SIR-20多通道透视雷达在桩基岩溶探测上的应用

董戈 罗技明 刘明

(四川省川煤矿山勘测设计有限责任公司，四川成都 610091)

1 概述

地球物理勘探特指在采场中进行的以物性差异为基础，通过观测地下地球物理分布变化规律来解决地质问题的一类勘查技术。从20世纪50年代苏联将直流电法应用于煤矿井下到70年代末期德国、英国等提取并利用槽波的埃里震相探测工作面内的地质构造，经过多年发展，矿井地球物理勘探现在已逐步发展成为涵盖了矿井地震勘探、磁法勘探、直流电法勘探、微重力测量、探地雷达法、无线电波透视法、红外测温法和放射性测量等多种方法交织的学科体系。

岩溶地区，人工挖孔嵌岩灌注桩的持力层一般选择中风化灰岩，当桩端以下3倍桩径或5 m深度范围内发育一定规模的溶洞等不良地质现象时，会影响桩的承载力，并对建筑物安全造成威胁。所以混凝土灌注前，就要求查明桩孔一定范围内溶洞、溶蚀区、节理裂隙、破碎等不良地质现象的分布位置、深度、规模及填充情况。

对上述问题传统的方法是使用钻孔取芯法，此方法不仅效率低、耗时久、费用高，而且钻孔只能进行点探测。而实际情况往往是岩溶地区的地层岩形、裂隙发育极其复杂，横向、纵向变化不一，单一钻孔很难反映整个桩基底部的地质情况。特别是桩孔挖好后在孔口布设钻机，因钻孔上部悬空，钻进过程中钻杆摇摆，施工难度加大，钻进中注水还会造成孔底积水甚至周围土体塌陷等不良影响。

当前较为简便的方法是采用地质雷达电磁波剖面法对桩底进行探测，并对探测资料进行解疑，探明桩底以下3倍桩径或5 m深度内岩溶发育情况。

2 探测区地球物理特征

探测区主要地层为第四系堆积层(Q4)、二叠系茅口组(P1m)，并且探测区内有常年性河流流过。河面约宽20 m，枯水期平均水深为0.4 m，流速为 0.3 m/s;洪水期平均水深为 1.9 m，流速为1.5 m/s。多年平均流量10.8 m3/s，在完整岩层中，电磁波在灰岩中的波速为0.12 m/ns，中风化灰岩电磁波波速一般为0.1 m/ns～0.11 m/ns。

3 探测仪器及方法

3.1 探测仪器

探测仪器选用的是美国劳雷公司(GSSI)生产的一种高效浅层地球物理探测仪器——SIR-20多通道透视雷达。其主机800线/s的扫描速度是目前世界上扫描速度最快的雷达，支持用户的快速检测，测量速度可达80 km/h，雷达主机为多通道雷达，具有2个硬通道，4个软通道，可同时接多根天线进行测量，提高了使用者的工作效率，同时主机中配备的全金属外壳加固型笔记本计算机作为数据采集系统，在防尘、防潮、防震设计上远远优于其他同类仪器，大大提高了野外的实用性和稳定性。因其频带宽，可适配厂家的16 MHz～2 600 MHz所有天线，功能扩展性强，数据采集实时显示、处理。本仪器主要应用于地质与水文地质探测，地下埋藏物确定，地下溶洞、坝体中空洞、裂隙调查，路基、隧道、桥梁无损检测等，应用领域广泛。

本次探测选取进行探测工作天线为100 MHz低频天线，探测深度12 m。

3.2 探测方法

探测区内开挖好的桩孔经三方人员初步验收后，将透视雷达的发射接收天线平行置于桩孔孔底，进行十字交叉探测，每个桩孔进行2次以上的重复采集，保证采集数据点位的正确性。

3.3 处理及分析

经过透视雷达软件处理，可得到横坐标为距离，纵坐标为时间(深度)的桩底电磁波剖面，在数据处理过程中有选择的进行滤波、振幅恢复、降噪、提高信噪比等常规手段对采集的数据进行处理，得到有效数据。

将处理后的数据进行对比，得出在不同介质中电磁波的波形特征:

1)完整岩层。

电磁波波形不会发生反射，波形比较均一，振幅、波长基本一致。

2)节理裂隙。

当节理裂隙近水平发育时，发射波同相轴一般连续，同完整岩层的区别在于振幅和波长;当节理纵向或不定向发育时，发射波能量发生变化，连续性较差。

3)溶洞。

电磁波在溶洞周边边界发生反射，往往形成振幅较强的反射波;当溶洞填充碎石块时，波形表现为振幅增强、波形杂乱;当溶洞填充粘土时，表现为电磁波减弱或消失，因为粘土对电磁波有极强的吸收效果。

4 工程应用及结果对比

筠连川煤芙蓉水泥厂位于宜宾市筠连县，水泥厂工业广场建筑基础采用人工挖孔灌注桩(桩径1m～2m)，桩端持力层为中风化灰岩，地层为二叠系茅口组(P1m)。探测要求探明桩底以下5 m深度范围内是否存在溶洞、裂隙等不良地质现象。在探测过程中，发现底部存在溶洞等不良地质条件的桩孔，进行下挖处理，直到异常消失为止。

图1为筠连川煤芙蓉水泥厂窑尾4号桩桩底所测的透视雷达成果图，图像反映在深度2.5 m，9.3 m存在两处异常。在深度2.5 m处，反射波被吸收，能量变弱;在深度9.3 m处，波形杂乱，均为溶洞。

表1中有施工方为了验证探测成果而施工的钻孔柱状图，从实际钻探结果来看，在深度为2.5 m～3.7 m处有溶洞，由流塑状粘土和灰岩碎石填充;在深度为9.3 m～11.8 m处有溶洞，由流塑状粘土和灰岩碎石填充。钻探结果与透视雷达探测成果一致。

图1 窑尾4号桩基坑实际探测成果

表1 探溶工程勘察表

5 经济及效率对比

1)使用透视雷达探测单个桩基坑收费数百元，而使用工程钻探成本较高，约220元/m，窑尾4号桩基坑钻探深度25.2 m，费用约为5 324元，是采用地质雷达费用的数倍。

2)使用透视雷达进行探测，当天就可以将探测成果提供给施工方，方便施工方及时进行处理;进行钻探施工时，施工进度慢，窑尾4号桩钻探施工时间为4 d。同时，由于钻进过程中注水，造成溶洞填充物形成泥浆状填充，给二次施工下挖桩孔造成严重影响。

6 结语

SIR-20多通道透视雷达以其高效快速、高精度在护险工程探测中能够发挥重要作用，取得了良好的应用效果，且对浅层或超浅层的工程探测中有着十分广阔的应用前景。然而SIR-20多通道透视雷达的探测深度和精度与所采用的天线频率有很大关系，天线的频率越低探测深度越大，则精度越低;而天线的频率越高，探测深度越浅，则精度越高。

实践证明，在工程勘察方面，SIR-20多通道透视雷达对比钻探而言具有成本低、效率高、精确度准、速度快等特点。同时透视雷达的探测方式为剖面探测，相对于钻探的点探测来说探测成果要全面。

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