高密度-地质雷达综合法在探测地下不良地质体中的应用

龚 俊

（中大检测（湖南）股份有限公司，长沙 410205）

城市地下隐蔽工程施工，施工环境复杂，周围管线错综复杂，地面极易出现下沉、塌方等应急事故，涉及周围建筑安全、交通安全，为快速有效地查找病害原因及病害分布特征，及时采取相关措施，做到事前防范与事中控制尤为重要，城市地下工程不良地质体查找分为物探和钻心，其中物探主要以高密度电法和地质雷达法，物探法具有快速高效，经济性好，对周围环境干扰小，对场地检测环境有一定要求。钻心法效率低，耗时较长，检测费用高，对周围环境影响较大，对场地检测环境有一定要求，芯样直观，一般作为物探的补充，进行验证。

1 工程概况

桐溪站—大王山站区间位于长沙市岳麓区坪塘街道，区间线路出清风路站后，沿谭州大道向东北方向偏转，侧穿坪塘集镇安置性住宅片区后，进入山塘站。

本区间起讫里程如下。

左线XHNDK36+254.411—左XHNDK37+085.711，全长831.352 m，含长链0.052 m。

右线XHNDK36+298.411—右XHNDK37+085.711，全长794.3 m。

左右线线间距14～15 m。

区间水平曲线最小半径为R1 200 m，最大坡度为15‰。

左线位于市政道路中间，右线位于非机动车道右侧花园里，隧洞平均埋深15 m，本次探测主要在右线正上方和右线左侧非机动车道上布置测线，右线右侧不具备探测条件。

2 高密度法探测

2.1 测线布置

根据勘查任务要求，测线应尽量覆盖勘查区域，并尽可能避免或减小地形和其他干扰因素影响的原则，探测区域地势平坦，根据任务及工作现场情况在场地内右线上方布设1条高密度测线，电极距均为2 m，用卷尺测量保证距离精度，尽量减少每根电极的接地电阻差，布设28个电极，所有电极在同一条直线上，测线长为52 m，并减少接地电阻，并确保接地良好。

2.2 探测原理

（1）本次高密度法主要是探查测线范围内地下是否存在岩溶，是以岩土体的电性差异为基础的电探方法。由于原状地层是层间结构，一般地层是有一定规律的结构分布，当地下是空洞时，会与周围的岩土体存在明显的电阻率差值。由于空气和水的导电性两极差异：空气不具备导电性，是高电阻体；水具备高导电性，是低电阻体。当这些空洞、溶洞里面是充填水、泥沙和其他低电阻体时，在数据分析软件里面高密度电阻率法反演图上表现为封闭的低阻异常，也会以“V”字型的低阻异常形态特征展现，在图上表现为蓝色-深蓝色，颜色越深表明与周围的岩土体电阻差异越大。当空洞、溶洞的充填物为空气时，在数据分析软件里面高密度电阻率法反演图上表现为封闭的高阻异常，在图上表现为紫色-深紫色，2种电性层位界面反映为视电阻率梯度大等异常特征；岩土体不存在不良地质的情况下，完整地层层位在视电阻率剖面上表现为颜色均匀平缓变化，这是高密度法开展工作的原理，也是在此区开展高密度法探测的地理条件。

2.3 探测数据处理及结论分析

2022年2月28 日将野外采集的数据导入计算机，与野外记录仔细核对后，应用专业软件（2D RES）经删除坏点、收敛极限及滑动平均反演生成Y坐标为深度、X坐标为点距的反演图，通过本次物探勘查，在XHNDK35+499—XHNDK35+447里程区间9.6 m深度范围内视电阻率ρs等值线分层清晰且均匀平缓变化，其中测线方向XHNDK35+486—XHNDK35+484范围内出现低阻封闭圈异常，图示上显示为深蓝色，深度区间约6～7 m，推测为岩溶异常反应，岩溶体内部为高导电体，推断空腔里面有水，泥沙填充，如图1所示。

图1 测线反演成果图

3 地质雷达法探测

3.1 测线布置

使用SⅠR-4000地质雷达配合100 MHz天线在长株潭城际轨道交通西环线一期工程桐溪站—大王山站右线盾构区间上方共布置2条测线，测线1位于右线左侧偏2 m，位于右侧非机动车道内，靠近右侧围挡，长度39 m，现场对应位置5 m做一个标记，具备连续采集条件，桩号范围XHNDK35+497—XHNDK35+458；测线2位于右线中线管片654—658环上方花园内，沿着纵向已清出1 m左右宽度，长度7 m，在测线中间点做好标记，桩号范围XHNDK35+488.5—XHNDK35+481.5。

