地质雷达在高速公路岩溶路基探测中的应用

李祖能，毛承英

0 引言

在溶岩地区修筑公路常常碰到岩溶地质问题，岩溶地基对公路的稳定性造成不同程度的影响，其危害包括：[1](1)路基遭受岩溶水作用破坏，致使路基掏空产生塌陷或整体失稳；(2)在自重、荷载、荷载振动或地震作用下，岩溶顶板坍塌，使路基产生不均匀沉降、坍塌破坏。尤其是在岩溶强烈发育地区，岩溶对公路建设及运营安全造成极大威胁，岩溶地质及其勘探技术研究日渐受各参建单位的重视。因此在岩溶发育区域修筑公路，必须先探明地下岩溶发育的情况。

工程物探是对高速公路隐伏岩溶探测的重要手段。高密度电法、浅层地震法及地质雷达法是常用的岩溶探测地面物探方法。这些方法的探测深度、精度均有差别，应用条件也不尽相同。相对而言，对于裸露灰岩区或覆盖层厚度小、地下水位低、探测深度小的情况下，地质雷达法具有其他方法无法比拟的优势：该技术施工便捷、探测精度高，可以高效准确地查明浅埋岩溶洞、溶隙、溶沟、溶槽等不良地质体的分布范围、形态及发育情况，查明岩溶塌陷的分布规律与塌陷的诱发因素，对岩溶路基的稳定性做出科学的评价，为岩溶路基的加固处理提供科学的设计依据。

1 地质雷达探测基本原理[2]

地质雷达法是利用雷达天线发射高频电磁脉冲来进行地球物理探测的一种方法，其具有高分辨率、高效率、无损探测、结果直观等优势。如图1所示，由发射天线T向地下发送脉冲形式的宽带电磁波，电磁波在地下介质中传播，被各种界面反射回地面，由接收天线R所接收。反射界面可能是土层、地下水面、岩土界面、人造物体或其他具有电性差异的地质体。当天线(或天线对)沿着地面移动时，接收天线R接收的信号经过处理并以图形的形式在探测仪器上显示为二维记录剖面或雷达图像(如图1b)。

(a)地质雷达共偏移距剖面测量示意图

(b)地质雷达反射剖面图

地质雷达并不直接测量地下目标体的电性参数，而是根据地层或目标体反射回来的电磁波在振幅、频率、双程时间等存在的差异来推断地下目标体的空间位置、结构、电性及几何形态，从而达到对地下隐蔽目标物的探测。该方法最适用于探测地下界面的几何变化情况。

介质电导率是影响电磁波穿透深度的重要因素，穿透深度随介质电导率的增加而减小，电磁波的穿透深度与电导率的关系见图2。

图2 电磁波的穿透深度与电导率的关系图

2 岩溶地质雷达波反射特征[3]

岩溶地区主要分布有第四系地层和可溶岩(灰岩)基岩层，地表常有岩溶漏斗、落水洞、溶洞等地质现象发生，地下灰岩中也常发育有隐伏的溶蚀裂隙(缝)、溶沟、溶洞等相伴发育的岩溶形态。溶洞又有充填和无充填之分，这些地质体在雷达剖面上有各自的反射特征。

(1)第四系地层反射特征：主要为填土、黏性土或碎石土等，这些地层的雷达反射多表现为连续而平行的近水平条带状，振幅强，频率低，当遇到不均匀体时，反射波中断或交错，其还受地表波影响。

(2)灰岩面及灰岩岩体内部反射特征：灰岩面位于土石分界面位置，上下地层的电性差异较大，如覆盖层为均匀的黏土层且地表平缓、岩面起伏不大，则界面反射表现为清晰的连续强反射，其形态与基岩起伏变化一致；如覆盖层均匀性差且地表和岩界面起伏剧烈，则界面反射连续性差，强度不均匀。完整均匀灰岩岩体内表现为无反射或弱反射，且波形、振幅均匀、频率高，同相轴连续；不完整灰岩岩体反射能量、振幅、同相轴等均发生明显变化，频率相对低，反射信号同相轴连续性差。

(3)岩溶地质体的反射特征：总体表现为强反射、频率低、同相轴发生变化。规则溶洞会呈现典型的双曲线特征，溶洞顶对应双曲线顶点位置，空溶洞在溶洞底有强反射，充填溶洞因电磁波能量衰减溶洞底反射不明显。不规则溶洞反射较为杂乱。溶沟溶槽表现为竖向或斜向低频强反射异常，倾斜溶沟底部对应同相轴拐点位置。溶蚀裂隙密集发育区雷达反射表现为低频强强波幅，反射波延深范围一般比实际赋存深度范围大。对于各种岩溶形态相伴发育的区域，雷达反射变得更为复杂。

