1、隧道施工超前地质预报地质雷达检测信号的HHT分析,汇报人：张 胜长沙理工大学2012年 8月 27日,当采用了现代探测手段与分析技术后，隧道施工中仍然存在这样或那样的地质灾害，人们应该想到些什么？,地下工程开挖前方地质预报技术犹如一盏明灯，为地下空间的开发和利用照亮了周围介质。虽然这盏灯还不像施工技术人员期望的那样明亮，但它毕竟为我们提供了大量的地质情况和丰富的介质物性信息，避免了许多重大灾害的发生。(王梦恕院士语),汇报内容：,超前地质预报研究现状 超前地质预报内容 超前地质预报工作方法 超前地质预报中的信号分析技术 结论,1、超前地质预报研究现状,上世纪50年代开始，国内外的研究者在不断地
2、改进探测技术和分析方法，试图提高预报的可靠性和精度，虽然取得了一些成功，但在预报准确性和可靠性方面还有待进一步提高。隧道超前预报有赖于预报者所具备的地质专业知识、掌握资料的多寡和积累经验的多少。但单靠预测者的头脑是不够的，还必须进行地质测绘、勘探、试验以及分析等工作，以便获得更多的地质信息，使预测建立在科学的基础上。,超前地质预报的概念通过掌子面的超前钻探、超前导坑或各种类型的地球物理探测等手段来查明隧道岩体的状态、特征以及可能发生地质灾害的不良地质体的位置、规模和性质，预测前方未施工段的地质情况的方法。英文表达：geological prediction参见：公路隧道施工技术规范(JTG F
3、60-2009),2、超前地质预报内容,超前地质预报的真实含义,隧道超前地质预报，应包含施工前静态的预报以及施工过程中掌子面前方实时的动态的地质预报。由于施工阶段的预报不但包括已存在的地质现象(静态的)，还包括了因开挖引起地质状况的演化(动态的)，因而更为复杂和困难。,2、超前地质预报内容,超前地质预报需解决的问题,断裂、溶洞、破碎带等不良地质体的性质、规模的判定；不良地质体的位置及产状的确定；岩体工程类别化的识别等内容。,2、超前地质预报内容,隧道超前地质预报工作是一项系统工程，内容包括：搜集隧道勘察报告，分析隧道地质条件，提出隧道主要地质问题和分布的地段范围，根据隧道地质预报的要求制定隧道
4、地质预报工作指导书(预报大纲)。根据预报任务的需要，分别采取短距离预报(6-10m)、中距离预报(6-30m)和长距离预报(30-200m)。,3、超前地质预报工作方法,地质雷达法是近年来应用于短距离超前地质预报较为普遍的一种物探手段。地质雷达法具有对隧道掌子面实施快速、连续扫描，结果显示直观的优点。地质雷达是利用超高频窄脉冲电磁波探测介质分布的一种地球物理勘探方法，其工作原理是发射天线向隧道掌子面前方发射电磁波信号(106109Hz)，在电磁波向掌子面前方传播的过程中，当遇到电性差异的目标体(如围岩分界面、空洞、断层、岩溶等)时，电磁波便发生反射，由接收天线接收反射波。,3、超前地质预报工作
5、方法,3、超前地质预报工作方法,地质雷达测试原理,图1 地质雷达测线布置及现场测试图,仪器参数的设置: 按照奈奎斯特采样定理，采样频率至少应为反射波最高频率的2倍，地质雷达在实际应用过程中，其采样频率应该是天线主频率的10倍左右。,测线布置: 采用一条横线的布线方式，其原则就是尽可能靠近掌子面轴心位置，使测线距离尽可能长，尽可能多地采集数据，以备后期数据的分析处理。,3、超前地质预报工作方法,图2 地质雷达探测剖面图及解释结果,处理步骤：DC Removal、Automatic gain control、Subtract Mean Trace、Band Pass、Running Average
