地质雷达工程应用综述★

于 雷

(天津水运工程勘察设计院，天津 300456)

·岩土工程·地基基础·

地质雷达工程应用综述★

于 雷

(天津水运工程勘察设计院，天津 300456)

首先对地质雷达工作原理进行了介绍，然后主要综述地质雷达在地下管线探测、基坑工程、地基处理、水文水利工程及围堤工程等方面的应用，并指出在相应领域应用的优点与缺点,最后给出了地质雷达应用的相关结论及其存在的不足。

地质雷达，工作原理，工程检测，工程勘察

地质雷达是工程技术人员探测地下目标的一种常用手段，其具有形象直观、图像实时显示、经济快速、准确定位、便于携带等优点。地质雷达技术的发展较为短暂，20世纪50年代～60年代，科研人员将其用于北极和南极的冰层、冰川厚度等方面的探测，70年代，该技术在采矿及地质调查方面的应用才逐渐普及。近几十年来，地质雷达探测在探测原理、设备制造、数据处理及工程解释等方面都取得了重大突破，并在工程验收无损检测、岩土工程勘察、水文地质勘探、市政管网探测、考古调查等领域得到了广泛应用，取得了不错的技术效果和明显的社会经济效益。

地质雷达的应用越来越广泛，而以往的文献仅对其在某个工程实例或者某一类工程中的应用做介绍，对其在整个工程领域的应用介绍极其少见，这对初次接触地质雷达设备的个人或单位缺少整体性认识。因而，本文将在总结前人的基础上，对地质雷达在工程领域的应用进行系统性综述。

1 工作原理

地质雷达一般由三部分组成，即主机、天线和相应的配套软件。根据电磁波在有耗介质中的传播特性，高频电磁波(1 MHz～2 500 MHz)以宽频带短脉冲形式进入土体等介质内传播，当遇到电性(通常指介电常数)差异明显的异常体时，电磁波便反射回地面，被接收天线接收。在对接收天线收到的信号波进行分析处理后，由信号波形、强度、时间等参数便可初步判断异常体的位置、电性及几何形态，进而达到对地下异常物体的探测[1](见图1)。

图1中T为发射天线，R为接收天线，电磁波在介质传播过程中遇到异常体时反射回地面被接收天线接收，经过主机的数据处理后，就可以得到雷达记录的反射波曲线(如图2所示)。

实际工程应用中，将地质雷达沿事先设定的测线匀速移动，而其发射、接收天线的距离是固定的，此时所有单道反射信息便构成了雷达图像剖面。以图2为例，横坐标表示天线沿测线方向的水平位置，纵坐标表示信号波的双程旅行时间。波形的正负波峰波谷分别以黑、白表示，或者以灰色或彩色表示，这样，同相轴或等色线便能形象地表征出地下目的体[2]。

目的体在介质中的埋藏深度为H：

其中，t为信号波的双程反射时间；c为信号波在真空中的传播速度；εr为目的体以上介质相对介电常数均值。

雷达探测资料解释由两部分组成：数据处理和图象解释。复杂的地下介质实际相当于一个滤波器，由于信号波在介质中的吸收损耗程度不同，于是最后被接收天线接收的脉冲强度相应不同，主机上处理后的波形便与初始波形有较大的差别。另外，环境中客观存在的各种随机信号噪声和干扰波也会对接收信号图像造成干扰。因此，接收到的信号必须经过适当的处理后，才能得到正确的信号波形，以便准确描绘地下介质的存在情况。

2 工程应用

随着计算机技术的突破性发展，地质雷达性能越来越强大，其天线从低频到高频的覆盖范围越来越广，探测深度和精度得到了极大拓展。因此，地质雷达在各领域的应用越来越广泛。本文将从地质雷达在地下管线探测应用、基坑工程应用、地基处理应用、水文水利工程应用及围堤工程应用等方面，将前人对地质雷达的应用心得做综述性介绍。

