現大量突泥，開挖結果與預期一致，驗證了利用探地雷達對前方不良地質進行預報的必要性。

圖3 處理后雷達圖像示例圖

3.4 充泥型溶洞探地雷達屬性分析

本文選取掌子面測線0.8m處（見圖3）單道波數據為分析對象，單道波形圖如圖4所示，圖中圈定區域即為掌子面左前方異常區域，該區域波形較為規律，振幅變化明顯且幅值衰減較慢。此類現象可解釋為電磁波傳播在充泥型溶洞不良地質區域上反射界面時介質電性差異較大，因此振幅變化明顯；在充泥型溶洞內部傳播時電磁波傳播速度明顯降低，使得上下界面反射波出現明顯分離，即在反射界面后方形成多次反射。

圖4 單道波形圖

3.4.1 瞬時屬性分析

將上述選取的雷達單道信號作希爾伯特變換并作歸一化處理，可獲得瞬時振幅屬性如圖5所示，圖中顯示在異常區域振幅衰減較為規律，主峰明顯且存在多個峰值，表明其振幅衰減較慢并呈規律性變化。這是因為該異常區域介質較為均勻，電磁波能量衰減較慢。

圖5 瞬時振幅示意圖

3.4.2 幅度譜屬性分析

將上述截取的充泥型溶洞區段雷達反射波作傅里葉變換并歸一化處理得到幅度譜，如圖6所示。從圖中可以看出充泥型溶洞反射波主頻明顯，中心頻率分布在80～100MHz之間。

圖6 幅度譜示意圖

3.4.3 時頻屬性分析

圖7為上述選定的單道波進行廣義S變換的結果，參數k取0.4，p取0.7。經時頻屬性分析可獲得單道波各時刻頻率信息，從時頻分布圖中可以看出充泥型溶洞上、下反射界面反射波所對應的中心頻率接近雷達反射波的中心頻率，并隨著反射次數增加逐漸減小，此現象可解釋為雷達電磁波在泥漿中傳播時高頻成分不斷衰減所致。

圖7 時頻分布示例圖

4 結語

本文對經開挖驗證后的充泥型溶洞探地雷達數據進行多種雷達屬性分析，結果表明：

（1）充泥型溶洞雷達上反射截面振幅變化明顯，后方存在多次反射；反射波主頻明顯，且中心頻率分布在80～100MHz之間。

（2）時頻分布表明此類異常區域中心頻率隨時間衰減較為明顯，反映電磁波在充泥型溶洞內存在頻率衰減現象。

（3）本文采用的多種屬性分析技術及對充泥型溶洞探地雷達分析結果對巖溶隧道探地雷達數據解釋與推斷前方是否存在類似突泥不良地質具有一定的參考和借鑒意義。