工程科学学报，第37卷，第11期：1397-1402,2015年11月 Chinese Journal of Engineering,Vol.37,No.11:1397-1402,November 2015 D0l:10.13374/j.issn2095-9389.2015.11.001:http://journals..ustb.edu.cn 石英砂岩体的地质雷达波频谱特征 杨 光四，刘敦文 中南大学资源与安全工程学院，长沙410083 ☒通信作者，E-mail:yg0403@126.com 摘要经过岩土体介质反射回的地质雷达波特征携带了所穿透的岩土体内部的相关信息，其中地质雷达波频谱主频值可 以作为判断岩土体结构特征的一个定量指标.以围岩为石英砂岩的公路隧道工程为依托，采用MALA地质雷达配1O0MHz 屏蔽天线，对隧道掌子面前方的石英砂岩体进行超前地质探测试验，分析典型的V级、Ⅳ级和Ⅲ级石英砂岩围岩的雷达波形 图图像特征和雷达波在岩体介质中传播的傅里叶频谱特征.通过分析现场试验数据，得出岩体介质的雷达波主频值因自身 结构特征和周边环境变化而在一定的敏感频率区间内的规律.对比分析研究结果与工程开挖实际，表明通过分析超前地质 探测获得的雷达波傅里叶频谱主频值特征来反演识别围岩结构特征是切实可行的. 关键词石英砂岩：地质探测：地质雷达：频谱分析 分类号U456:P225 Frequency spectrum characteristic of quartz sandstone rock mass with GPR YANG Guang,LIU Dun-cen School of Resources and Safety Engineering,Central South University,Changsha 410083,China Corresponding author,E-mail:yg0403@126.com ABSTRACT Ground penetrating radar (GPR)electromagnetic waves which penetrate through rock and soil mediums and are reflec- ted back carry internal information about the target objects.The GPR basic frequency values of Fourier spectra can be used as a quan- titative index of judgment for the structure characteristic of rock and soil mediums.Based on a highway tunnel project with the surrounding rock of quartz sandstone,advanced geological exploration test was carried out in front of the tunnel face with MALA GPR and a 100 MHz shielded antenna.Typical Class V,Class IV and Class IlI quartz sandstone surrounding rock mass were chosen to analyze their waveform graph information characteristic and the Fourier spectrum frequency characteristic during electromagnetic wave propagation in rock mass mediums.The regularity of GPR wave basic frequency values corresponding to the quartz sandstone rock mass medium in a certain sensitive frequency range due to its structure and surrounding environment changes was obtained through field test data analysis.A comparison between the research results and engineering excavation practices shows that it is feasible to invert the basic frequency value characteristic of GPR waves derived from advanced geological exploration for determining the structure character- istics of surrounding rock. KEY WORDS quartz sandstone:geological exploration:ground penetrating radar:frequency spectrum analysis 地质雷达探测方法具有操作灵活、无损、高效、结 程的不良岩土地质体诸如富水裂隙、断层破碎 果直观等优点，已经被广泛应用在地下工程不良地质 带5-刀和岩溶0的位置和分布特征做了研究. 体的探测中.国内外很多学者利用地质雷达对地下工 以往有关地质雷达方面的研究文献主要是侧重 收稿日期：201407-06 基金项目：国家自然科学基金资助项目(50204012)：湖南省自然科学基金资助项目(06JJ3030)
工程科学学报，第 37 卷，第 11 期: 1397--1402，2015 年 11 月 Chinese Journal of Engineering，Vol． 37，No． 11: 1397--1402，November 2015 DOI: 10． 13374 /j． issn2095--9389． 2015． 11． 001; http: / /journals． ustb． edu． cn 石英砂岩体的地质雷达波频谱特征 杨 光，刘敦文 中南大学资源与安全工程学院，长沙 410083 通信作者，E-mail: yg0403@ 126． com 摘 要 经过岩土体介质反射回的地质雷达波特征携带了所穿透的岩土体内部的相关信息，其中地质雷达波频谱主频值可 以作为判断岩土体结构特征的一个定量指标． 以围岩为石英砂岩的公路隧道工程为依托，采用 MALA 地质雷达配 100 MHz 屏蔽天线，对隧道掌子面前方的石英砂岩体进行超前地质探测试验，分析典型的Ⅴ级、Ⅳ级和Ⅲ级石英砂岩围岩的雷达波形 图图像特征和雷达波在岩体介质中传播的傅里叶频谱特征． 