(4)结构面反射特征：岩性分界面、裂隙面(带)、夹层面等往往表现为连续线状强反射或交叉强反射特征，断层破碎带发射较为杂乱。

对于地质条件和岩溶发育复杂的情况，雷达剖面往往为上述各种地质体反射信号相互干涉的综合反映。

3 地质雷达在高速公路岩溶路基探测中的应用

3.1 勘察场地概况

拟建广西某高速公路K110+500～K111+100路基地段为构造-溶蚀峰丛谷地地貌，地表多覆盖第四系黏土层，下伏基岩为石炭系中统(C2)白云质灰岩，路基范围属岩溶区，地表发育多处岩溶漏斗。根据前期勘察资料反映的岩溶发育情况，拟将YK110+676～YK110+728段、ZK110+687～ZK110+742段、YK111+000～YK111+053段及ZK110+979～ZK111+030段采用桥梁方案跨越。地质雷达探测任务是详细查明测区隐伏岩溶分布位置、溶洞走向及大小规模，为路基、桥梁设计和施工提供可靠的地质依据。

3.2 岩溶发育特征及地球物理探测条件

测区可溶岩为白云质灰岩，根据区域地质资料，经地质调查，勘察区西南侧距离约1 000 m处有一条区域逆断层通过，断层大致呈东-西走向，倾向北侧，岩溶形态多受岩层和构造控制，多为构造裂隙型岩溶和管道型岩溶。地表多见密集的岩溶洼地、漏斗、落水洞等多种岩溶形态，石芽、溶沟强烈发育，基岩面起伏较大，局部地下岩溶形态规模较大。前期钻探资料揭示测区溶洞为可塑黏性土充填或无充填。

由第四系黏土层、白云质灰岩、岩溶(充填和无充填)组成的岩土体在密度、电性参数(如介电常数，电导率等)等存在明显的差异，可形成明显的电性界面。常见岩土介质物性参数见表1。

表1 岩溶场地几种常见物质的电性参数表

测区无高压线、无大范围金属构件等电磁干扰源。

上述条件为该区开展地质雷达探测提供了良好的地球物理条件。

3.3 地质雷达探测及效果分析

本次地质雷达探测沿拟建高速公路左幅、右幅路基各布置2条纵测线，垂直路基布置横测线19条。仪器采用加拿大生产的pulse EKKO-PRO型雷达仪探测。

3.3.1 野外数据采集

本次工作采用剖面测量法，即发射天线(T)和接收天线(R)紧贴地面沿着测线方向等间距地向前移动测量。为兼顾探测深度与分辨率，选择中心频率为50 MHz的低频天线，天线长2.0 m，空间分辨率≤0.5 m。结合场地植被发育、局部地形起伏较大的特点，采用步长模式采集。

为获得最佳工作参数以突出探测效果和提高工作效率，本次工作在前期钻孔揭露的溶洞上做试验，该溶洞顶板埋深2.6 m，溶洞高4.0 m，充填黏土。通过调整雷达工作参数使已知溶洞对应的异常得到最佳呈现(见下页图3)，此时的参数被认定为最佳并将其用于未知岩溶发育区域的探测中。本次工作实际采用的参数为：收发天线距为2.00 m，探测点距为0.50 m，时间窗口800 ns，采样点数为1 024个/扫描线，叠加次数为256，采用自动增益。工作中启用位置标记功能。

3.3.2 数据处理

本次工作采用Reflexw专业软件进行数据处理，主要步骤和内容为：一维滤波/去直流漂移，静校正/移动初至时间，增益/能量衰减，二维滤波/提取平均道，一维滤波/巴特沃斯带通滤波，二维滤波/滑动平均，偏移等。

通过时深变换公式：H=VT/2计算地层界线深度。H为深度，T为反射时间，V电磁波传播平均速度。利用ReflexW软件velocity adaptation功能，通过由定义速度和宽度计算的双曲线来交互式调整以适应实测反射双曲线，获得平均波速为0.085 m/ns。

