引言

地質(zhì)雷達(dá)具有操作簡(jiǎn)單、精確度高、對(duì)施工影響小等特點(diǎn)，因而被廣泛應(yīng)用在隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中［1］。近年來(lái)大量學(xué)者在地質(zhì)雷達(dá)應(yīng)用方面做了相關(guān)研究，在隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)以及施工檢測(cè)方面積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)［2 － 4］。然而，受隧道內(nèi)復(fù)雜環(huán)境的影響，進(jìn)行地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)采集時(shí)會(huì)遇到各種干擾信號(hào)，采集到的原始波形也會(huì)千差萬(wàn)別，有的干擾數(shù)據(jù)甚至?xí)⒂行?shù)據(jù)完全掩蓋，造成對(duì)不良地質(zhì)體的誤判，使得探測(cè)結(jié)果不準(zhǔn)確，威脅隧道施工與運(yùn)營(yíng)安全［5 － 6］。同時(shí)，操作不當(dāng)也會(huì)產(chǎn)生各種異常信號(hào)，只有正確認(rèn)識(shí)干擾波和異常信號(hào)的產(chǎn)生原因，才能采取有效的措施，獲得高質(zhì)量的數(shù)據(jù)圖像，為數(shù)據(jù)解譯提供良好的基礎(chǔ)［7 － 9］。

在地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)干擾識(shí)別與處理方面，一些學(xué)者也進(jìn)行了相關(guān)研究。如: 許新剛等［10］研究了地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)過(guò)程中幾種常見(jiàn)的干擾，并提出了相應(yīng)的處理對(duì)策; 蘭樟松等［11］將地質(zhì)雷達(dá)應(yīng)用在工程勘察方面，總結(jié)了探測(cè)過(guò)程中的常見(jiàn)干擾因素; 魯建邦［12］對(duì)干擾數(shù)據(jù)解譯圖像識(shí)別進(jìn)行研究，提高了干擾圖像識(shí)別的準(zhǔn)確率。而在隧道內(nèi)特定環(huán)境中地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)干擾方面的研究較少，且關(guān)于隧道中常見(jiàn)干擾因素的分析不全面，對(duì)減少或消除干擾的措施討論不詳細(xì)。

本文結(jié)合利萬(wàn)高速齊岳山隧道施工期超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作，分析地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)中的常見(jiàn)干擾因素，研究干擾因素在雷達(dá)處理圖像上的表現(xiàn)特征與識(shí)別方法，根據(jù)隧道現(xiàn)場(chǎng)干擾源特征，探討減少或消除干擾因素的措施。

1 地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)原理

地質(zhì)雷達(dá)是一種根據(jù)巖體介質(zhì)的電性差異對(duì)巖體介質(zhì)或地質(zhì)異常體進(jìn)行探測(cè)的電磁波探測(cè)技術(shù)［13］。通過(guò)地質(zhì)雷達(dá)天線(xiàn)向巖體內(nèi)部發(fā)射電磁波，電磁波在不同電性差異界面反射，反射回來(lái)的電磁波被接收天線(xiàn)接收，接收數(shù)據(jù)再傳至電腦進(jìn)行處理，其探測(cè)原理如圖1 所示。通過(guò)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到雷達(dá)反射圖像，對(duì)圖像進(jìn)行分析，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，可以推測(cè)不良地質(zhì)體的類(lèi)型、位置及其分布特點(diǎn)［14］。

圖1 地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)原理

不同的介質(zhì)具有不同的反射特性，電磁波在巖體介質(zhì)中傳播時(shí)，會(huì)在2 種不同相對(duì)介電常數(shù)介質(zhì)的接觸面發(fā)生反射，反射波能量的大小取決于反射系數(shù)

式中ε1、ε2為介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)。

由式( 1) 可知，2種介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)差別越大，反射系數(shù)越大，反射越明顯。常見(jiàn)介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)如表1 所示，其中: 空氣的相對(duì)介電常數(shù)為1，水的相對(duì)介電常數(shù)為81，金屬體的相對(duì)介電常數(shù)為無(wú)窮大。相對(duì)介電常數(shù)的差異會(huì)造成電磁波傳播特性的差異。

