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 ·