地震映像法和探地雷达法在城市地质勘查中的应用

胡彦军

摘  要：地质勘查要面对环境复杂的施工环境，有的复杂地质处在明显位置，有的处在隐伏状态。采用地质勘查的方法，对于不能达到施工要求的地质进行提前勘查，并根据地质情况设计施工方案。以帮助工程顺利开展。例如为了解决路面塌陷问题，做好地下孔洞的勘查，探明岩溶位置以及空间规模，采用地震映射法和探底雷达法，结合勘查结果分析，对岩溶地质发育取得良好的勘查效果，用以指导施工处理。另外采用地震影响法和探地雷达法结合的方式能够为地质灾害治理提供依据。本文对地震映像法和探地雷达法在城市地质勘查中应用进行分析，希望能够对提升物探技术水平具有参考价值。

关键词：地震映像法  探地雷达法  地质勘查  工作质量

中图分类号：P624                               文献标识码：A                    文章编号：1674-098X（2020）12（b）-0014-04

Abstract： Geological exploration must face the complex construction environment， some complex geology is in the obvious position， some is in the hidden state. By using the method of geological exploration， the geological exploration can not meet the construction requirements in advance， and according to the geological conditions design construction program. To help with the project. For example， in order to solve the problem of road surface collapse， do a good job in the exploration of underground cavities， and find out the location and spatial scale of karst， the seismic mapping method and the ground penetrating radar method are used， combined with the analysis of the exploration results， to obtain good exploration results for the development of karst geology， to guide the construction process. In addition， the combination of seismic impact method and ground penetrating radar method can provide a basis for geological disaster management. In this paper， the application of seismic imaging method and ground penetrating radar （GPR） method in urban geological exploration is analyzed. It is hoped that it can be of reference value to improve the level of geophysical exploration technology.

Key Words： Seismic imaging method; Ground penetrating radar method; Geological exploration; Quality of work

隨着城市建设步伐的加快，进行城市工程建设中管线铺设施工和地铁施工等过程中，由于工程容易受到扰动或塌陷影响，给路段建设造成损失。因此采用物探勘查方法，如运用地震映像法和探地雷达结合的方式，经过实地工程应用验证二者能够在勘查中发挥综合应用效果。

1  地震映像法和探地雷达法概述

工程建设中常常由于对地质勘查不足，对于地下管线复杂、隐伏地质出没等问题不能做到预知。因此随着工程建设的快速推进，诸多影响工程建设进度和引发工程风险的问题，如路面塌陷、空洞坍塌等，对于工程安全管控和人们的出行安全和日常生活都产生威胁。对于不密实等病害体，尤其是位于塌陷管线周边的位置以及规模性空洞，可以采用物探方法，必须结合工程实际和地形情况进行[1]。地质雷达和地震映像方法常用于城市工程开发建设中。地质勘查依据地球物理勘查规范和城市工程相关标准，对于工期情况和现场条件进行充分了解，采用综合物探方法，相互结合、充分补充。

1.1 优缺点分析

探地雷达法方法技术成熟、效率高、分辨率高，其缺点是信号探测深度存在有限的问题。探地雷达法对地下金属物影响和地表的影响有较强的反应;地震映像法获得信息丰富，相对而言排列短、效率高、探测深度大，但是其缺陷在于受到数据解释人员的实验影响较大，产生人工震源能量不稳定。

1.2 工作原理

探地雷达法通过探地雷达发射高频电磁波对地底介质的分布规律进行探测。通过天线进行电磁波的发射，探查地下目标体。天线形成数百兆赫的电磁波，由媒介进行发射。电磁频率遇到不同媒介时界面产生反射波，在反射过程中返回电表面又被接收天线所接受，电磁波在地下传播速度由已知介质测定。探地雷达法勘查，电磁波通常传播速度在高速介质中会出现均匀平波面，其取决于媒介的相对介电常数，进行媒介的相对介电常数计算时，可由公式得出不同的媒介界面可产生不同的电磁波传播速度，并运用公式得出反射系数。电磁波的反射系数取决于相对介电常数差异反射系数和差异形成正比。顾名思义地下空洞的存在物性差异，产生较强的反射差异[2]。