表1 常見(jiàn)材料的相對(duì)介電常數(shù)［14 － 15］

電磁波在介質(zhì)中的傳播速度

式中: C 為電磁波在真空中的傳播速度; εr為介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)。

根據(jù)材料的相對(duì)介電常數(shù)，由式( 2) 可計(jì)算出電磁波在該介質(zhì)中的傳播速度，從而可以根據(jù)反射波的接收時(shí)間判斷出反射體的位置。

通過(guò)對(duì)接收的反射電磁波數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可識(shí)別地下不良地質(zhì)體的類(lèi)型、位置及規(guī)模。地質(zhì)雷達(dá)的探測(cè)效果主要取決于不良地質(zhì)體與周?chē)橘|(zhì)間的相對(duì)介電常數(shù)差異、巖體介質(zhì)對(duì)電磁波的吸收程度、不良地質(zhì)體的深度位置以及周?chē)綔y(cè)環(huán)境對(duì)雷達(dá)信號(hào)的干擾程度等［14］。不良地質(zhì)體與周?chē)橘|(zhì)間的相對(duì)介電常數(shù)差異越大，電磁波反射越強(qiáng)烈，在雷達(dá)圖像上的反應(yīng)特征越明顯。地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)時(shí)容易受環(huán)境干擾，因此，需在探測(cè)過(guò)程中采取相應(yīng)的措施來(lái)減少或者消除干擾。

2 幾種常見(jiàn)異常信號(hào)

在隧道中進(jìn)行地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)時(shí)，掌子面附近的臺(tái)車(chē)等金屬物體、探測(cè)表面凹凸不平、底板測(cè)線(xiàn)附近電纜與輸電線(xiàn)路、測(cè)線(xiàn)表面金屬或非金屬干擾物、探測(cè)區(qū)積水積泥以及底板測(cè)線(xiàn)附近金屬體等是常見(jiàn)的干擾源，會(huì)嚴(yán)重影響采集信息的質(zhì)量。根據(jù)齊岳山隧道現(xiàn)場(chǎng)采集的干擾源數(shù)據(jù)，分別對(duì)上述干擾源進(jìn)行討論和分析。

2． 1 掌子面附近臺(tái)車(chē)等金屬物體

在地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)隧道掌子面前方地質(zhì)情況時(shí)，需將雷達(dá)天線(xiàn)緊貼掌子面，朝掌子面前方發(fā)射電磁波，如果掌子面附近施工臺(tái)車(chē)等金屬物體未轉(zhuǎn)移至測(cè)線(xiàn)范圍外一定距離，會(huì)對(duì)探測(cè)結(jié)果產(chǎn)生干擾，其在雷達(dá)圖像上的表現(xiàn)如圖2 所示，雷達(dá)圖像上將出現(xiàn)一系列強(qiáng)振幅高能量同相軸。圖像異常位置和干擾體位置可通過(guò)式( 2) 速度時(shí)間換算關(guān)系驗(yàn)證。因此，在進(jìn)行掌子面地質(zhì)雷達(dá)超前預(yù)報(bào)時(shí)，需將測(cè)線(xiàn)附近的金屬物體移至測(cè)線(xiàn)范圍外一定距離，減小對(duì)雷達(dá)信號(hào)的影響。對(duì)于無(wú)法移走的金屬物體，需要標(biāo)記并記錄其位置，防止將掌子面附近的金屬物體誤判為異常地質(zhì)體。

圖2 掌子面附近金屬物體干擾圖像

2． 2 探測(cè)表面凹凸不平

地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)時(shí)，操作員需將雷達(dá)天線(xiàn)緊貼探測(cè)表面，且天線(xiàn)移動(dòng)方向須與天線(xiàn)上的標(biāo)示方向一致。當(dāng)探測(cè)表面凹凸不平時(shí)，天線(xiàn)移動(dòng)過(guò)程中容易發(fā)生跳動(dòng)，會(huì)造成電磁波散射現(xiàn)象，且電磁波會(huì)在地面與天線(xiàn)之間不斷震蕩和反射，產(chǎn)生的震蕩信號(hào)會(huì)影響有效信號(hào)，跳動(dòng)嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)⒂行盘?hào)完全掩蓋。天線(xiàn)和探測(cè)表面之間的耦合效應(yīng)引起的反射波信號(hào)如圖3 所示，其在雷達(dá)圖像上反映為一系列隨時(shí)間延長(zhǎng)的電磁波信號(hào)，掩蓋了有效信號(hào)，造成數(shù)據(jù)無(wú)法分析。探測(cè)表面凹凸不平還會(huì)造成操作員移動(dòng)天線(xiàn)不便、移動(dòng)速度不一致等問(wèn)題。可以預(yù)先對(duì)探測(cè)表面進(jìn)行處理，確保探測(cè)表面平整。同時(shí)為保證天線(xiàn)水平，可以在移動(dòng)時(shí)微抬天線(xiàn)，在保證天線(xiàn)能越過(guò)凸起位置時(shí)，天線(xiàn)應(yīng)緊靠探測(cè)面，這在一定程度上能減弱干擾，但會(huì)使直達(dá)波的到達(dá)時(shí)間延長(zhǎng)，后期數(shù)據(jù)處理時(shí)應(yīng)予以剔除。

