·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 ·