3.2 探测方法与参数设置

测线1采用时间模式，从大里程往小里程方向探测；探测前，先在探测周边区域，尽量在测线范围外，调试好雷达参数，先在输出里面把垂直刻度调试成深度模式，点进雷达把深度范围（m）调至现场需要的探测深度范围，在处理里面把FⅠR叠加设置在3～9范围内，在雷达信号位置一栏先自动，后手动，调整表面位置（一般设置0.0），调整延时至首波（负波）到合适位置（图2），采样/扫描设置为1 024，在处理里面把增益方式调整为自动，后手动，在编辑增益曲线中，适当增减增益点数，调整增益曲线至波形在左右黑线范围内，并尽量保证2/3线宽的振幅宽度（图3）。

图2 调整首波位置

图3 调整增益曲线

测线2采用点测模式，从大里程往小里程方向探测，点测模式按时间模式调试雷达参数，然后点进雷达把采集模式调成点测模式。点测模式下，同样在探测周边区域，在受影响区域外调整雷达增益（尤其是应急抢险工程，在隐患位置外调整增益），为保证采集质量，尽量让天线横向沿测线方向按步距10～20 cm推进，每测点采集4～10道数据。

3.3 探测分析原理

地质雷达是1种以高频宽频带短脉冲电磁波由地面通过发射天线定向送入地下，经地下不连续体或目标体反射后返回地面被接收天线所接收，根据波的传播特性原理，随着深度的增加，波幅逐渐衰减。电磁波在同一种介质中传播时，其反射波信号较弱，向下传播的过程中，遇到不同介质面时发生反射，其反射波振幅大小与上下2层的电性差成正比（同时频率与同相轴会出现明显的差异），即与地质的介电常数差成正比。由于空气的介电常数是1，水的介电常数是81，当地层中有松散、溶腔（里面可能是空气或者是水及泥质体），其腔体上下面存在较大的介电常数差，发生明显的强反射信号，以此来确定地下存在不良地质体，根据相邻道上反射波的对比分析，不同道上同一相位的各个相似的反射波连起来组成同相轴再结合反射波的波幅突然出现的增大或衰减，就可以判断缺陷的位置与范围。

根据公式

式中：εr为相对介电常数；t为双程走时，ns；确定了地层介质的介电常数，从发射经岩体界面反射回到接收天线的双程走时t，可以精确求得式中d，“d”为标定目标体厚度或距离，m。

3.4 探测数据处理及结论分析

2022年2月28 日将采集的数据导入计算机，应用专业软件RADAN7经过时间零点、背景去除和滤波处理，并进行介电常数（运用高密度推导结论，确定地层综合介电常数为7）、增益等调整，对该数据进行处理分析后在检测区域内发现2处异常，根据雷达探测原理，结合同相轴及灰度图上异常点信息，在点测模式中，6～9.5 m范围有极黑与极白处，与周围存在明显差异，同时根据波幅特征（左负表现为黑色，右正表现为白色），在图像上按顺序出现黑—白—黑（表明此处介电常数比上下层大）与白—黑—白（表明此处介电常数比上下层小）确定此处的介电常数比上下层大，推断此处为空腔，里面有水，含泥沙，雷达数据分析图如图4和图5所示，具体缺陷见表1。

表1 桐溪站—大王山站区间地面雷达扫描情况检测结果表

图4 测线1雷达扫描图（时间模式）

图5 测线2雷达扫描图（点测模式）

4 钻芯验证

鉴于高密度法与地质雷达探测右线上方桩号XHNDK35+485前后存在空腔，施工单位于3月8日对此处进行钻芯验证，共钻取2组芯样，第一组芯样位于XHNDK35+485桩号右线正上方，第二组芯样位于XHNDK35+490桩号右线正上方，第一组芯样存在明显的空腔，且空腔埋深为6～8.5 m（芯样槽里面每节芯样1 m），如图6和图7所示。

图6 2组芯样排列图

图7 第一组芯样第2盒6～8.5 m缺陷图

5 结论

通过对长株潭城际轨道交通西环线一期工程桐溪站—大王山站右线盾构区间上方物探数据分析得出如下结论。

（1）高密度法和地质雷达法都能够很好地探测出地下不良体，尤其是对空腔反应异常明显。

（2）高密度法测线越长，点间距越大，测深越大，测点越多，点间距越小，精度越大，测线长度受场地限制，测深与精度存在相互制约。

（3）地质雷达法受场地限制较小，可以采用时间模式与点测模式，测线可以灵活布置，主要应用在短距离探测中。

（4）高密度法与地质雷达法两者结合，取长补短，高密度数据能有效确定地下不良体埋深，同样的地层岩性，在地质雷达中（短距离探测）推导出地层综合介电常数，运动地质雷达能探测地下不良地质体的分布范围和埋深。

（5）高密度法推导XHNDK35+486—XHNDK35+484岩溶埋深6 m，地质雷达推导XHNDK35+488.5—XHNDK35+481.5岩溶埋深6 m，在XHNDK35+485处芯样长度缺陷处埋深6 m，同一个位置三者高度吻合。

（6）高密度法与地质雷达法两者结合能省去钻心验证，及时采取措施，对不良地质体进行综合分析评判，做到高效并减少成本。