通过分析现场试验数据，得出岩体介质的雷达波主频值因自身 结构特征和周边环境变化而在一定的敏感频率区间内的规律． 对比分析研究结果与工程开挖实际，表明通过分析超前地质 探测获得的雷达波傅里叶频谱主频值特征来反演识别围岩结构特征是切实可行的． 关键词 石英砂岩; 地质探测; 地质雷达; 频谱分析 分类号 U456; P225 Frequency spectrum characteristic of quartz sandstone rock mass with GPＲ YANG Guang ，LIU Dun-wen School of Ｒesources and Safety Engineering，Central South University，Changsha 410083，China Corresponding author，E-mail: yg0403@ 126． com ABSTＲACT Ground penetrating radar ( GPＲ) electromagnetic waves which penetrate through rock and soil mediums and are reflected back carry internal information about the target objects． The GPＲ basic frequency values of Fourier spectra can be used as a quantitative index of judgment for the structure characteristic of rock and soil mediums． Based on a highway tunnel project with the surrounding rock of quartz sandstone，advanced geological exploration test was carried out in front of the tunnel face with MALA GPＲ and a 100 MHz shielded antenna． Typical Class Ⅴ，Class Ⅳ and Class Ⅲ quartz sandstone surrounding rock mass were chosen to analyze their waveform graph information characteristic and the Fourier spectrum frequency characteristic during electromagnetic wave propagation in rock mass mediums． The regularity of GPＲ wave basic frequency values corresponding to the quartz sandstone rock mass medium in a certain sensitive frequency range due to its structure and surrounding environment changes was obtained through field test data analysis． A comparison between the research results and engineering excavation practices shows that it is feasible to invert the basic frequency value characteristic of GPＲ waves derived from advanced geological exploration for determining the structure characteristics of surrounding rock． KEY WOＲDS quartz sandstone; geological exploration; ground penetrating radar; frequency spectrum analysis 收稿日期: 2014--07--06 基金项目: 国家自然科学基金资助项目( 50204012) ; 湖南省自然科学基金资助项目( 06JJ3030) 地质雷达探测方法具有操作灵活、无损、高效、结 果直观等优点，已经被广泛应用在地下工程不良地质 体的探测中． 国内外很多学者利用地质雷达对地下工 程的不良 岩 土 地 质 体 诸 如 富 水 裂 隙［1--4］、断 层 破 碎 带［5--7］和岩溶［8--10］的位置和分布特征做了研究． 以往有关地质雷达方面的研究文献主要是侧重
·1398 工程科学学报，第37卷，第11期 雷达波形堆积图和时间剖面图的解释型应用研究， 中的传播速度，确定目标体或岩土介质分界面的距 分析研究地质雷达波信号特征的文献相对较少.刘 离.通过步进式或连续的探测可以得到一组雷达反射 斌等国得出雷达数据中的振幅、频率和相位等信号 波，经过数据处理，可以得到探测岩土体的地质雷达剖 可以作为判断岩体中裂隙水体的依据：Benedetto和 面图，进而对探测前方的不良岩土体的位置（见 Tos利用实验验证了地质雷达主频值对应的幅值 式(1))和分布特征进行综合判定- 变化可以用来判断土壤中黏土的含量：刘东坤等四 hOr-T 对不同介质填充下溶洞的地质雷达主频频谱特征的 2 (1) 差异做了分析：邵顺安围对不同风化程度的花岗岩 的地质雷达波的主频频谱特征做了研究。这些研究 v=c (2) 表明，在地质雷达频谱分析图中可以得到目标岩土 式中：h为所探目标体与接触面之间的距离，m;t为电 体的敏感主频值，主频值可以作为判断岩土体结构 磁波发射到接受的时间间隔，s;v为电磁波在岩体中 特征的一个定量指标. 的传播速度，m·ns;x为发射天线和接受天线间的距 石英砂岩体中承压裂隙水较发育，在实际施工中 离，mc为电磁波在真空中的传播速度，m·ns';e为 遇到的围岩地质情况和设计勘测情况往往存在很大的 介质的相对介电常数 差距，情况严重时会拖延工程进度并危及施工安 1.2雷达反射波频谱分析 全.因此，开展石英砂岩体的地质雷达波特征分 雷达波经地下岩土体介质反射时，因反射介质的电 析，对提高石英砂岩地区新建工程的地质判别的准确 磁性差异不同，反射波携带的雷达波信息也不同。在对 性和工程灾害的预防，具有重要的意义. 雷达信号进行频谱分析时，不同的岩土介质表现出不同 通过对现场隧道掌子面围岩进行超前地质探测试 的主频特性，但相同的岩土介质都有一个特定的频率值 验，选取典型围岩的雷达波进行频谱特征分析，揭示雷 与其相对应.常见岩土体介质电磁性参数见表1. 达波频谱主频值与之相对应的石英砂岩体介质之间的 内在关系. 