地质雷达在城市地下岩溶探测中的应用

王庆学

(中煤地质集团有限公司)

0 引言

随着城市建设的快速发展，在进行建设初期的基础工程勘察时，往往会遇到各种问题，比如在南方城市岩土工程勘察时，地下岩溶问题较为突出[1]。为了保证建筑物基础的承载力和稳定性，需采用地球物理勘探方法查明拟建区域内岩溶发育情况。在场地条件允许的前提下，高密度电法、地震反射法等都对岩溶有着较好的探测效果，但场地条件有限，无法布设工作排列时，选取灵活方便的地球物理勘探方法尤为重要[2-3]。

地质雷达具有分辨率高、定位准确、快速经济、灵活方便、剖面直观等优点，目前已在岩土工程勘察、工程质量检测、生态环境检测、文物考古等领域得到了广泛应用[4-8]。

本文以实际工程为例，分析了地质雷达在城市建设基础勘察工作中，对建设场地地下岩溶探测以及岩层稳定性评价的应用效果。

1 地质雷达基本原理

地质雷达探测属于反射波探测法，其基本原理与大家所熟悉的探空雷达相似，即向地下发射一定强度的高频电磁脉冲波，电磁波在地下传播的过程中遇到不同电性物质分界面时，就会产生反射波，地质雷达接收并记录这些反射信息[9]。

电磁波在特定介质中的传播速度是不变的，地质雷达记录上的地面反射波与地下反射波存在时间差ΔT，由于地质雷达探测的激发天线与接收天线距离很近，故为垂直入射和反射，所以可据下式算出该界面的埋藏深度H：

H=V·ΔT/2

(1)

对于岩溶探测而言，H即为目标体深度，式中V是电磁波在地下介质(面层)中的传播速度，相对于雷达所用的电磁波频率(50～500MHz)而言，假设覆盖层都是低损耗介质，其速度由下式表示：

(2)

式中C是电磁波在大气中的传播速度，约为3×108m/s；ε为面层的相对有效介电常数，它取决于构成目标体的所有物质的介电常数。

反射信号的振幅与反射系数成正比，在以位移电流为主的低损耗介质中，反射系数可表示为：

(3)

式中：ε1、ε2分别为上、下介质的相对介电常数。由式(3)可知，反射信号的强度主要取决于上、下介质的电性差，电性差越大，反射信号越强[10]。

2 应用实例

南方某市某小区，在进行建设场地基础勘察工作时，发现场地内岩溶较为发育。为查明场地内地下岩溶发育情况，并对场地内地下岩层的整体稳定性进行评价。根据场地条件限制和探测目的要求，本次工作采用地质雷达法进行探测工作。

本文以该小区规划楼栋中的21#楼探测工作为例，分析了地质雷达法对岩溶的探测效果。

2.1 场地地质特征

该场地地势略有起伏，地面标高26.45～31.51m，地面最大高差约5.06m，地貌单元属长江Ⅲ级阶地。根据勘探揭露，场区在勘察深度范围内覆盖层主要为人工填土及第四系黏性土层，基岩为三叠系下统大冶组灰岩。场地内部分区域岩溶较为发育，岩溶发育深度大多位于地下10m以浅，岩洞规模从0.7～2.1m不等，偶见双层溶洞发育，场地内溶洞多被泥、粘土充填。由于岩洞与灰岩存在一定的电性差异，特别是有空洞、空隙存在时，泥土、空气与围岩三者之间存在较大差异 ，其所对应的物性参数见表1。

表1 相关介质物性参数Table1 Related medium physical property parameters

在完整灰岩中，电磁波的传播表现为弱反射、弱衰减、反射同相轴一致性好的特征，其频谱特征呈现为振幅能量主要集中在一个频率上，且其值比较固定。但在岩溶区域，电磁波的传播在雷达剖面图像上，表现为强反射、强衰减、多次震荡、反射同相轴发生绕射、错断等复杂的图像特征，并且振幅能量集中在两个或多个频率上，同时由于岩溶性质的不同，其频率会发生变化。

对于地下异常体的解释，主要根据反射波波形、振幅大小及反射波同相轴连续性的好坏来进行判断。当地下岩层较为均一，不存在裂缝及空洞时，雷达图像上表现为反射波同相轴连续性较好。反之在雷达图像上会表现为反射能量强、同相轴连续性较差，甚至产生双曲线形态等异常现象。

2.2 野外工作

本次地质雷达数据采集采用主要采集参数如下：

记录长度，T=1 000ns；采样点数，N=1 024；点距，dx=0.3m；天线间距，L=3.0m；天线中心频率，f=40MHz/80MHz；发射率：12kHz；叠加次数，n=64次。

