引言

地質(zhì)雷達具有操作簡單、精確度高、對施工影響小等特點，因而被廣泛應(yīng)用在隧道超前地質(zhì)預(yù)報中［1］。近年來大量學(xué)者在地質(zhì)雷達應(yīng)用方面做了相關(guān)研究，在隧道超前地質(zhì)預(yù)報以及施工檢測方面積累了豐富的經(jīng)驗［2 － 4］。然而，受隧道內(nèi)復(fù)雜環(huán)境的影響，進行地質(zhì)雷達數(shù)據(jù)采集時會遇到各種干擾信號，采集到的原始波形也會千差萬別，有的干擾數(shù)據(jù)甚至?xí)⒂行?shù)據(jù)完全掩蓋，造成對不良地質(zhì)體的誤判，使得探測結(jié)果不準(zhǔn)確，威脅隧道施工與運營安全［5 － 6］。同時，操作不當(dāng)也會產(chǎn)生各種異常信號，只有正確認識干擾波和異常信號的產(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)雷達探測干擾識別與處理方面，一些學(xué)者也進行了相關(guān)研究。如: 許新剛等［10］研究了地質(zhì)雷達探測過程中幾種常見的干擾，并提出了相應(yīng)的處理對策; 蘭樟松等［11］將地質(zhì)雷達應(yīng)用在工程勘察方面，總結(jié)了探測過程中的常見干擾因素; 魯建邦［12］對干擾數(shù)據(jù)解譯圖像識別進行研究，提高了干擾圖像識別的準(zhǔn)確率。而在隧道內(nèi)特定環(huán)境中地質(zhì)雷達探測干擾方面的研究較少，且關(guān)于隧道中常見干擾因素的分析不全面，對減少或消除干擾的措施討論不詳細。

本文結(jié)合利萬高速齊岳山隧道施工期超前地質(zhì)預(yù)報工作，分析地質(zhì)雷達探測中的常見干擾因素，研究干擾因素在雷達處理圖像上的表現(xiàn)特征與識別方法，根據(jù)隧道現(xiàn)場干擾源特征，探討減少或消除干擾因素的措施。

1 地質(zhì)雷達探測原理

地質(zhì)雷達是一種根據(jù)巖體介質(zhì)的電性差異對巖體介質(zhì)或地質(zhì)異常體進行探測的電磁波探測技術(shù)［13］。通過地質(zhì)雷達天線向巖體內(nèi)部發(fā)射電磁波，電磁波在不同電性差異界面反射，反射回來的電磁波被接收天線接收，接收數(shù)據(jù)再傳至電腦進行處理，其探測原理如圖1 所示。通過對采集的數(shù)據(jù)進行處理，得到雷達反射圖像，對圖像進行分析，并結(jié)合現(xiàn)場實際情況，可以推測不良地質(zhì)體的類型、位置及其分布特點［14］。

圖1 地質(zhì)雷達探測原理

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，會在2 種不同相對介電常數(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)的相對介電常數(shù)。

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

表1 常見材料的相對介電常數(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)的相對介電常數(shù)。

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

通過對接收的反射電磁波數(shù)據(jù)進行分析，可識別地下不良地質(zhì)體的類型、位置及規(guī)模。地質(zhì)雷達的探測效果主要取決于不良地質(zhì)體與周圍介質(zhì)間的相對介電常數(shù)差異、巖體介質(zhì)對電磁波的吸收程度、不良地質(zhì)體的深度位置以及周圍探測環(huán)境對雷達信號的干擾程度等［14］。不良地質(zhì)體與周圍介質(zhì)間的相對介電常數(shù)差異越大，電磁波反射越強烈，在雷達圖像上的反應(yīng)特征越明顯。地質(zhì)雷達探測時容易受環(huán)境干擾，因此，需在探測過程中采取相應(yīng)的措施來減少或者消除干擾。

2 幾種常見異常信號

在隧道中進行地質(zhì)雷達探測時，掌子面附近的臺車等金屬物體、探測表面凹凸不平、底板測線附近電纜與輸電線路、測線表面金屬或非金屬干擾物、探測區(qū)積水積泥以及底板測線附近金屬體等是常見的干擾源，會嚴重影響采集信息的質(zhì)量。根據(jù)齊岳山隧道現(xiàn)場采集的干擾源數(shù)據(jù)，分別對上述干擾源進行討論和分析。