表1与岩体相关介质的电磁性参数固 Table 1 Electromagnetic parameters of mediums related to rock mass 1地质雷达工作原理及频谱分析 相对介 传播速度r/ 电导率 介质 1.1地质雷达工作原理 电常数E (m'ns-1) o/(S.m-1) 地质雷达利用高频电磁波（雷达波）以宽频带短 空气 1.0 0.30 0 脉冲形式由地面通过发射天线送入地下，经地下介质 砂岩（湿） 6.0 0.09 4.0×10-2 体反射后返回地面为接收天线所接收，反射电磁波经 页岩（湿） 7.0 0.09 0.1 混凝土 6.4 0.12 10-3-10-2 过一系列的处理和分析之后可以得到探测岩土体介质 的有关信息（比如节理、裂隙和断裂）.地质雷达 水 81.0 0.033 10-410-2 金属 300.0 0.017 107 探测工作原理图如图1所示 频谱分析是对雷达反射波数据信号强度按频率顺 分析软件 序展开，经傅里叶变换把数据信号从时域转换到频域 中去分析.设雷达信号时域函数为∫(：)，经过傅里叶 同步装置 转换装置 变化后的频率域函数为F(心)，频率域函数F(w)为时 域函数()的频谱密度函数a.进行频谱分析后，可 以得到雷达波频率与能量分布的关系曲线，而能量与 发射器 接收器 振幅相关，设能量谱为S(),根据能量定理可以得到 能量谱和振幅谱之间的关系四，即 S(w)=IF(w)12 (3) 接触面 2 隧道掌子面超前地质探测试验 日标体 某公路隧道群为山岭隧道，设计围岩级别为V级 图1地质雷达探测工作原理示意图 至Ⅲ级，围岩主要为强风化黄褐色石英砂岩和中风化 Fig.1 Work principle diagram of GPR detection 紫青色石英砂岩，局部裂隙水发育 地质雷达天线发射电磁波对地下介质体进行发射 采用瑞典MALA公司生产的RAMAC型地质雷达 定位，然后依据反射波的双程时间：及其在相应介质 和相应的数据采集及处理分析软件.探测时选用发射
工程科学学报，第 37 卷，第 11 期 雷达波形堆积图和时间剖面图的解释型应用研究， 分析研究地质雷达波信号特征的文献相对较少． 刘 斌等［3］得出雷达数据中的振幅、频率和相位等信号 可以作为判断岩体中裂隙水体的依据; Benedetto 和 Tosti［11］利用实验验证了地质雷达主频值对应的幅值 变化可以用来判断土壤中黏土的含量; 刘东坤等［12］ 对不同介质填充下溶洞的地质雷达主频频谱特征的 差异做了分析; 邵顺安［13］对不同风化程度的花岗岩 的地质雷达波的主频频谱特征做了研究． 这些研究 表明，在地质雷达频谱分析图中可以得到目标岩土 体的敏感主频值，主频值可以作为判断岩土体结构 特征的一个定量指标． 石英砂岩体中承压裂隙水较发育，在实际施工中 遇到的围岩地质情况和设计勘测情况往往存在很大的 差距，情 况 严 重 时 会 拖 延 工 程 进 度 并 危 及 施 工 安 全［14］． 因此，开展石英砂岩体的地质雷达波特征分 析，对提高石英砂岩地区新建工程的地质判别的准确 性和工程灾害的预防，具有重要的意义． 通过对现场隧道掌子面围岩进行超前地质探测试 验，选取典型围岩的雷达波进行频谱特征分析，揭示雷 达波频谱主频值与之相对应的石英砂岩体介质之间的 内在关系． 1 地质雷达工作原理及频谱分析 1. 1 地质雷达工作原理 地质雷达利用高频电磁波( 雷达波) 以宽频带短 脉冲形式由地面通过发射天线送入地下，经地下介质 体反射后返回地面为接收天线所接收，反射电磁波经 过一系列的处理和分析之后可以得到探测岩土体介质 的有关信息( 比如节理、裂隙和断裂) ［2--5］． 地质雷达 探测工作原理图如图 1 所示． 图 1 地质雷达探测工作原理示意图 Fig． 1 Work principle diagram of GPＲ detection 地质雷达天线发射电磁波对地下介质体进行发射 定位，然后依据反射波的双程时间 t 及其在相应介质 中的传播速度 v 确定目标体或岩土介质分界面的距 离． 通过步进式或连续的探测可以得到一组雷达反射 波，经过数据处理，可以得到探测岩土体的地质雷达剖 面图，进而对探测前方的不良岩土体的位置 ( 见 式( 1) ) 和分布特征进行综合判定［2--4］． h = v 2 t 2 槡 － x 2 2 ． ( 1) v = c 槡ε ． ( 2) 式中: h 为所探目标体与接触面之间的距离，m; t 为电 磁波发射到接受的时间间隔，ns; v 为电磁波在岩体中 的传播速度，m·ns － 1 ; x 为发射天线和接受天线间的距 离，m; c 为电磁波在真空中的传播速度，m·ns － 1 ; ε 为 介质的相对介电常数． 1. 2 雷达反射波频谱分析 雷达波经地下岩土体介质反射时，因反射介质的电 磁性差异不同，反射波携带的雷达波信息也不同． 在对 雷达信号进行频谱分析时，不同的岩土介质表现出不同 的主频特性，但相同的岩土介质都有一个特定的频率值 与其相对应． 常见岩土体介质电磁性参数见表 1． 表 1 与岩体相关介质的电磁性参数［15］ Table 1 Electromagnetic parameters of mediums related to rock mass 介质 相对介 电常数 ε 传播速度 v/ ( m·ns － 1 ) 电导率 σ/( S·m － 1 ) 空气 1. 0 0. 30 0 砂岩( 湿) 6. 0 0. 09 4. 0 × 10 － 2 页岩( 湿) 7. 0 0. 09 0. 1 混凝土 6. 4 0. 12 10 － 3 ～ 10 － 2 水 81. 0 0. 033 10 － 4 ～ 10 － 2 金属 300. 0 0. 017 107 频谱分析是对雷达反射波数据信号强度按频率顺 序展开，经傅里叶变换把数据信号从时域转换到频域 中去分析． 设雷达信号时域函数为 f( t) ，经过傅里叶 变化后的频率域函数为 F( w) ，频率域函数 F( w) 为时 域函数 f( t) 的频谱密度函数［16］． 进行频谱分析后，可 以得到雷达波频率与能量分布的关系曲线，而能量与 振幅相关，设能量谱为 S( w) ，根据能量定理可以得到 能量谱和振幅谱之间的关系［12］，即 S( w) = | F( w) | 2 ． ( 3) 2 隧道掌子面超前地质探测试验 某公路隧道群为山岭隧道，设计围岩级别为Ⅴ级 至Ⅲ级，围岩主要为强风化黄褐色石英砂岩和中风化 紫青色石英砂岩，局部裂隙水发育． 采用瑞典 MALA 公司生产的 ＲAMAC 型地质雷达 和相应的数据采集及处理分析软件． 探测时选用发射 · 8931 ·
