1、地质雷达在穿煤隧道中的超前预报研究摘要：地质雷达在穿煤隧道中形成的波形图和波谱特征和相同风化程度的花岗岩隧道有明显的不同。本文结合福建省某隧道的超前预报工作，选取典型预报段的雷达波进行分析，探讨了含煤地层中的地质雷达波形图和频谱特征，并与相类似条件下的花岗岩地层进行对比，分析了含煤地层中雷达波的典型特征，为以后的超前预报工作提供指导。 关键词：穿煤隧道；地质雷达；波形图；频谱图 中图分类号： U45 文献标识码： A ABSTRACT：The oscillogram and the spectral characteristics of the Ground Penetrating Radar
2、 in the tunnel through the coal seam is obviously different from that in granite tunnel. This article taking an advanced tunnel geological prediction of Fujian Province as example, selected radar wave of typical prediction area and analysed it. The article discussed the oscillogram and Spectral char
3、acteristics of the Ground Penetrating Radar in the tunnel through the coal seam, and compared with that in granite formation under similar conditions. It analysed the typical characteristic of radar wave in coal bearing formation and provided guidance for advanced tunnel geological prediction in fut
4、ure. KEYWORDS：Tunnel through the coal seam; Ground Penetrating Radar; Oscillogram； Spectrogram 引言 在穿煤隧道的超前预报中，主要采取的方法有超前钻探法（包括超前导坑法、超前水平钻探法和超长炮孔钻探法等） 、TSP 方法、红外探测技术和地质雷达探测等。超前钻探法和 TSP 方法对施工影响较大，费用也较高，而红外探测技术还没有很成熟，容易受到干扰。因此，地质雷达探测以其方便快捷、准确、无扰性等特点而广泛应用于含煤隧道的超前预报过程中。 本文通过对福建省某龙岩市某穿煤隧道进行地质雷达超前预报工作，选取典型
5、的雷达波进行分析，并与相类似条件下的花岗岩地区雷达波进行对比，探讨了含煤地层中地质雷达波的主要特征。 地质雷达工作原理 地质雷达(Ground Penetrating Radar, GPR)是一种新型的无损检测设备。近年来，由于其准确度高、便捷性、成本低、对施工干扰少、无损性等优点而广泛应用于工程质量检测和隧道超前地质预报等领域。地质雷达主要利用超高频的脉冲电磁波探测地下介质的分布情况，不同介质的电磁特性决定了波在其中传播的波速、波长和谐振等参数。地质雷达的工作原理如下：发射天线将电磁波以宽频带短脉冲形式送入地下，在电磁波播的过程中，当遇到存在电性差异的目标体（如空洞、裂隙、岩溶等)时，电磁波
6、便发生反射，并由接收天线接收，然后传送到接收主机并记录，从而便可得到从电磁波在介质中的双程走时。当地下介质的波速已知时，可根据测到双程走时值求得目标体的位置和埋深。实际上，电磁波在介质界面产生反射就是因为两侧介质的介电常数不同，差异越大反射信号越强烈，反之反射信号越差。因此，根据接收到电磁波的传播时间、幅度及波形特征，便可推断介质的结构。对各测点进行连续探测，并根据反射波组的波形和强度特征等，经过相关的数据处理软件得到地质雷达剖面图像。 本文所采用的地质雷达选用瑞典 MALA 地球科学公司（Sweden MALA Geoscience Inc）生产的 RAMAC CUII 型探地雷达。探测时，
7、使用发射频率为 100MHz 的屏蔽天线，样点数设为 1036，时窗为 1063ns，采样频率1004MHz，以点测方式采集数据。 工程概况及掌子面描述 福建省龙岩市某隧道为左右线分离式隧道，左线长 800m，右线长843m，最大埋深 87m，隧道直径为 14m，采用上台阶全断面法施工。隧道主要处于下古炭统林地组煤系地层，含煤段中海相成分较多，岩性以泻湖、海湾相砂岩、粉砂岩、泥岩为主。 当隧道左线掘进到 ZK139+918 里程时，掌子面主要出露为灰黑色的强风化碳质砂岩和煤矸石互层状岩体体；围岩节理、裂隙发育；主要呈薄层状碎裂和散体结构，岩质较软；掌子面潮湿，拱顶偶有掉块现象；掌子面后方 13
8、m 范围内拱顶见有多处点状滴水，近似流线状。 隧道右线掘进到 YK140+052 里程时，掌子面情况与 ZK139+918 里程比较相似，主要出露为灰黑色的强风化碳质砂岩和煤矸石互层状岩体，向斜构造，围岩节理、裂隙发育；薄层碎裂散体结构；岩质较坚硬较软，岩体锤击声较清脆哑，回弹较明显无回弹；掌子面干燥。 地质雷达波特征分析 4.1 地质雷达波形图分析 通过 Reflexw 软件对获得雷达测线的原始波形图后，再进行移动开始时间静校正、增益、去直流漂移和巴特沃斯带通一维滤波，抽取平均道及滑动平均等二维滤波处理，压制和剔除干扰波，突出有效波，得到处理后的雷达波如图 6 和图 7 所示。 图 6 ZK