2． 1 掌子面附近臺車等金屬物體

在地質(zhì)雷達探測隧道掌子面前方地質(zhì)情況時，需將雷達天線緊貼掌子面，朝掌子面前方發(fā)射電磁波，如果掌子面附近施工臺車等金屬物體未轉(zhuǎn)移至測線范圍外一定距離，會對探測結(jié)果產(chǎn)生干擾，其在雷達圖像上的表現(xiàn)如圖2 所示，雷達圖像上將出現(xiàn)一系列強振幅高能量同相軸。圖像異常位置和干擾體位置可通過式( 2) 速度時間換算關(guān)系驗證。因此，在進行掌子面地質(zhì)雷達超前預(yù)報時，需將測線附近的金屬物體移至測線范圍外一定距離，減小對雷達信號的影響。對于無法移走的金屬物體，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 探測表面凹凸不平

地質(zhì)雷達探測時，操作員需將雷達天線緊貼探測表面，且天線移動方向須與天線上的標(biāo)示方向一致。當(dāng)探測表面凹凸不平時，天線移動過程中容易發(fā)生跳動，會造成電磁波散射現(xiàn)象，且電磁波會在地面與天線之間不斷震蕩和反射，產(chǎn)生的震蕩信號會影響有效信號，跳動嚴重時甚至?xí)⒂行盘柾耆谏w。天線和探測表面之間的耦合效應(yīng)引起的反射波信號如圖3 所示，其在雷達圖像上反映為一系列隨時間延長的電磁波信號，掩蓋了有效信號，造成數(shù)據(jù)無法分析。探測表面凹凸不平還會造成操作員移動天線不便、移動速度不一致等問題。可以預(yù)先對探測表面進行處理，確保探測表面平整。同時為保證天線水平，可以在移動時微抬天線，在保證天線能越過凸起位置時，天線應(yīng)緊靠探測面，這在一定程度上能減弱干擾，但會使直達波的到達時間延長，后期數(shù)據(jù)處理時應(yīng)予以剔除。

圖3 探測表面凹凸不平干擾圖像

2． 3 電纜與輸電線路

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

圖4 電纜與輸電線路干擾圖像

2． 4 測線表面金屬或非金屬干擾物

電磁波在遇到金屬物體時，會在其表面產(chǎn)生強烈全反射，反射能量較強，振幅較大，而頻率基本保持不變。當(dāng)?shù)刭|(zhì)雷達天線越過測線表面的金屬物體( 如鋼筋、金屬管線、金屬電纜等) 時，反射波在地質(zhì)雷達圖像上表現(xiàn)為強能量同相軸，并且會在金屬物和天線之間多次反射，如圖5 所示，在雷達圖像上表現(xiàn)為強能量同相軸垂向延續(xù)時間長的特點［10］; 當(dāng)?shù)刭|(zhì)雷達天線越過測線表面非金屬干擾物( 如小石子、皮管線、木板等) 時，電磁波也會產(chǎn)生強能量反射波，得到的反射波圖像與金屬物體產(chǎn)生的圖像類似，但反射電磁波的能量相對較弱，在圖像上沒那么明顯。強反射干擾容易覆蓋有效信息，造成采集的圖像無法分析。因此，在進行隧道底板探測時，應(yīng)將測線上的金屬和非金屬干擾物移開，保持測線平整，或者根據(jù)現(xiàn)場情況重新布置測線。

圖5 測線表面金屬體干擾圖像

2． 5 探測區(qū)域積水積泥

隧道施工時底板常積水積泥，電磁波在積水積泥探測表面出現(xiàn)強反射，會掩蓋有效信號，如圖6 所示，導(dǎo)致探測結(jié)果無法分析。因此，探測時需要合理選擇測線位置，盡量避免雷達天線通過有水段落; 當(dāng)無法避開時，可先處理積水積泥，然后再進行探測。

圖6 探測表面積水積泥干擾圖像

2． 6 底板測線附近金屬體

在進行底板探測時，測線附近通常放置有金屬體( 如臺車、裝載機、電機等) ，會對探測結(jié)果產(chǎn)生干擾。當(dāng)金屬體位于測線兩端時，其在雷達圖像上反映為雙曲線的一翼，如圖7( a) 所示; 當(dāng)金屬體位于測線中間時，其在雷達圖像上反映為雙曲線，如圖7 ( b) 所示。由于雙曲線通常為溶洞在雷達圖像上的反射特征，為防止將金屬體誤判為溶洞等異常體，探測前需撤走測線附近的金屬體。