杨光等：石英砂岩体的地质雷达波频谱特征 ·1399· 频率为100MHz的屏蔽天线，设置采样频率为 较均匀，无异常反射波震荡信号.雷达波频谱频率主 924MHz,采样点数为564，窗口时间为516ns,叠加次 要在高频区域，存在多个主频值.典型Ⅲ级石英砂岩 数为128，以点测法采集数据，沿掌子面测线方向每 围岩的雷达Wiggle图见图2(c,f),相对应的频谱图 0.1m采集一次数据. 见3(c,) 在现场对不同围岩级别和裂隙水地质条件下的 4雷达信号特征分析研究 掌子面进行超前地质探测.探测前，先对隧道掌子面 进行清理，要求掌子面岩面平整，同时移除对雷达天 4.1雷达信号特性分析 线有干扰的金属物件.探测时，保持地质雷达天线紧 把采集的雷达数据整理、分类和归档，通过后处理 贴掌子面匀速移动，并标记测点位置和特殊地质 得出各个超前探测试验数据，选择具有代表性且开挖 情况. 后得到验证的隧道掌子面超前地质预报数据，对相关 石英砂岩围岩段的地质雷达电磁波信号特征和频谱主 3典型雷达数据图像分析 频频率分布（图3）情况进行统计分析，见表2. 由于围岩体结构的复杂性以及组成介质对电磁 4.2雷达信号频谱主频特性分析 波吸收和反射程度的差异性，同时还受到外界的各 雷达波频谱图的各个主频数值，间接地反应了石 种干扰，所以分析时需要利用雷达软件对现场采集 英砂岩体的一些介质的性质.统计分析发现：由于岩 的原始雷达波进行时间静校正、能量增益、滤波等处 体自身结构和周边环境的各项异性，具体的岩体介质 理，压制和剔除杂波，突出有效波.通过雷达数据 频率主频并不是一个定值，而是在一定的区间内有其 时间域的波形堆积图（即雷达波Wiggle图）分析地质 敏感的频率段. 岩土体分布情况，利用频率域的振幅一频谱图确定地 以石英砂岩体中的裂隙水为例，雷达反射波振幅 质岩土体介质的敏感主频值和雷达波对其作用的能 变强和相位反向是判断围岩含水状态的重要特征.通 量状态 过拾取含水异常区域单道雷达波相位反向波形处频率 隧道工程岩体等级是通过围岩级别划分的，不同 和结合现场围岩开挖后的实际情况得出：采用 的围岩级别岩体风化状况、完整性程度和节理、裂隙发 100MHz天线探测时，雷达波在经过裂隙水介质中传 育情况不一样.现场雷达超前地质探测的V级至Ⅲ级 播后的傅里叶频谱主频值位于16~20MHz和23~ 石英砂岩围岩的典型图像分析如下. 26MHz之间，这与文献B]和文献12]得出结果较一 3.1V级石英砂岩围岩 致.某富含裂隙水围岩雷达反射波的单道波形图如 V级围岩一般位于强风化破碎岩体段，岩体完整 图4(a)所示. 性较差，地下水发育.雷达波常在岩体破碎界面产生 采用拾取单道雷达波方式，对不同风化程度和不 绕射和散射，波形杂乱，相位不同轴连续，含裂隙水处 同岩性的石英砂岩主频值进行分析，典型破碎且富含 存在强反射信号、波幅变化大、入射雷达波和反射雷达 裂隙水石英砂岩围岩雷达反射波单道波形图见 波的相位相反，雷达波能量团分布不均，能量衰减快 图4(a),典型完整且干燥石英砂岩围岩雷达反射波单 由于地下水丰富，雷达波频谱频率在低频区域表现明 道波形图见图4(b).分析和推导出雷达波信号频谱 显，位于16~20MHz和23~26MHz间的主频值幅值 主频分别对应的石英砂岩介质情况见表3 突出.典型V级石英砂岩围岩的雷达Wiggle图见 4.3对比验证 图2(a,d),相对应的频谱图见3(a,d). 对某隧道掌子面进行地质雷达扫描，经过分析处 3.2W级石英砂岩围岩 理得到雷达波信号频谱图像（见图5).从图5中可 Ⅳ级围岩局部节理，裂隙水发育.雷达Wiggle图 知：该段围岩体的雷达频谱分布较复杂，频谱覆盖低、 可以较清晰显示地下裂隙水聚集区域是岩体贯通节理 中、高全频段，其中位于41~44MHz的主频值和84~ 和裂隙脉络的分布.雷达波图像在围岩完整性较好的 88MHz的主频值的幅值突出，存在低频频率但不突 岩体中波形较规整，但在局部含水裂隙区域波形波幅 出.依据表3中的雷达波频谱主频和介质的关系，反 变化大，整体相位同轴时断时续，含裂隙水区域存在强 演推断出掌子面前方的围岩组成介质情况如图5中标 反射信号.位于41~44MHz间的雷达波频谱主频值 注所示. 幅值表现突出.典型IV级石英砂岩围岩的雷达Viggle 围岩经过开挖后，掌子面显示的围岩组成成分与 图见图2(b,e),相对应的频谱图见3(b,e). 超前地质探测中雷达波频谱主频反演推断出的结果较 3.3Ⅲ级石英砂岩围岩 一致，即隧道掌子面前方的围岩由强风化黄褐色石英 Ⅲ级围岩完整性较好，局部含少量裂隙水.雷达 砂岩和中风化青紫色石英砂岩共同组成，围岩中裂隙 波图像波形均一，相位同相轴，连续性好，能量团分布 水含量较少，如图6所示
杨 光等: 石英砂岩体的地质雷达波频谱特征 频率 为 100 MHz 的 屏 蔽 天 线，设 置 采 样 频 率 为 924 MHz，采样点数为 564，窗口时间为 516 ns，叠加次 数为 128，以点测法采集数据，沿掌子面测线方向每 0. 1 m 采集一次数据． 在现场对不同围岩级别和裂隙水地质条件下的 掌子面进行超前地质探测． 探测前，先对隧道掌子面 进行清理，要求掌子面岩面平整，同时移除对雷达天 线有干扰的金属物件． 探测时，保持地质雷达天线紧 贴掌子 面 匀 速 移 动，并 标 记 测 点 位 置 和 特 殊 地 质 情况． 3 典型雷达数据图像分析 由于围岩体结构的复杂性以及组成介质对电磁 波吸收和反射程度的差异性，同时还受到外界的各 种干扰，所以分析时需要利用雷达软件对现场采集 的原始雷达波进行时间静校正、能量增益、滤波等处 理，压制和剔除杂波，突出有效波［15］． 通过雷达数据 时间域的波形堆积图( 即雷达波 Wiggle 图) 分析地质 岩土体分布情况，利用频率域的振幅--频谱图确定地 质岩土体介质的敏感主频值和雷达波对其作用的能 量状态． 隧道工程岩体等级是通过围岩级别划分的，不同 的围岩级别岩体风化状况、完整性程度和节理、裂隙发 育情况不一样． 现场雷达超前地质探测的Ⅴ级至Ⅲ级 石英砂岩围岩的典型图像分析如下． 3. 1 Ⅴ级石英砂岩围岩 Ⅴ级围岩一般位于强风化破碎岩体段，岩体完整 性较差，地下水发育． 雷达波常在岩体破碎界面产生 绕射和散射，波形杂乱，相位不同轴连续，含裂隙水处 存在强反射信号、波幅变化大、入射雷达波和反射雷达 波的相位相反，雷达波能量团分布不均，能量衰减快． 由于地下水丰富，雷达波频谱频率在低频区域表现明 显，位于 16 ～ 20 MHz 和 23 ～ 26 MHz 间的主频值幅值 突出． 典 型 Ⅴ 级 石 英 砂 岩 围 岩 的 雷 达 Wiggle 图 见 图 2( a，d) ，相对应的频谱图见 3( a，d) ． 3. 2 Ⅳ级石英砂岩围岩 Ⅳ级围岩局部节理，裂隙水发育． 雷达 Wiggle 图 可以较清晰显示地下裂隙水聚集区域是岩体贯通节理 和裂隙脉络的分布． 雷达波图像在围岩完整性较好的 岩体中波形较规整，但在局部含水裂隙区域波形波幅 变化大，整体相位同轴时断时续，含裂隙水区域存在强 反射信号． 位于 41 ～ 44 MHz 间的雷达波频谱主频值 幅值表现突出． 典型Ⅳ级石英砂岩围岩的雷达 Wiggle 图见图 2( b，e) ，相对应的频谱图见 3( b，e) ． 3. 3 Ⅲ级石英砂岩围岩 Ⅲ级围岩完整性较好，局部含少量裂隙水． 