为了确定本次数据采集的主要参数，在line10线0～15.6m段分别采用40MHz天线和80MHz天线进行了数据采集对比试验。采集过程中其他参数不变，所获其剖面分别如图1、图2所示。

图1 试验1线剖面图(40Hz)Figure 1 Testing line No.1 section (40Hz)

图2 试验1线剖面图(80Hz)Figure 2 Testing line No.1 section (80Hz)

从剖面分析可以看出，两种天线系统在水泥地面段无明显干扰情况下，探测深度及精度基本一致。但80MHz天线的分辨率和抗干扰能力较40MHz天线强，而且80MHz天线的长度大致是40MHz天线长度的一半，受地面障碍物的影响较小，故最终施工的激发工作均采用80MHz天线施工。

本次勘探设计线距5m，点距选取0.3m，测线局部地段(工作区域东部)点距加密至0.1m。实际完成测线14条，合计测点2 763个。

2.3 资料处理与解释

野外采集的数据所记录的是包含大地和外界干扰影响的、且按某一记录格式存储的原始数据，而且与观测系统参数及地面起伏有关。为了获得最终的、可用于地质解释的、真实反映地层特性和特征的成果剖面，就必须进行降低干扰和观测系统参数影响等一系列的数字处理，具体方法如下。

①确定地面反射波信号位置，调整信号延时信息；

②信号增益，对电磁波因球面扩散和吸收衰减造成的电磁波能量给予一定程度的补偿；

③水平相关分析，消除雪花噪音干扰；

④背景去除，显示构造特征；

⑤一维频率滤波，依据有效波的频谱和干扰波的频谱分带特征，利用带通滤波器能很好地保留有效频带，有效剔除噪声干扰；

⑥二维滤波，大部分探地雷达天线都是非屏蔽的，因此，探地雷达在接收来自地下信号的同时也会接受到来自地面干扰物(如墙壁、汽车、电线杆、高压线等)的反射信号，这时采用二维滤波可以很好地消除来自地面干扰物的反射信号。

2.4 剖面异常解释及综合探测成果

2.4.1 典型的剖面异常解释

本次工作共计完成地质雷达测线14条。首先选择典型的剖面line01、line03 、line07 、line10进行分析。下面各图中横坐标为实际距离(m)，左侧纵坐标为时间轴(ns)，右侧纵坐标为深度(cm)。

图3 line 01线剖面图Figure 3 Line 01 section

在图3中横坐标15～18m和34.5～37.5m，深度4～7m的位置有两个低频异常体，推测为石灰岩基岩面附近风化形成的岩溶化灰岩。由图中可以看出该剖面其他位置同相轴稳定，表明岩层整体比较稳定。

图4同相轴稳定，只是在基岩面附近略有扰动，推测此类反映为基岩面附近微风化、中风化的表现，对整个岩层稳定性无明显影响。

图5同相轴整体稳定，在28～33m处同相轴有错动，结合野外现场情况，认为该异常为电梯井的影响。

图6为line10线剖面图，从图可以看出，该剖面同相轴整体稳定，在11～13m处同相轴有变化，结合野外现场记录，认为该异常为现场围挡的影响；在28～33m处同相轴有错动，结合野外现场实地记录，认为该异常为电梯井的影响。

结合地质资料，对该场地完成雷达剖面进行了全面分析，所有测线剖面上大部地段存在多组振幅较强、连续性较好的反射同相轴，说明调查区域范围内的地层分布较为均匀，地层稳定性较好；局部异常较清晰，结合地质资料和现场建筑施工情况可以确定异常性质并排除多解性。

2.4.2 综合探测成果

根据各测线剖面图圈定的异常平面成果图来看，21#楼建筑场地范围内主要有3个小异常：在测线line01上有两个异常体,异常平面位置分别为15～18m和34.5～37.5m，深度4～7m；在测线line03上有一个异常，平面位置在58.0～58.7m，深度在6.5～9m，此处同相轴接近双曲线型，并且有连续的反射同相轴出现， 推测该异常可能是基岩面附近的岩溶化灰岩。

图4 line 03线剖面图Figure 4 Line 03 section

图5 line 07线剖面图Figure 5 Line 07 section

图6 line 10线剖面图Figure 6 Line 10 section

3 结语

本次探测结果与现场勘查钻孔资料基本一致，说明地质雷达对查明埋深较浅区域的岩溶发育情况，能够取得较好的定性成果。同时，从现场探测情况来看，地质雷达的探测具有对施工干扰小，现场要求低的优点，可以广泛应用于基础工程勘察前期的岩溶探测工作。