地震映像法是地震勘查的方法之一，采用吸纳后采集技术，对数据如岩溶内部的弹性差异进行数据分析和处理，得到确定的形态特征。地震映像法的发展是从浅地层勘探方法而来，其对单点地震反射和高密度地震勘测均能进行勘探。地震映像法产生的不包括绕射波和反射波，记录激发点和接触点之间的反射波，绕射波形成波形图予以时间剖面记录，采集过程中避免叫正对反射波的拉伸，即便对不需要处理的可以进行动态调整，防止高频成分损失，利用地震波的多种信息进行资料解释时反射波的动态特征得到完整体现，分辨率不受影响[3]。利用反射波和绕射波地震应设法可以产生明显的反射波和绕射波，路在空洞顶着的测量室延伸范围反映出公众发育范围，如果空洞顶范围较小，则溶洞顶产生绕射波，同相轴反射波反映空洞的埋深，双曲线零点为空洞点的位置，绕首播显示为同相轴双曲线。

1.3 应用难点

在实际工作中，地震映像法的难点在于确定最佳偏移句，对剖面上的波的传播速度、时间，振幅的相互关系进行分析。最佳偏移距离越小，地震映像法的效果就越好。采集数据过程中使用相等的移动数据，对接收点和激发点之间的垂直反应时间进行记录，避免校正反射波的拉伸机变，测量结果受到影响不大，完整体现反射波特征。

1.4 方法研究

在两种方法的发展研究中发现，探地雷达法雏形应用在1904年，由德国人首先使用，德国用电磁波信号进行远距离地面金属体的探测，后有提出用电磁波技术来探查地下的目标体，首次提出电磁波在节点常数不同的介质界面下会反射电磁波反射，这一原理应用在数据处理技术上得到大大的发展，后在20世纪70年代得到技术的提升，实现了对地下浅层的目标勘查。随着应用目前土木工程、技术调查、环境监测等方面均有广泛使用[4]。

2  探地雷达法和地震映像法在物探中综合运用

以某工程为例，工程属于铁路高速客运主骨架，全线长达1560km，横跨三省，铁路沿线熔岩隧道多下方有异常发育的容颜，因此进行工程方案论证时候，运营过程为防止对铁路安全造成损失，因此在土建工程实施前期，要求进行地质勘查，对于岩溶的位置和规模获取探测资料，在处理效果上为采集到有效波的最佳数据，进行无损探测，确保地质数据得到完全处理，保证运营安全。

2.1 设置地质雷达参数

首先是用探地雷达法，设置了地质雷达参数，利用高超电磁波信号进行介质探测，使用地质雷达仪进行无损探测。天线中心频率高，分辨率高，探测深度小，针对这一情况对于雷达天线中心频率进行深入考虑，充分考虑天线尺寸和分辨率对探测地点的影响，设置了天线的频率为100mHz，减小雷达天线中心频率，对分辨率和地点无影响，对采样窗口设置为400ns采样点为512，每秒扫描100道，来回扫描20道，使用自动增益的方法设置地址雷达，探测深度为15km。

2.2 侧线的布置方案

经过设计之后，对于双轨隧道左中线和左右中线的中间进行地质雷达测线布置，然后进行数据分析。由于工程所在的岩石体电性差异，小街至均匀没有明显的反射面，在进行地质雷达法应用时显示的剖面图（见图1），图像特征、能量均匀、波形均匀，没有杂乱反射波，地质雷达图像特征出现一定规律的多层反射波，高频变化幅度较大，附近发射波振幅明显增强[5]。因此对于剖面上的异常点进行分析，发现雷达的反射波同相轴振幅明显变大，并伴随有多次反射，可能由于发育较小的溶蚀和裂隙带，使得波形较为杂乱，推断岩层为发育带，并伴有溶腔，弧形反射同相轴，形成大规模的互相反射波，地质雷达线电性差异小，反射波在穿透空洞后，在下底面再次发生反射，出现一定规律的多次反射波。