图3 雷达观测参数试验及Velocity Adaptation法定电磁波传播速度示意图

3.3.3 资料解释

结合已知地质、钻探等资料，根据雷达时间剖面反射波组波形频率、幅值的变化和同相轴的连续性等综合分析表明：覆盖层反射波组频率较低，同相轴较连续，夹泥裂隙多见短轴、杂乱强反射，其幅值随埋深变深而明显减小；溶洞顶部形成明显的反射波面，表现为强振幅、低频率，与围岩电磁波组相比明显异常；对于充填型溶洞，充填物对电磁波吸收严重，充填部分频率低，而底部难以接收反射波组；完整基岩反射同相轴连续、清晰明显，幅值随埋深变化逐渐减少。通过分析、计算划分上伏覆盖层及下伏灰岩的地质界线，圈定岩溶发育位置、形态、规模，绘制推断地质断面图。见图4。

Line9线130～140段存在明显低频强反射异常，无典型溶洞双曲线特征，推断为溶蚀裂隙发育破碎引起；147～153、157～164段存在竖向条带状强反射特征，局部出现溶洞双曲线特征，推断为溶蚀裂隙、溶洞相伴发育区；204～208段浅部存在斜向现状强反射异常特征，推断为倾斜溶沟、溶缝发育引起；219～224段为强反射弧异常特征，具有溶洞双曲线特征，推断为溶洞发育引起。Line13线196～203段存在低频反射异常，无溶洞双曲线特征，推断为溶蚀裂隙发育破碎引起；217～222段自岩面附近出现强反射异常特征，具有典型溶洞双曲线特征，且有多次反射波，推断为无充填溶洞引起。Line21线132～140存在明显低频强反射异常，无典型溶洞双曲线特征，推断为溶蚀裂隙发育破碎引起；152～160、170～177存在明显低频强反射异常，局部出现溶洞双曲线特征，推断为溶蚀裂隙、溶洞相伴发育引起。

(a)Line9(100-230段)二维雷达剖面

(b)Line13(146-230段)二维雷达剖面

(c)LINE21(100-235段)二维雷达剖面

通过对测区所有测线雷达探测效果分析认为，测区具有地质雷达探测良好条件，探测效果良好，有效地划分了场地岩溶发育分布情况，探测成果与前期高密度电法、钻探资料相吻合，并探测出其他方法未能发现的溶洞等。

4 结语

地质雷达应用中，场地地球物理条件满足要求、合理的采集方式和采集参数是获得高质量数据的保证。对于地质条件简单的场地条件无需做过多数据处理；而对于复杂场地，拥有丰富的经验和采取合理有效的数据处理技巧方能最大限度地突出有效异常，

压制干扰信号。本文将地质雷达应用于广西某高速公路岩溶路基探测中，探测成果丰富，隐伏溶洞、溶蚀裂隙、溶沟缝等常见岩溶形态异常特征明显，有效划分了路基范围内岩溶发育分布情况，为设计和施工提供了可靠的地质依据。探测结果与前期高密度电法及钻探结果相吻合，且探测出一些之前未发现的岩溶发育现象，既得到了验证又突出了其优势。

地质勘察中地质雷达探测深度小是其缺点之一，本文实例最大探测深度约20 m。另外，地形起伏、表层存在不均匀体，岩面起伏剧烈等因素均会形成雷达波散射和绕射现象，会对浅部岩溶异常造成“干涉”，降低信噪比。采用合理的滤波和偏移处理等处理技巧尤为重要，还需对测区的地形、地质以及岩溶发育规律等情况有详细的了解，才会对地质雷达图象达成合理认识。

[1]刘 品.岩溶地质对公路建设的影响及治理措施[J].交通科技，2013(256)：106-108.

[2]曾昭发，刘四新，冯 晅.探地雷达原理与应用[M].北京：电子工业出版社，2010.

[3]葛双成，邵长云.岩溶勘察中的探地雷达技术及应用[J].地球物理学进展，2005，20(2)：476-481.

[4]李大心.探地雷达方法应用[M].北京：地质出版社，1994.

[5]孙洪星.有耗介质高频脉冲电磁波传播衰减理论与应用的实践研究[J].煤炭学报，2001，26(6)：567.

[6]李才明，王良书，徐鸣洁，等.基于小波能谱分析的岩溶区探地雷达目标识别[J].地球物理学报，2006，49(5)：1499-1504.

[7]赵远由，林贵生.探地雷达在隐伏岩溶勘察中的应用[J].矿产与地质，2006(4)：279-282.

[8]杜彦军，苗庆库，刘黎东，等.采用综合物探技术探测路基下洞穴[J].岩土工程界，2006(4)：66-68.