隧道工程属于地下隐蔽工程，由于地质条件的复杂性，以及施工条件与施工控制等因素的影响^[1]，导致在隧道施工期存在一定的施工风险。为了尽量减少或者避免隧道施工中的风险，超前地质预报受到了人们的广泛关注，并得到了广泛的应用。

地质雷达是一种用于确定地下介质分布的电磁技术^[2]，是超前地质预报众多方法中的一种，其设备简便，易于操作，被广泛应用于隧道施工期超前地质预报中。

在围岩地质雷达波形特征方面，人们已经做了许多相关的研究分析，在工程实际中也获得了许多有效地应用，如吴俊、高阳^[3,4]等，研究了围岩在富水情况下的地质雷达线测图像定性特征；姜汶泉、温佐彪、由广明等^[5,6,7]，则分析研究了溶洞、断层及含水层的线测图像特征。

地质雷达的波形特征与研究对象的特定条件(如：岩性、完整性、结构类型、含水率等)有直接关系，但目前针对特定工程地质条件下围岩的地质雷达波形特征研究却相对不足，大多数研究没有将研究对象所赋存的条件进行细化，只笼统地概述为富水围岩、围岩等，显然，这容易导致研究成果的应用受到限制；另外，许多研究往往仅单一地分析线测或者点测图像的特征，而对回波中心频率特征的研究则很少，尤其是回波中心频率的定量特征研究较为少见，这是目前所存在的不足之处，如：王通^[8]研究了地下含水层的回波频率特征，但只定性地描述了低频的特征，且没有针对含水层在不同含水情况下的回波中心频率进行定量性的分析研究。

因此，本文依托广西六宜高速公路进行了大量的现场实测，对呈裂隙块状结构且完整程度为破碎的灰岩在不同含水率情况下的线测、点测图像定性特征，以及回波中心频率的定量特征进行研究。

地质雷达是用高频无线电波来确定围岩内部地质分布规律的一种地球物理方法，通过识别反射波的旅行时间、波相和频谱来判断目标体。其工作原理如图 1所示。

图 1 地质雷达探测原理 Fig. 1 Detection principle of GPR

图选项

在雷达探测中，反射波的波相与振幅用反射系数R来表示：

点击浏览公式

围岩的相对介电常数与多种因素有关，其中含水率是一个重要因素。研究表明，相对介电常数是含水率的递增函数，同时，围岩破碎程度越高、组成成分越复杂，相对介电常数也会增大^[9]。

理论而言，围岩越破碎、组成成分越复杂、含水率越高，则反射系数就越大，因而反射越强烈。然而，根据介电常数的定义^[10]可知，虽然随着水溶液量的增多，在电磁场的作用下，水分子更容易发生极化，使介电常数升高，但同时也意味着极化后的电场强度下降得更快，这直接导致回波的能量降低。

因此，通过理论分析可以看出，反射的强烈程度并非随着含水率的增大而无限增大，而是在含水率增大到一定程度后，将再次变弱。

雷达获取的反射信号R(t)来自于不同的反射路径，R(t)是雷达子波与围岩介质的反射系数、介质损耗和折射系数等所形成的褶积，R(t)如式(2)所示：

点击浏览公式

由于褶积效应，各不同分量电磁子波会以不同的相速度传播，因而雷达接收到的信号是具有不同频率、不同相位差的信号叠加，这导致接收到的信号频率产生变化。采用宽频带记录的雷达将记录下处于频带范围内的反射信号。

围岩介质的电导率是含水率的递增函数，电导率的增大直接导致电场损耗增大，而电场损耗又是子波频率的递增函数。因此，随着含水率增大，高频电磁子波更易被吸收而出现反射波的优势频率降低^[11]。

广西六宜高速公路是该省高速公路网规划四纵六横三支线的重要组成部分。 根据勘查资料，高速公路沿线岩溶发育，隧道岩性为灰岩，有众多裂隙、溶隙发育带，断层破碎带。隧址区内四季雨量丰富，丰富的地表水与发育的岩溶通道形成了天然的水动力场。在进行隧道施工掘进时，易遇到塌方、富水破碎带和岩溶等风险。因此，对其不良地质体进行超前预报识别是一项重要的内容。

利用美国GSSI公司生产的SIR-3000型地质雷达进行探测，采用连续线测与点测相结合的方式进行，天线中心频率100 MHz，时窗为600 ns，测点间距为20～50 cm，采样点数为1 024。测线与测点的布置如图 2所示。

图 2 测线及测点布置图 Fig. 2 Layout of measuring lines and measuring points

图选项

为尽量避免对雷达造成干扰，在探测前停止锚杆钻孔作业、焊接作业，同时将台车和施工机械等干扰源搬离掌子面。进行解译时，通过背景去除、滤波、反褶积等步骤，去除、压制干扰信号，提高信噪比。 每次实测时，记录好预报里程、掌子面围岩结构、完整性等信息，以备后期查阅。

3.1 围岩类别划分

为了统计围岩类别，每次进行实测时，即对围岩类别进行现场划分，划分时根据《工程岩体分级标准(GB50218—94)》中关于岩体完整程度的定性划分的规定，依据结构面发育程度、主要结构面类型与结合程度进行划分。从40座公路隧道筛选出的裂隙块状结构破碎灰岩的长度达到1 200 m。