圖3 探測(cè)表面凹凸不平干擾圖像

2． 3 電纜與輸電線(xiàn)路

隧道內(nèi)電纜對(duì)地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)干擾較大，容易造成誤判。電纜通常布置在隧道邊墻，在進(jìn)行底板下方不良地質(zhì)體探測(cè)時(shí)，測(cè)線(xiàn)方向與電流方向平行，天線(xiàn)的極化方向垂直于電流方向，如圖4 所示，其在地質(zhì)雷達(dá)圖像上表現(xiàn)為1 組反射強(qiáng)烈的水平同相軸［14］。在底板探測(cè)時(shí)，需要注意輸電線(xiàn)路與測(cè)線(xiàn)之間的相對(duì)位置，并記錄下來(lái)。

圖4 電纜與輸電線(xiàn)路干擾圖像

2． 4 測(cè)線(xiàn)表面金屬或非金屬干擾物

電磁波在遇到金屬物體時(shí)，會(huì)在其表面產(chǎn)生強(qiáng)烈全反射，反射能量較強(qiáng)，振幅較大，而頻率基本保持不變。當(dāng)?shù)刭|(zhì)雷達(dá)天線(xiàn)越過(guò)測(cè)線(xiàn)表面的金屬物體( 如鋼筋、金屬管線(xiàn)、金屬電纜等) 時(shí)，反射波在地質(zhì)雷達(dá)圖像上表現(xiàn)為強(qiáng)能量同相軸，并且會(huì)在金屬物和天線(xiàn)之間多次反射，如圖5 所示，在雷達(dá)圖像上表現(xiàn)為強(qiáng)能量同相軸垂向延續(xù)時(shí)間長(zhǎng)的特點(diǎn)［10］; 當(dāng)?shù)刭|(zhì)雷達(dá)天線(xiàn)越過(guò)測(cè)線(xiàn)表面非金屬干擾物( 如小石子、皮管線(xiàn)、木板等) 時(shí)，電磁波也會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)能量反射波，得到的反射波圖像與金屬物體產(chǎn)生的圖像類(lèi)似，但反射電磁波的能量相對(duì)較弱，在圖像上沒(méi)那么明顯。強(qiáng)反射干擾容易覆蓋有效信息，造成采集的圖像無(wú)法分析。因此，在進(jìn)行隧道底板探測(cè)時(shí)，應(yīng)將測(cè)線(xiàn)上的金屬和非金屬干擾物移開(kāi)，保持測(cè)線(xiàn)平整，或者根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況重新布置測(cè)線(xiàn)。

圖5 測(cè)線(xiàn)表面金屬體干擾圖像

2． 5 探測(cè)區(qū)域積水積泥

隧道施工時(shí)底板常積水積泥，電磁波在積水積泥探測(cè)表面出現(xiàn)強(qiáng)反射，會(huì)掩蓋有效信號(hào)，如圖6 所示，導(dǎo)致探測(cè)結(jié)果無(wú)法分析。因此，探測(cè)時(shí)需要合理選擇測(cè)線(xiàn)位置，盡量避免雷達(dá)天線(xiàn)通過(guò)有水段落; 當(dāng)無(wú)法避開(kāi)時(shí)，可先處理積水積泥，然后再進(jìn)行探測(cè)。