圖7 底板探測時金屬體干擾圖像

3 注意事項討論

3． 1 相對介電常數(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)確獲取其相對介電常數(shù)值，可通過觀測探測區(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介電常數(shù)范圍，再通過巖體含水量以及泥質(zhì)含量對相對介電常數(shù)值進行修正。當(dāng)含水量、泥質(zhì)含量較大時，應(yīng)適當(dāng)增大相對介電常數(shù)取值。確定相對介電常數(shù)值后，再計算其所對應(yīng)的速度。

3． 2 直達波拾取

雷達天線位置與探測表面之間存在一定距離，電磁波傳播至地面反射回來被接收形成直達波。為了將探測深度坐標(biāo)軸原點建立在地面，使異常體深度為雷達圖像深度坐標(biāo)值，在數(shù)據(jù)處理時需將直達波時間段剔除。直達波時間段切除準(zhǔn)確與否會影響異常體的定位，尤其是在采用高頻率雷達探測時，探測距離短，切除不準(zhǔn)確對不良地質(zhì)體位置的判斷偏差更大，正確選取直達波時間更為重要。在現(xiàn)場探測時，可以預(yù)先在地表放一塊金屬物體，移動天線越過金屬物體來獲取直達波在雷達圖像上的位置，隨后移走金屬物體再進行正式探測。數(shù)據(jù)處理時，通過分析越過金屬物體的雷達數(shù)據(jù)來確定直達波時間。

3． 3 天線移動速度和距離

在進行底板不良地質(zhì)體探測時，天線宜勻速移動，且不能過快，以正常步數(shù)移動天線為佳，盡量沿設(shè)計測線移動。勻速移動的目的主要是便于異常體在測線上的定位。若移動速度過快，會造成獲得的有用信息較少，不利于信號分析。測線長度不宜過長，30 ～ 40 m 為佳，當(dāng)需要探測的距離較長時，可采用分段探測的方法。

3． 4 測線里程標(biāo)記

在進行底板探測時，地質(zhì)雷達圖像上顯示的不良地質(zhì)體位置通常會與隧道內(nèi)的實際里程有一些偏差。為保證地質(zhì)雷達圖像上各點的坐標(biāo)與實際里程對應(yīng)，可以每隔10 m 的距離對測線進行一次標(biāo)記，并記錄所有標(biāo)記點的里程以供核對［16］。移動天線對齊標(biāo)記點，打點標(biāo)記并記錄其位置，數(shù)據(jù)處理時將標(biāo)記點顯示在雷達圖像上，以便與實際里程校核。在雷達圖像上顯示較大異常的位置，可通過增加測線條數(shù)來確定異常體的規(guī)模與形態(tài)。

3． 5 增益調(diào)節(jié)

地質(zhì)雷達探測時，電磁波由探測面向遠處傳播，部分能量會被介質(zhì)吸收掉，反射波能量相應(yīng)減少。距離天線越近反射波能量越大，距離天線越遠反射波能量越小，會在雷達圖像上反映出比較明顯的能量分層帶，越靠近探測表面信號越強，遠端信號較弱，因此，需要進行增益調(diào)節(jié)來放大有效信號。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之間線性變化，同時應(yīng)使反射能量控制在一定的范圍。增益太大會造成削波現(xiàn)象，掩蓋有效信號，增益太小有效信號不明顯，異常體位置不突出［14］。應(yīng)根據(jù)隧道的實際情況，將天線移至探測位置，采用先自動后手動的方法調(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)雷達探測時，干擾因素較多，對采集的原始數(shù)據(jù)處理后才能進行分析，處理時可通過設(shè)置正確的濾波參數(shù)來去除部分干擾。雷達數(shù)據(jù)處理的原則是處理步驟越少越好，原始數(shù)據(jù)最能反映實際情況，處理步驟多則會將有效信號處理掉。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，雷達數(shù)據(jù)處理方法越來越多，效果也越來越好。可根據(jù)實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)果與實際情況不符。

4 結(jié)論與建議

1) 地質(zhì)雷達探測時需將金屬物體移至測線外一定距離。對于會對探測結(jié)果產(chǎn)生干擾又無法移走的干擾體，應(yīng)詳細記錄其相關(guān)信息，包括干擾體的屬性與大小以及干擾體與測線的相對位置關(guān)系等，并通過信號處理從雷達圖像上識別或剔除干擾波，降低誤判率。

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

3) 根據(jù)現(xiàn)場圍巖情況，選取合適的相對介電常數(shù)。標(biāo)記測線里程，并在探測一定范圍后進行校核。天線移動應(yīng)勻速，且不能過快。合理設(shè)置增益，采用正確的濾波參數(shù)。

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