雷达 波图像波形均一，相位同相轴，连续性好，能量团分布 较均匀，无异常反射波震荡信号． 雷达波频谱频率主 要在高频区域，存在多个主频值． 典型Ⅲ级石英砂岩 围岩的雷达 Wiggle 图见图 2 ( c，f) ，相对应的频谱图 见 3( c，f) ． 4 雷达信号特征分析研究 4. 1 雷达信号特性分析 把采集的雷达数据整理、分类和归档，通过后处理 得出各个超前探测试验数据，选择具有代表性且开挖 后得到验证的隧道掌子面超前地质预报数据，对相关 石英砂岩围岩段的地质雷达电磁波信号特征和频谱主 频频率分布( 图 3) 情况进行统计分析，见表 2． 4. 2 雷达信号频谱主频特性分析 雷达波频谱图的各个主频数值，间接地反应了石 英砂岩体的一些介质的性质． 统计分析发现: 由于岩 体自身结构和周边环境的各项异性，具体的岩体介质 频率主频并不是一个定值，而是在一定的区间内有其 敏感的频率段． 以石英砂岩体中的裂隙水为例，雷达反射波振幅 变强和相位反向是判断围岩含水状态的重要特征． 通 过拾取含水异常区域单道雷达波相位反向波形处频率 和结合现场围岩开挖后的实际情况得出: 采 用 100 MHz天线探测时，雷达波在经过裂隙水介质中传 播后的傅里叶频 谱 主 频 值 位 于 16 ～ 20 MHz 和23 ～ 26 MHz之间，这与文献［3］和文献［12］得出结果较一 致． 某富含裂隙水围岩雷达反射波的单道波形图如 图 4( a) 所示． 采用拾取单道雷达波方式，对不同风化程度和不 同岩性的石英砂岩主频值进行分析，典型破碎且富含 裂隙 水 石 英 砂 岩 围 岩 雷 达 反 射 波 单 道 波 形 图 见 图 4( a) ，典型完整且干燥石英砂岩围岩雷达反射波单 道波形图见图 4( b) ． 分析和推导出雷达波信号频谱 主频分别对应的石英砂岩介质情况见表 3． 4. 3 对比验证 对某隧道掌子面进行地质雷达扫描，经过分析处 理得到雷达波信号频谱图像( 见图 5) ． 从图 5 中可 知: 该段围岩体的雷达频谱分布较复杂，频谱覆盖低、 中、高全频段，其中位于 41 ～ 44 MHz 的主频值和 84 ～ 88 MHz 的主频值的幅值突出，存在低频频率但不突 出． 依据表 3 中的雷达波频谱主频和介质的关系，反 演推断出掌子面前方的围岩组成介质情况如图 5 中标 注所示． 围岩经过开挖后，掌子面显示的围岩组成成分与 超前地质探测中雷达波频谱主频反演推断出的结果较 一致，即隧道掌子面前方的围岩由强风化黄褐色石英 砂岩和中风化青紫色石英砂岩共同组成，围岩中裂隙 水含量较少，如图 6 所示． · 9931 ·
·1400· 工程科学学报，第37卷，第11期 测线长度/m 调线长度m 测线长度m (b) 4 0 34567 e0 2 456 200 200 200 0 0 国岩较陵碎，裂膜 水发行较丰富区城 400 4 测线长度m 线长度m 线度m 5 3456789 20 图2石英砂岩围岩雷达探测Wiggle图.(a,d)V级石英砂岩围岩：(b,e)W级石英砂岩围岩：(c,)Ⅲ级石英砂岩围岩 Fig.2 Wiggle images of quartz sandstone surrounding rock by GPR detection:(a,d)Class V quartz sandstone surrounding rock:(b,e)Class IV quartz sandstone surrounding rock:(c,f)Class II quartz sandstone surrounding rock 1.0 1.0 1.0 0.8 0.8[(b) 0.8 0.6 0.6 0.6 0.4 04 0.4 02 0.2 0.2 0 0 100 200 0 100 200 100 200 频率MHz 频率MHz 频率MHz 1.0 1.0 d e 10 ) 0.8 0.8 0.8 a.6 0.6 0.4 0.4 02 0.2 0.2 0 0 100 200 100 200 100 200 频率/MHz 领率MHz 领率MHz 图3石英砂岩围岩雷达探测频谱图(10~110MHz).(a,d)V级石英砂岩围岩：(b,e)W级石英砂岩围岩：(c,f)Ⅲ级石英砂岩围岩 Fig.3 Frequency spectrograms of quartz sandstone surrounding rock by GPR detection (10~110 MHz):(a,d)Class V quartz sandstone surround- ing rock:(b,e)Class IV quartz sandsto surrounding rock:(c,f)Class IlI quartz sandstone
工程科学学报，第 37 卷，第 11 期 图 2 石英砂岩围岩雷达探测 Wiggle 图． ( a，d) Ⅴ级石英砂岩围岩; ( b，e) Ⅳ级石英砂岩围岩; ( c，f) Ⅲ级石英砂岩围岩 Fig． 2 Wiggle images of quartz sandstone surrounding rock by GPＲ detection: ( a，d) Class Ⅴ quartz sandstone surrounding rock; ( b，e) Class Ⅳ quartz sandstone surrounding rock; ( c，f) Class Ⅲ quartz sandstone surrounding rock 图 3 石英砂岩围岩雷达探测频谱图( 10 ～ 110 MHz) ． ( a，d) Ⅴ级石英砂岩围岩; ( b，e) Ⅳ级石英砂岩围岩; ( c，f) Ⅲ级石英砂岩围岩 Fig． 3 Frequency spectrograms of quartz sandstone surrounding rock by GPＲ detection ( 10 ～ 110 MHz) : ( a，d) Class Ⅴ quartz sandstone surrounding rock; ( b，e) Class Ⅳ quartz sandstone surrounding rock; ( c，f) Class Ⅲ quartz sandstone surrounding rock · 0041 ·