圖6 探測(cè)表面積水積泥干擾圖像

2． 6 底板測(cè)線(xiàn)附近金屬體

在進(jìn)行底板探測(cè)時(shí)，測(cè)線(xiàn)附近通常放置有金屬體( 如臺(tái)車(chē)、裝載機(jī)、電機(jī)等) ，會(huì)對(duì)探測(cè)結(jié)果產(chǎn)生干擾。當(dāng)金屬體位于測(cè)線(xiàn)兩端時(shí)，其在雷達(dá)圖像上反映為雙曲線(xiàn)的一翼，如圖7( a) 所示; 當(dāng)金屬體位于測(cè)線(xiàn)中間時(shí)，其在雷達(dá)圖像上反映為雙曲線(xiàn)，如圖7 ( b) 所示。由于雙曲線(xiàn)通常為溶洞在雷達(dá)圖像上的反射特征，為防止將金屬體誤判為溶洞等異常體，探測(cè)前需撤走測(cè)線(xiàn)附近的金屬體。

圖7 底板探測(cè)時(shí)金屬體干擾圖像

3 注意事項(xiàng)討論

3． 1 相對(duì)介電常數(shù)與電磁波傳播速度

電磁波在不同介質(zhì)中的傳播速度不同，傳播速度會(huì)影響隧道不良地質(zhì)體的定位，因此，正確獲取電磁波的傳播速度至關(guān)重要。電磁波在地層中的傳播速度主要取決于介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)［13］，由于地下介質(zhì)的復(fù)雜性和隱蔽性，較難準(zhǔn)確獲取其相對(duì)介電常數(shù)值，可通過(guò)觀測(cè)探測(cè)區(qū)域的地質(zhì)條件，記錄巖體巖性、含水量、泥質(zhì)含量等信息。根據(jù)巖體巖性確定該段巖體的相對(duì)介電常數(shù)范圍，再通過(guò)巖體含水量以及泥質(zhì)含量對(duì)相對(duì)介電常數(shù)值進(jìn)行修正。當(dāng)含水量、泥質(zhì)含量較大時(shí)，應(yīng)適當(dāng)增大相對(duì)介電常數(shù)取值。確定相對(duì)介電常數(shù)值后，再計(jì)算其所對(duì)應(yīng)的速度。

3． 2 直達(dá)波拾取

雷達(dá)天線(xiàn)位置與探測(cè)表面之間存在一定距離，電磁波傳播至地面反射回來(lái)被接收形成直達(dá)波。為了將探測(cè)深度坐標(biāo)軸原點(diǎn)建立在地面，使異常體深度為雷達(dá)圖像深度坐標(biāo)值，在數(shù)據(jù)處理時(shí)需將直達(dá)波時(shí)間段剔除。直達(dá)波時(shí)間段切除準(zhǔn)確與否會(huì)影響異常體的定位，尤其是在采用高頻率雷達(dá)探測(cè)時(shí)，探測(cè)距離短，切除不準(zhǔn)確對(duì)不良地質(zhì)體位置的判斷偏差更大，正確選取直達(dá)波時(shí)間更為重要。在現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)時(shí)，可以預(yù)先在地表放一塊金屬物體，移動(dòng)天線(xiàn)越過(guò)金屬物體來(lái)獲取直達(dá)波在雷達(dá)圖像上的位置，隨后移走金屬物體再進(jìn)行正式探測(cè)。數(shù)據(jù)處理時(shí)，通過(guò)分析越過(guò)金屬物體的雷達(dá)數(shù)據(jù)來(lái)確定直達(dá)波時(shí)間。

3． 3 天線(xiàn)移動(dòng)速度和距離

在進(jìn)行底板不良地質(zhì)體探測(cè)時(shí)，天線(xiàn)宜勻速移動(dòng)，且不能過(guò)快，以正常步數(shù)移動(dòng)天線(xiàn)為佳，盡量沿設(shè)計(jì)測(cè)線(xiàn)移動(dòng)。勻速移動(dòng)的目的主要是便于異常體在測(cè)線(xiàn)上的定位。若移動(dòng)速度過(guò)快，會(huì)造成獲得的有用信息較少，不利于信號(hào)分析。測(cè)線(xiàn)長(zhǎng)度不宜過(guò)長(zhǎng)，30 ～ 40 m 為佳，當(dāng)需要探測(cè)的距離較長(zhǎng)時(shí)，可采用分段探測(cè)的方法。