2.3 地震映像法的应用

使用地震映像法进行参数设置，采用地震波信息勘探的方法，对地理介质变化进行勘查（见图2）。完整的岩层发生裂隙或者破碎会出现高频同相轴的不连续吸收，如果同相轴有断面波则可能为断裂，如果出现低频振荡则为空洞。运用全数字化信号增强浅层地震仪，测得偏移距为5m，514到524处显示距离为0.1ms，测量长度为200ms，到间距为1.5m。测线的布置，首先对于双线轨道左右和左右出现中间映像测线路。使用地震映像法进行数据分析，得到的数据波长显示为不连续，发生破碎和裂隙的可能性较大[6]。

对该段使用地震映像法进行剖面探测，纵波的波形较高，出现散射波同向轴逐步连接，出现了4个异常点，初步接论为岩溶发育带有裂隙，隧道存在裂隙发育并伴有无填充小溶洞。

2.4 数据处理

通过地震映像法和探地雷达法获得数据经过处理软件处理，使用带通滤波、绕舍偏移和反褶积滤波、频率波数滤波等的方法对背景干扰进行消除，提取速度、频率、相位，突出地质异常。采用双曲线拟合和目标深度对电磁波速度进行准确计算。探地雷达图像反應的同相轴起伏大且伴有层间裂隙弧形，电磁波振幅强烈[7]。地震映像上振幅增强，根据褶皱破碎带响应介质波速推断，对地段的发育可解释为有裂隙水填充溶洞/两种物探方法克服物探异常多解性问题，经过钻探取芯，结果与物探结果一致，验证了运用地震映像法和探地雷达法对岩溶勘查的可靠性。

3  结语

（1）经过探地雷达和地震映像法的结合，对于岩溶勘查的方法是有效的。钻孔验证与物探结果基本一致。

（2）探地雷达和地震映像法的使用应结合地质特征，能够为岩溶勘查工作提供参考，解决物探异常多解性问题。

（3）在进行地质物探过程中，使用探地雷达法和地震影响法综合方法，结合工程地质情况，在施工前期获得空洞、管道探测资料和相应的数据，为工程实际提出指导意见。确保施工现场地形施工条件较好，能够确保地质风险降低到最小。选取最佳施工参数，提高勘查精度、提供复测材料，实践证明采用地震映像法和探地雷达法结合进行工程地质勘查能够提供强有力依据。

参考文献

[1] 郭都城，邵继喜.探地雷达法在早期人防坑道检测中的应用研究[J].建材与装饰，2020（21）：40-41.

[2] Kirill Sokolov，Larisa Fedorova，Maksim Fedorov. Prospecting and Evaluation of Underground Massive Ice by Ground-Penetrating Radar[J]. Geosciences，2020，10（7）.

[3] 吕明，王永刚，杨明瑞.综合物探方法在输电线路桩基岩溶探测中的应用[J].工程地球物理学报，2020，17（3）：386-392.

[4] 李俊，王杰.探地雷达法在水工隧洞超前地质预报中的应用[J].天津职业院校联合学报，2020，22（5）：85-89.

[5] 吴怡洁，王慧，詹少全，等.地震映像法和探地雷达法在城市地质勘查中的应用[J].工程地球物理学报，2019，16（6）：910-914.

[6] 吴卫.综合物探方法在隧道岩溶水害探测中的应用[J].中国科技信息，2019（21）：48-50.

[7] 杨力.高密度电法和地震映像法在岩溶勘察中的应用研究[D].成都：成都理工大学，2018.

[8] 李兴迪.应用探地雷达测定浅表土体含水率的机理与实验研究[D].绵阳：西南科技大学，2016.