杨光等：石英砂岩体的地质雷达波频谱特征 ·1401· 表2地质雷达电磁波信号特征和主频频率统计分析 Table 2 Statistical analysis of GPR electromagnetic wave signal characteristics and basic frequency values 波形、相位 电磁波能量 强反射 傅里叶频谱主频值分布区域 岩体 连续情况 分布情况 信号情况 (适用100MHz天线测试) V级石英砂岩 波形、相位杂乱 不均匀，规律性差 有，强烈 16~20MHz;23~26MHz:4144MHz: W级石英砂岩 波形、相位较均一 局部不均匀 有，强烈 84 ~88 MHz:96~98 MHz [Ⅲ级石英砂岩 波形、相位均一 较均匀 无或少量 (a） 含水风城 雷达波波形 雷达波 相位均一 变强、和位 反向 图4典型雷达反射波单道波形图.()破碎且富含裂隙水石英砂岩围岩：(b)完整且干燥石英砂岩围岩 Fig.4 Typical single-channel waveform graphs of GPR reflected waves:(a)quartz sandstone surrounding rock which is broken and rich in fissure water:(b)intact and dry quartz sandstone surrounding rock 表3雷达电磁波信号颍谱主频值对应的介质 Table 3 GPR electromagnetic wave signal frequency spectrum basic frequency values correspond to the mediums 频谱主颊（适用1O0MHz天线测试） 16~20MHz,23~26MHz 41~44MHz 84-88MHz,96-98MHz 石英砂岩体介质 裂隙水 强风化黄褐色石英砂岩 中风化紫青色石英砂岩 1.0 0.8 青紫色石英砂岩 06 04 黄褐色石英沙岩 裂隙水 00 100 200 频率/MH 图5石英砂岩围岩频谱主频值反演识别结果 Fig.5 Inversion result of the basic frequency values of the frequency 图6目标隧道围岩开挖结果 spectrogram for quartz sandstone surrounding rock Fig.6 Excavation result of surrounding rock in the target tunnel 到掌子面前方围岩完整性和裂隙水分布状况，可用于 5结论 预报隧道掌子面前方不良地质情况，指导隧道安全 (1)地质雷达隧道超前地质探测可以较直观探测 施工
杨 光等: 石英砂岩体的地质雷达波频谱特征 表 2 地质雷达电磁波信号特征和主频频率统计分析 Table 2 Statistical analysis of GPＲ electromagnetic wave signal characteristics and basic frequency values 岩体 波形、相位 连续情况 电磁波能量 分布情况 强反射 信号情况 傅里叶频谱主频值分布区域 ( 适用 100 MHz 天线测试) Ⅴ级石英砂岩 波形、相位杂乱 不均匀，规律性差 有，强烈 16 ～ 20 MHz; 23 ～ 26 MHz; 41 ～ 44 MHz; Ⅳ级石英砂岩 波形、相位较均一 局部不均匀 有，强烈 84 ～ 88 MHz; 96 ～ 98 MHz IⅢ级石英砂岩 波形、相位均一 较均匀 无或少量 图 4 典型雷达反射波单道波形图． ( a) 破碎且富含裂隙水石英砂岩围岩; ( b) 完整且干燥石英砂岩围岩 Fig． 4 Typical single-channel waveform graphs of GPＲ reflected waves: ( a) quartz sandstone surrounding rock which is broken and rich in fissure water; ( b) intact and dry quartz sandstone surrounding rock 表 3 雷达电磁波信号频谱主频值对应的介质 Table 3 GPＲ electromagnetic wave signal frequency spectrum basic frequency values correspond to the mediums 频谱主频( 适用 100 MHz 天线测试) 16 ～ 20 MHz，23 ～ 26 MHz 41 ～ 44 MHz 84 ～ 88 MHz，96 ～ 98 MHz 石英砂岩体介质 裂隙水 强风化黄褐色石英砂岩 中风化紫青色石英砂岩 图 5 石英砂岩围岩频谱主频值反演识别结果 Fig． 5 Inversion result of the basic frequency values of the frequency spectrogram for quartz sandstone surrounding rock 5 结论 ( 1) 地质雷达隧道超前地质探测可以较直观探测 图 6 目标隧道围岩开挖结果 Fig． 6 Excavation result of surrounding rock in the target tunnel 到掌子面前方围岩完整性和裂隙水分布状况，可用于 预报隧道掌子面前方不良地质情况，指导隧道安全 施工． · 1041 ·
·1402. 工程科学学报，第37卷，第11期 (2)结合超前地质探测雷达波的时域图像和频谱 质预报中的应用.水利与建筑工程学报，2009,7(3)：132) 主频特征，除了掌握地质体分布特征外还可更为精确 Wen S R,Yang X H.Risk identification for collapse of tunnel 地掌握掌子面前方围岩结构的组成特征. during construction and the countermeasures /International Con- ference on Digital Manufacturing Automation.Qingdao,2013: (3)不同组成类别和地域环境下石英砂岩体敏感 1171 主频值存在差异.通过建立不同类别和地域岩土体介 [8]Chen X G,Xu W,Qiu C Q.Combinative application of TST and 质的地质雷达波频谱特征数据库，可解决目前过于依 MALA-GPR in the A-FU tunnel.Electron J Geotech Eng,2013, 赖专业技术人员靠经验来判断解释地质雷达信号的难 18:3461 题，并减少对雷达数据的漏判和误判. [9]Chen S,Shu J H,Lu Q S,et al.Application of integrated geolog- ical prediction in expressway tunnel /International Conference on Geoscience and Remote Sensing IITA-GRS 2010).Qingdao, 参考文献 2010:540 [1]Hu S W,Lu J,Wang G Q.Application analysis of detecting wa- [10]Gao Y,Zhang QS,Yuan X S,et al.Application of geological ter-ich areas with ground-penetrating radar.Hydro-Sci Eng,2012 radar to geological forecast in karst tunnel.J Shandong Univ Eng (6):33 Sci,2009,39(4):82 (胡少伟，陆俊，王国群.