3． 4 測(cè)線(xiàn)里程標(biāo)記

在進(jìn)行底板探測(cè)時(shí)，地質(zhì)雷達(dá)圖像上顯示的不良地質(zhì)體位置通常會(huì)與隧道內(nèi)的實(shí)際里程有一些偏差。為保證地質(zhì)雷達(dá)圖像上各點(diǎn)的坐標(biāo)與實(shí)際里程對(duì)應(yīng)，可以每隔10 m 的距離對(duì)測(cè)線(xiàn)進(jìn)行一次標(biāo)記，并記錄所有標(biāo)記點(diǎn)的里程以供核對(duì)［16］。移動(dòng)天線(xiàn)對(duì)齊標(biāo)記點(diǎn)，打點(diǎn)標(biāo)記并記錄其位置，數(shù)據(jù)處理時(shí)將標(biāo)記點(diǎn)顯示在雷達(dá)圖像上，以便與實(shí)際里程校核。在雷達(dá)圖像上顯示較大異常的位置，可通過(guò)增加測(cè)線(xiàn)條數(shù)來(lái)確定異常體的規(guī)模與形態(tài)。

3． 5 增益調(diào)節(jié)

地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)時(shí)，電磁波由探測(cè)面向遠(yuǎn)處傳播，部分能量會(huì)被介質(zhì)吸收掉，反射波能量相應(yīng)減少。距離天線(xiàn)越近反射波能量越大，距離天線(xiàn)越遠(yuǎn)反射波能量越小，會(huì)在雷達(dá)圖像上反映出比較明顯的能量分層帶，越靠近探測(cè)表面信號(hào)越強(qiáng)，遠(yuǎn)端信號(hào)較弱，因此，需要進(jìn)行增益調(diào)節(jié)來(lái)放大有效信號(hào)。正確的增益調(diào)節(jié)方式如圖8( a) 所示。增益調(diào)節(jié)的原則是保證增益點(diǎn)之間線(xiàn)性變化，同時(shí)應(yīng)使反射能量控制在一定的范圍。增益太大會(huì)造成削波現(xiàn)象，掩蓋有效信號(hào)，增益太小有效信號(hào)不明顯，異常體位置不突出［14］。應(yīng)根據(jù)隧道的實(shí)際情況，將天線(xiàn)移至探測(cè)位置，采用先自動(dòng)后手動(dòng)的方法調(diào)節(jié)增益。

圖8 增益調(diào)節(jié)示意圖

3． 6 數(shù)據(jù)處理

隧道內(nèi)地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)時(shí)，干擾因素較多，對(duì)采集的原始數(shù)據(jù)處理后才能進(jìn)行分析，處理時(shí)可通過(guò)設(shè)置正確的濾波參數(shù)來(lái)去除部分干擾。雷達(dá)數(shù)據(jù)處理的原則是處理步驟越少越好，原始數(shù)據(jù)最能反映實(shí)際情況，處理步驟多則會(huì)將有效信號(hào)處理掉。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，雷達(dá)數(shù)據(jù)處理方法越來(lái)越多，效果也越來(lái)越好。可根據(jù)實(shí)際情況選擇處理方法，采用多種方法綜合處理分析，避免單一方法造成的處理結(jié)果與實(shí)際情況不符。

4 結(jié)論與建議

1) 地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)時(shí)需將金屬物體移至測(cè)線(xiàn)外一定距離。對(duì)于會(huì)對(duì)探測(cè)結(jié)果產(chǎn)生干擾又無(wú)法移走的干擾體，應(yīng)詳細(xì)記錄其相關(guān)信息，包括干擾體的屬性與大小以及干擾體與測(cè)線(xiàn)的相對(duì)位置關(guān)系等，并通過(guò)信號(hào)處理從雷達(dá)圖像上識(shí)別或剔除干擾波，降低誤判率。

2) 確保探測(cè)表面平整或適當(dāng)調(diào)節(jié)天線(xiàn)與地面距離，保證天線(xiàn)與探測(cè)表面平行，注意清理底板積水，減少積水對(duì)探測(cè)的影響。

3) 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)圍巖情況，選取合適的相對(duì)介電常數(shù)。標(biāo)記測(cè)線(xiàn)里程，并在探測(cè)一定范圍后進(jìn)行校核。天線(xiàn)移動(dòng)應(yīng)勻速，且不能過(guò)快。合理設(shè)置增益，采用正確的濾波參數(shù)。

4) 當(dāng)預(yù)報(bào)結(jié)果顯示存在異常體時(shí)，可增加測(cè)線(xiàn)密度或輔以其他探測(cè)方法進(jìn)行綜合超前預(yù)報(bào)，避免單一方法造成的處理結(jié)果與實(shí)際情況不符，從而更準(zhǔn)確地進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)。