为防止围岩爆破成堆后水分蒸发而导致含水率发生改变，保证及时测定围岩的含水率，在破碎围岩范围内采用超前钻探的方式获取岩芯，并将岩芯用塑料薄膜包封后，立即送往土工实验室，采用烘干法测定含水率，并取各钻孔平均含水率为最终值。

钻探时，为了保证能完整地获取破碎范围内的岩芯，轴线向钻进距离尽量拉长，采用8 m钻进距离，钻孔间距在竖向和水平向均为1 m，钻孔数量按照此间距而定。

筛选出裂隙块状结构破碎灰岩的实测数据，采用SIR-3000地质雷达自带的RADAN后处理软件和MATLAB分析软件，进行后处理分析。

通过背景去除、滤波等前期处理，RADAN后处理软件能清晰地将原始数据以linescan(线测)、wiggle(剖面)、linescan+wiggle(线测加剖面)、O-scope(点测)这四种模式显示。在读取单道数据时，该软件能根据光标在回波波形曲线上的人为移动而显示该点所对应的频率(不一定是中心频率)，但是对于回波中心频率(回波波形曲线上振幅最大值点所对应的频率值)的量值，则不能自动显示出来，需要人工识别读取，因而容易由于人工操作误差而引起读取误差。

SIR型号地质雷达采集到的数据是以.dzt为扩展名的数据文件，dzt文件的前面是文件头，每个dzt文件中至少有一个文件头，主要存放用于记录雷达数据的采集参数及测量信息，文件头后面为实测的记录数据，按通道排列，简单描述如下。

File header：文件头；

Scan 1 Data：通道1的扫描数据；

Scan 2 Data：通道2的扫描数据；

Scan 3 Data：通道3的扫描数据；

...

Scan n Data：通道n的扫描数据；

n的大小由扫描率和扫描时间决定。

与RADAN软件相比，MATLAB软件具有强大的语言汇编功能，能根据用户的需要自行输入指令而获得所需的信息，因而非常方便实用。在读取单道数据时，只需输入数据接口读取指令，便可读取雷达原始文件并获得所需信息。

由以上分析可知，RADAN软件非常适合对线测和点测图像特征进行描述，但在回波中心频率值的读取方面则不如MATLAB准确，故用其分析雷达线测与点测图像特征，部分处理参数如表 1所示，其余均按软件自动默认值处理。

利用MATLAB软件，首先调用uigetfile函数，获取用户GUI界面，然后选择需要的数据文件即可。采用逐道读取数据Tracedata的方法分别处理各道数据，分析单道数据的回波中心频率，其读取单道数据如图 3所示，指令如下：

for k=1：traces

if k==n % n是目标数据道

Tracedata=fread (fid,samples,‘integer*2’);

end;

end。

图 3 MATLAB读取单道数据示意图 Fig. 3 Schematic diagram of reading single channel data by MATLAB

图选项

筛选出的裂隙块状结构破碎灰岩的实测数据文件多达600多个，每一个数据文件的数据道数均不一样，取决于扫描率与扫描时间的乘积。每一个数据道数就可以得到一个回波中心频率，将全部数据道数的回波中心频率读取后，再与所对应的围岩含水率进行对比，得出不同含水率情况下的回波中心频率的特征。

进行统计、归类分析后发现，当含水率分别小于26%、介于26%~42%和大于42%时，线测、点测图像和回波中心频率的定量特征均有较大变化。

总体而言，线测和点测图像的特征是强发射，而且在强反射位置上具有一致性，反射随着含水率的递增而增强，在含水率介于26%~42%时明显比含水率低于26%时更加强烈。但是，当含水率大于42%时，线测和点测图像均出现弱反射特征，甚至在点测图上的局部位置趋于无反射特征，其典型特征如图 4~图 6所示。

图 4 含水率低于26%时的强反射 Fig. 4 Strong reflection when water content is below 26%

图选项

图 5 含水率介于26%~42%时的强反射 Fig. 5 Strong reflection when water content is 26%-42%

图选项

图 6 含水率大于42%时的弱反射 Fig. 6 Weak reflection when water content is greater than 42%

图选项

显然，含水率为42%是线测与点测图像反射强弱的转折点，且这种转折变化在线测和点测图像上具有同步一致性。

总体以低频为主，随着含水率的增大，则逐渐减小，当含水率分别小于26%、介于26%~42%和大于42%时，中心频率分别在85,80 MHz和53 MHz附近小幅波动。同时，回波中心频率的分布范围也依次减小，分别为21~105 MHz，12.5~102 MHz和11~77 MHz，如表 2所示。

通过表 2还可以看出，当含水率大于42%时，回波的中心频率和频率分布范围上限的下降幅度均变得更大。

上述线测与点测图像随着含水率的增大而出现反射强弱转折的特征，一方面是由于水导致介电常数增大，但另一方面，则是由于当水累积到一定程度时导致电磁波能量的迅速衰减。回波中心频率随着含水率逐渐降低的特征，正是由水对高频子波优先吸收而导致的。

隧道施工期超前地质预报工作在保证施工安全、降低施工风险方面起着重要的作用，进一步掌握特定工程地质条件下围岩的地质雷达波形特征有助于提高预报准确度，今后应该加强对该方面的研究与总结。