9、139+918 波形图 图 7 YK140+052 里程波形图 在 ZK139+918 里程段，隧道处于含煤地层中，且围岩潮湿，从波形图中可以看出，掌子面前方 026m 范围内，反射波振幅较强，存在强反射的连续性同相轴，推测围岩以受构造影响强烈的强风化碳质砂岩和煤矸石互层状岩体为主；其中在掌子面前方 79m 和 2325m 范围内存在强反射同相轴，推测为软弱破碎带，且富含地下水。在 YK140+052 里程段，隧道处于干燥含煤地层中从波形图中可以看出，在掌子面前方024m 范围内，反射波振幅较强，且存在多条强反射的连续性同相轴，推测围岩仍为受构造影响的强风化碳质砂岩和煤矸石互层状岩体，岩体干燥
10、，结构破碎、松散；其中在掌子面前方 79m 和 1921m 范围内存在多条强反射同相轴，推测有节理蚀变带或破碎带存在。 综合以上分析，在 ZK139+918 预报段岩体受地质构造影响明显，软硬互层，整体偏软，薄层碎裂散体结构，易汇水，岩体质量及自稳能力差，受开挖的影响施工时易发生松脱滑移变形，应注意加强锚杆或超前小导管支护和变形监测，确保超前支护和仰拱及时跟进，并注意封闭开挖面和做好排水工作，以防出现恶性突水或塌方事故。在 YK140+052 预报段属洞口浅埋段，岩体软硬互层，处于褶皱构造带内，结构松散。由于埋深小，受地表和降水影响大，围岩风化强烈且存在不均匀性，岩体质量及自稳能力差，受开挖的
11、影响施工时易发生松脱滑移变形，尤其是拱顶部位还应提防块石塌落。建议加强变形监测，确保超前支护和仰拱及时跟进。 后续的开挖与本次预报结果较为吻合，并由于施工方有较为充分的准备工作，顺利通过该段，验证了地质雷达在穿煤隧道中能较准确的做出预测，并为施工的顺利进行提供参考和指导。 但是，通过对比分析，从波形图中也可以看出，在含煤地层中地质雷达波形图比较杂乱，连续性同相轴相对不明显，在潮湿地层中，波形图就更加杂乱。这为超前预报工作带来了较大了的难度。为了提高预报的准确度，为后续的施工进程提供指导，对原始雷达数据进行进一步分析，采用 Matlab 软件进行频谱分析，研究雷达波频谱特征，并与相同条件下的花岗
12、岩围岩进行对比分析。 4.2 地质雷达波频谱分析 通过 Matlab 软件对此里程雷达波数据进行处理，得到的 ZK139+918里程和 YK140+052 里程的频谱图分别如图 6 和图 7 所示，并进行对比分析可知： 图 6 ZK139+918 里程频谱图 图 7 YK140+052 里程层频谱图 地质雷达波在干燥的含煤地层中传播的速度比在潮湿的含煤地层中要快，从上面的频谱图上可以看出，含煤地层中的地质雷达波信号的频率成分相对较复杂，在较为干燥的地层中，主频较突出，基本上有两个幅度较大的主频峰，主频幅度较高，达到 2.4106 所对应的主频主要集中在 50MHz60MHz 的区域，而其余频率
13、的幅值下降趋势较陡，主要集中在 31058105 的幅度范围内。而在较为潮湿的含煤地层中，地质雷达波信号的频率分布有明显的不同，主频单一且较突出，所对应的主频主要集中在 70MHz78MHz 的区域，主频频带较窄，且峰顶尖锐，主频幅度相对较低，为 17105，而其余频率的幅度相比相差较小，主要集中在810512105 的幅度范围内。 选取典型的干燥和潮湿的强风化花岗岩地层中，地质雷达波的频谱图如图 8 和图 9 所示： 图 8 干燥强风化花岗岩频谱图图 9 潮湿强风化花岗岩频谱图 从频率谱图上可以看出，干燥的强风化化花岗岩的地质雷达波信号的频率成分较简单，主频较突出，基本上有两个幅度较大的主频
14、峰，所对应的主频主要集中在 45MHz55MHz 的区域，主频频带较窄，且峰顶均比较尖锐。而其余频率的幅度比较弱，主要集中在 11054105 的幅度范围内，且各频率幅度比较均匀。而在潮湿的强风化花岗岩中地质雷达波信号的频率成分较简单，主频单一且较突出，所对应的主频主要集中在 55MHz60 MHz 的区域，主频频带较窄，且峰顶尖锐，主频幅度达到 16105。而其余频率的幅度比较低，主要集中在 21058105 的幅度范围内，且各频率幅度变换较大。 与含煤地层中的频谱图相对比可以看出，含煤地层中频谱图分步较广，频谱幅度降低较缓，低谱和高频的幅度相差较小，峰顶尖锐且频谱幅度相对较高，在干燥地层中
15、，这种现象尤其明显。 结语 综合分析含煤隧道中地质雷达波形图和频谱图的特征，并和相类似条件下的花岗岩地层相对比，结果表明，含煤地层中，地质雷达波形图较混乱，同相轴分析效果较差，而且雷达波在含煤地层中传播速度较慢，频率分布范围比强风化花岗岩的广泛，主频也较大，能量较集中，最大幅值变化较小。但是地质雷达测试时会不可避免的受到干扰，为了提高预报的精度，不但要仔细分析波形图和波谱特征，而且要结合掌子面情况和围岩特征综合做出判断。 参考文献(References) 粟 毅，黄春琳，雷文太.探地雷达理论与应用M.北京：科学出版社,2006. 李银真，崔洪庆，张铁刚.地质雷达滤波参数对图像分析结果的影响J.科技情报开发与经济,2006,16(5):167-168. 简文彬，吴振详，邓鼎兴.某地下工程围岩的声波频谱特性J.岩土力学,2003,10(24):623-626. 邵顺安.风化花岗岩的地质雷达波的频谱特征研究J.地下空间与工程学报,2011,7(增 2):1673-1676. 白雪飞.大相岭隧道超前地质预报研究D.成都：西南交通大学,2009. 郭伟伟.隧道施工超前地质预测预报综合技术方法研究D.成都：西南交通大学,2006. 文蛟.隧道地质超前预报方法及应用技术研究D.成都：西南交通大学,2008.