2.1 地下管线探测应用

地下管线是一个城市重要的基础设施，也是城市赖以生存和发展的物质基础，担负着信息传输、能源输送等工作。目前，对管线资料信息的掌握主要通过工程设计和竣工资料、直接现场开挖验槽和地质雷达探测等。很多管线由于施工时间久远造成资料缺失或错误，而现场开挖验槽成本太高，且影响市民的正常生活，因此依靠地质雷达的探测方法就显得极有必要。

陈军[2]简要介绍了金属管道和非金属管道的雷达反射波场特征的异同，同时结合江苏丹阳某工地超深天然气管道的情况，提出雷达图像解释需要遵从由已知区域向未知区域解释的原则进行，图像识别时既要考虑探测目标本身可能产生的异常波形，也要对目标体所处的地质环境进行影响分析。

2.2 基坑工程应用

基坑工程建设中，由于土体开挖引起的土应力变化、水位变化等，致使土体产生变形，严重时会影响周围建筑的安全使用。同时，基坑自身围护的质量影响工程的顺利进行和施工人员的人身安全。地质雷达作为一种无损检测方法，在检测基坑围护质量和周围环境的安全方面有着巨大优势，近年来已经逐渐开始使用。

何亮[3]结合工程实例，开展了地质雷达检测基坑开挖引起的地基病害的应用研究。根据现场检测得到的试验数据，对地基病害(如基坑开挖引起的土体疏松和脱空等)进行了图像解释，并通过现场静力触探试验进行了对比验证。

成词峰[4]利用地质雷达对武汉地铁二号线一期工程洪山广场车站进行了无损检测，通过对基坑底部隐伏岩溶的地质进行探测，并采用地质钻探进行验证，成功地将地质雷达技术应用于地铁车站深基坑底部岩溶探测的领域，节省了时间和金钱。

陈军[5]应用地质雷达对基坑围护工程中的注浆效果进行了检测。在对具体检测场所的物性条件进行详细分析的基础上，通过对比注浆前后的地质雷达图像，基本探测出注浆的工程效果。

赵强[6]以某轻轨车站深基坑围护工程为例，应用地质雷达探明了基坑的围护情况，针对该基坑围护质量的评价标准，结合以往工程经验，提出了相应的处理措施，极大地保障了基坑的安全开挖。

2.3 地基处理工程应用

地基处理工程的质量检测方法众多，根据不同的检测目的，检测方法包括十字板试验、静载试验、动力触探检测等等。对于某些硬质地基处理，如抛石堆填等，传统的检测方法效率低、费用高。最近，工程人员开始尝试采用地质雷达的检测方法，取得了不错的效果。

葛双成[7]应用地质雷达对某围堤深厚软弱地基处理的爆破挤淤效果进行检测，通过低频天线取得了抛石层落底深度和宽度，以及腰部宽度等堤身参数。通过与钻探结果对比，验证了雷达探测抛石层厚度的工程可行性。

詹金林[8]在某抛石填海造陆工程异型锤高能级强夯置换进行地基处理后，通过地质雷达对置换墩的直径和长度进行检测，通过与钻探及开挖结果进行对比验证，表明地质雷达检测结果准确可靠。

2.4 水文水利工程应用

水利工程投资巨大，其工程质量关系着下游人民的生命安全，提高工程的安全质量检测具有重大意义；水文调查中，查明包气带含水量的分布情况对水文循环和污染防治具有重要意义。地质雷达在水文水利工程中的应用主要体现在地下包气带含水量的调查，水坝渗漏和混凝土质量的检测等方面。

闫永帅[9]总结了3种常用的地质雷达测量包气带含水量的方法，即固定距离法、多偏移距反射法、钻孔雷达法，通过对地质雷达测量包气带含水量原理的分析，指出了这3种检测方法的优缺点及适用性，最后得出固定距离法与多偏移距反射法相结合可解决地质雷达测量包气带含水量的问题的结论。

薛建[10]介绍了水坝渗漏的原因和渗漏时的地质雷达图像特征，即渗漏部位因介质含水量的变化产生电性异常，通过雷达波幅频特性发生的变化，对雷达图像的分析可以确定渗漏的部位和埋深。结合两个工程实例，证明了地质雷达方法在水坝渗漏检测中有较好的应用效果。