地质雷达在探测地下富含水区域中 (高阳，张庆松，原小帅，等.地质雷达在岩溶隧道超前预报 的应用.水利水运工程学报，2012(6)：33) 中的应用.山东大学学报：工学版，2009,39(4)：82) Liu RT,Li S C,Zhang QS,et al.Research on optimization of [11]Benedetto F,Tosti F.GPR spectral analysis for clay content e- karst fissure water exploration methods and engineering counter- valuation by the frequency shift method.J Appl Geophys,2013, measures.Rock Soil Mech,2011,32(4):1095 97:89 (刘人太，李术才，张庆松，等.岩溶裂隙水探查方法优化与 [12]Liu D K,Ju N P,Huo Y X.Analysis of the spectrum difference 工程治理研究.岩土力学，2011,32(4)：1095) of ground penetrating radar (GPR)for different media fillings B]Liu B,LiS C,Li S C.et al.Study of application of complex sig- Mod Tunnelling Technol,2013,50 (5):23 nal analysis to predicting karst-fractured ground water with GPR. (刘东坤，巨能攀，霍宇翔.地质雷达在不同介质填充下的 Rock Soil Mech,2009,30(7):2191 频谱差异分析.现代隧道技术，2013,50(5)：23-27) (刘斌，李术才，李树忱，等.复信号分析技术在地质雷达预 3] Shao SA.The frequeney spectrum analysis of the geology radar 报岩溶裂隙水中的应用研究.岩土力学，2009,30(7)： wave of granite with different weathering degree.Chin J Under- 2191) ground Space Eng,2011,7 (Suppl 2):1673 4]He X Q,Zhu Z Q,Liu Q Y,et al.Geology prediction using GPR in (邵顺安.风化花岗岩的地质雷达波的频谱特征研究.地下 water-tich region.IShandong Unin Eng Sci,009,39 (Suppl 2):68 空间与工程学报，2011,7（增刊2）：1673) (何现启，朱自强，柳群义，等.隧道富水区雷达超前预报研 14]Zhang M Q,Huang H J.Technology for blocking water by grou- 究.山东大学学报：工学版，2009,39（增刊2）：68) ting for high-pressure cranny water of Qiyueshan tunnel.J Railc 5]Li WT.Li S C.Xue Y G,et al.Application of ground penetrat- Eng Soc,2010(1):68 ing radar to the geological forecast for water-bearing faults in the (张民庆，黄鸿健.齐岳山隧道高压裂隙水注浆堵水技术 Jiaozhou Bay subsea tunnel construction.J Shandong Unir Eng 铁道工程学报，2010(1)：68) Sci,2009,39(4):65 [15]Yang F,Peng S P.Study on Detecting Principle and Method of (李为腾，李术才，薛翊国，等.地质雷达在胶州湾海底隧道 Geological Radar.Beijing:Science Press,2010 45含水断层超前预报中的应用.山东大学学报：工学版， (杨峰，彭苏萍.地质雷达探测原理与方法研究.北京：科学 2009,39(4):65) 出版社，2010) Nan Y L,Han X L,Ye FC,et al.Application of ground pene- [16]Li L M.Signals and Systems Analysis.Chengdu:University of trating radar in advanced geological forecasting for expressway tun- Electronic Science and Technology of China Press,2002 nel.J Water Resour Archit Eng,2009,7(3)132 (李录明.信号与系统分析.成都：电子科技大学出版社， (南亚林，韩晓雷，叶逢春，等.地质雷达在公路隧道超前地 2002)
工程科学学报，第 37 卷，第 11 期 ( 2) 结合超前地质探测雷达波的时域图像和频谱 主频特征，除了掌握地质体分布特征外还可更为精确 地掌握掌子面前方围岩结构的组成特征． ( 3) 不同组成类别和地域环境下石英砂岩体敏感 主频值存在差异． 通过建立不同类别和地域岩土体介 质的地质雷达波频谱特征数据库，可解决目前过于依 赖专业技术人员靠经验来判断解释地质雷达信号的难 题，并减少对雷达数据的漏判和误判． 参 考 文 献 ［1］ Hu S W，Lu J，Wang G Q． Application analysis of detecting water-rich areas with ground-penetrating radar． Hydro-Sci Eng，2012 ( 6) : 33 ( 胡少伟，陆 俊，王国群． 地质雷达在探测地下富含水区域中 的应用． 水利水运工程学报，2012( 6) : 33) ［2］ Liu Ｒ T，Li S C，Zhang Q S，et al． Ｒesearch on optimization of karst fissure water exploration methods and engineering countermeasures． Ｒock Soil Mech，2011，32( 4) : 1095 ( 刘人太，李术才，张庆松，等． 