6、等。,3、超前地质预报工作方法,4、超前地质预报中的信号分析技术,傅里叶变换短时傅里叶变换小波变换Wigner-Ville分布Hilbert-Huang变换,信号的分析技术,4、超前地质预报中的信号分析技术,HHT法是一种全新的分析技术，它由EMD (Empirical Mode Decomposition)方法和Hilbert变换两部分组成，其核心是EMD。它首先采用EMD法将信号分解为若干个IMF分量之和，然后对每个平稳的IMF分量进行Hilbert变换得到瞬时频率和瞬时幅值，从而得到信号的Hilbert谱，Hilbert谱表示了信号完整的时间-频率分布特性。HHT法与建立在先验性谐波基函
7、数上的傅里叶变换和建立在小波基函数上的小波变换不同，它依据数据本身的时间尺度特性来进行分解，是当前国际上公认的最新的时频局部化分析方法之一。,EMD方法的基本原理,求取原始信号的上、下包络线,画出上、下包络线的中间值,4、超前地质预报中的信号分析技术,图3 原始雷达图像的各阶IMF分量的瞬时幅值剖面图,图3(a)，(b)和(c)分别表示原始图像分解得到的前三阶IMF分量的瞬时幅值剖面图，从图3中可以看出地质雷达信号能量的瞬时变化情况，可以用来判断地质体有关岩性状况；,4、超前地质预报中的信号分析技术,图4 原始雷达图像的各阶IMF分量的瞬时相位剖面图,图4(a)，(b)和(c)分别表示原始图像
8、分解得到的前三阶IMF分量的瞬时相位剖面图。从图3，4可以看出，随着探测剖面上时间或探测深度的增加，地质雷达信号第一阶IMF分量剖面的衰减缓慢。,4、超前地质预报中的信号分析技术,图5 第30道信号的第一阶IMF分量的瞬时幅值，瞬时相位和瞬时频率图,在竖向采样点105158 ns内，反射界面明显，反射面瞬时幅值显著增强，能量衰减快； 第30，50道信号初至值分别位于竖向采样点105，84 ns(见图5(c)，6(c)，该值即为溶洞与隧道围岩的第一界面；,4、超前地质预报中的信号分析技术,图6 第50道信号的第一阶IMF分量的瞬时幅值，瞬时相位和瞬时频率图,溶洞中心对应的瞬时幅值最大，向两边的瞬
9、时幅值逐渐减小。以不同的比例显示，瞬时幅值剖面上显示出不同宽度(成像宽度)的溶洞，这也说明溶洞信号瞬时幅值成像宽度可以有效表征溶洞的真实宽度。,4、超前地质预报中的信号分析技术,4、超前地质预报中的信号分析技术,根据上面分析，初步判断溶洞所属道号的大致位置(信号第2070道)后，再从地质雷达信号第一阶IMF分量瞬时参数谱中拾取各道信号初至值、瞬时幅值成像宽度，如表1和图7所示。,图7 采样时间、道号和信号瞬时幅值的三维图及各道信号瞬时幅值成像宽度,随着地质雷达信号道号的增加，各道信号初至值离隧道掌子面的距离越近，即掌子面开挖越先暴露出溶洞；溶洞信号瞬时幅值成像宽度均值约52 ns，即溶洞瞬时幅
10、值成像宽度为2.5 m。,4、超前地质预报中的信号分析技术,(a) 溶洞 (b) 洞周发育的岩体,图8 洞内开挖暴露的溶洞及洞周发育的岩体,隧道开挖后，右线ZK2113+517519段出现溶洞，掌子面暴露后溶洞内充填物已坍塌(见图8(a)，溶洞周围岩体已发育(见图8(b)，可见，前面根据地质雷达图像所作的超前地质预报分析成果和揭露的情况较为一致。,4、超前地质预报中的信号分析技术,5、结论,利用HHT分析方法具有自适应时频分解的能力，将地质雷达信号各IMF分量中的瞬时幅值、瞬时相位等信息分离出来，得到多个相互独立的瞬时参数；根据各个瞬时参数所对应的特征点，能很好的定量识别不良地质体位置，特别是瞬时频率拾取溶洞第一界面以及瞬时幅值成像宽度表征溶洞真实宽度，从而提高了地质雷达信号解释的精度，达到了对地质雷达信号进行有效处理和解释的目的。,汇报完毕。 谢谢！,