刘涛[11]利用地质雷达对橡胶坝混凝土内部缺陷进行了定性和定量检测，同时给出了地质雷达在水利工程质量检测中应注意的问题，包括不同位置、不同混凝土配比的波速标定等问题。

2.5 围堤工程应用

围堤工程因其作业环境特殊，常规的勘察、检测手段较难实施，且成本巨大。地质雷达因其经济、快速和高效等优点，工程人员开始尝试将其应用于围堤工程的勘察检测等领域。

张欣海[12]以深港西部通道一线口岸区工程勘察为例，通过地质雷达对围堤的断面特征以及首底情况的探测，成功地将地质雷达运用于海上围堤勘察。最后，文章总结了地质雷达在勘察应用中的优缺点：对类似大块石、碎石地层的勘察相比钻探具有施工简单、快速、经济等优点，但在海上围堤勘探中由于海水介质对电磁波的高吸收性，不能有效反映海水的深度等缺点。

3 结语

地质雷达凭借其经济、高效、快速和无损等优势，逐渐在各个工程领域得到了广泛应用。除了上文提及的工程领域外，地质雷达还在隧道工程质量检测、矿井探测及考古探察等方面发挥重要作用。本文在介绍了地质雷达工作原理的基础上，综述了近些年其在工程领域的常见应用。另外，应当指出的是，地质雷达在实际应用时，还存在介质波速较难确定，雷达图像难以判断解析，使用经验依赖性等问题，这些方面还需要更好的加以总结才能拓展其在更大范围的应用。

[1] 常 铮.地质雷达的工作原理及应用[J].山西建筑,2007,33(21):126-127.

[2] 陈 军,赵永辉,万明浩.地质雷达在地下管线探测中的应用[J].工程地球物理学报,2006,2(4):260-263.

[3] 何 亮,杨 放,王旭东,等.地质雷达检测基坑开挖引起的地基病害[J].南京工业大学学报(自然科学版),2007(5):7.

[4] 成词峰,李鹏飞.地质雷达在地铁基坑底隐伏岩溶探测中的应用[J].岩土工程技术,2012,26(6):321-323.

[5] 陈 军,赵永辉,王永强,等.基坑围护工程注浆效果的雷达检测[J].上海地质,2007(1):75-78.

[6] 赵 强,孙 鹏,杨学嘉,等.基于地质雷达检测的深基坑隐患风险评价[J].铁道建筑,2011(6):117-120.

[7] 葛双成,张孚专,孙伯永,等.洞头县杨文围涂东围堤抛石层雷达检测与分析[J].浙江水利科技,2006(3):35-36.

[8] 詹金林,水伟厚.某抛石填海造陆工程异型锤高能级强夯置换试验研究[A].工程排水与加固技术理论与实践——第七届全国工程排水与加固技术研讨会论文集[C].2008.

[9] 闫永帅,赵贵章,潘纪顺,等.地质雷达测量包气带含水量的方法综述[J].华北水利水电大学学报(自然科学版),2014,35(6):25-28.

[10] 薛 建,董彦明.地质雷达方法在水坝渗漏检测中的应用[J].长春科技大学学报,2001,31(1):89-91.

[11] 刘 涛.地质雷达在水利工程质量检测中的应用[J].大科技,2014(3):180-181.

[12] 张欣海,赵竹占.海上围堤的地质雷达勘探[J].勘察科学技术,1999(2):58-60.

Asurveyontheapplicationofgroundpenetratingradar★

YuLei

(TianjinSurveyandDesignInstituteforWaterTransportEngineering,Tianjin300456,China)

The working principle of ground penetrating radar is introduced, then its applications in prospecting underground pipeline, building excavation, groud treatment, hydrogeology and hydraulic engineering, reclamation engineering are surveyed, finally, the relevant conclusios of the application of ground penetrating radar and its weakness are pointed.

ground penetrating radar, working principle, project exploiting, engineering investigation

1009-6825(2017)23-0053-03

2017-06-06★:交通运输部天津水运工程科学研究所基金项目(TKS170214)

于 雷(1988- )，男，硕士，助理工程师

TU435

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