岩溶裂隙水探查方法优化与 工程治理研究． 岩土力学，2011，32( 4) : 1095) ［3］ Liu B，Li S C，Li S C，et al． Study of application of complex signal analysis to predicting karst-fractured ground water with GPＲ． Ｒock Soil Mech，2009，30( 7) : 2191 ( 刘斌，李术才，李树忱，等． 复信号分析技术在地质雷达预 报岩溶 裂 隙 水 中 的 应 用 研 究． 岩 土 力 学，2009，30 ( 7 ) : 2191) ［4］ He X Q，Zhu Z Q，Liu Q Y，et al． Geology prediction using GPＲ in water-rich region． J Shandong Univ Eng Sci，2009，39 ( Suppl 2) : 68 ( 何现启，朱自强，柳群义，等． 隧道富水区雷达超前预报研 究． 山东大学学报: 工学版，2009，39( 增刊 2) : 68) ［5］ Li W T，Li S C，Xue Y G，et al． Application of ground penetrating radar to the geological forecast for water-bearing faults in the Jiaozhou Bay subsea tunnel construction． J Shandong Univ Eng Sci，2009，39( 4) : 65 ( 李为腾，李术才，薛翊国，等． 地质雷达在胶州湾海底隧道 F4--5 含水断层超前预报中的应用． 山东大学学报: 工学版， 2009，39( 4) : 65) ［6］ Nan Y L，Han X L，Ye F C，et al． Application of ground penetrating radar in advanced geological forecasting for expressway tunnel． J Water Ｒesour Archit Eng，2009，7( 3) : 132 ( 南亚林，韩晓雷，叶逢春，等． 地质雷达在公路隧道超前地 质预报中的应用． 水利与建筑工程学报，2009，7( 3) : 132) ［7］ Wen S Ｒ，Yang X H． Ｒisk identification for collapse of tunnel during construction and the countermeasures / / International Conference on Digital Manufacturing ＆ Automation． Qingdao，2013: 1171 ［8］ Chen X G，Xu W，Qiu C Q． Combinative application of TST and MALA-GPＲ in the A-FU tunnel． Electron J Geotech Eng，2013， 18: 3461 ［9］ Chen S，Shu J H，Lu Q S，et al． Application of integrated geological prediction in expressway tunnel / / International Conference on Geoscience and Ｒemote Sensing ( IITA-GＲS 2010 ) ． Qingdao， 2010: 540 ［10］ Gao Y，Zhang Q S，Yuan X S，et al． Application of geological radar to geological forecast in karst tunnel． J Shandong Univ Eng Sci，2009，39( 4) : 82 ( 高阳，张庆松，原小帅，等． 地质雷达在岩溶隧道超前预报 中的应用． 山东大学学报: 工学版，2009，39( 4) : 82) ［11］ Benedetto F，Tosti F． GPＲ spectral analysis for clay content evaluation by the frequency shift method． J Appl Geophys，2013， 97: 89 ［12］ Liu D K，Ju N P，Huo Y X． Analysis of the spectrum difference of ground penetrating radar ( GPＲ) for different media fillings． Mod Tunnelling Technol，2013，50 ( 5) : 23 ( 刘东坤，巨能攀，霍宇翔． 地质雷达在不同介质填充下的 频谱差异分析． 现代隧道技术，2013，50( 5) : 23--27) ［13］ Shao S A． The frequency spectrum analysis of the geology radar wave of granite with different weathering degree． Chin J Underground Space Eng，2011，7 ( Suppl 2) : 1673 ( 邵顺安． 风化花岗岩的地质雷达波的频谱特征研究． 地下 空间与工程学报，2011，7( 增刊 2) : 1673) ［14］ Zhang M Q，Huang H J． Technology for blocking water by grouting for high-pressure cranny water of Qiyueshan tunnel． J Ｒailw Eng Soc，2010( 1) : 68 ( 张民庆，黄鸿健． 齐岳山隧道高压裂隙水注浆堵水技术． 铁道工程学报，2010 ( 1) : 68) ［15］ Yang F，Peng S P． Study on Detecting Principle and Method of Geological Ｒadar． Beijing: Science Press，2010 ( 杨峰，彭苏萍． 地质雷达探测原理与方法研究． 北京: 科学 出版社，2010) ［16］ Li L M． Signals and Systems Analysis． Chengdu: University of Electronic Science and Technology of China Press，2002 ( 李录明． 信号与系统分析． 成都: 电子科技大学出版社， 2002) · 2041 ·