SIR-20多通道透視雷達在樁基巖溶探測上的應用

董戈 羅技明 劉明

(四川省川煤礦山勘測設計有限責任公司，四川成都 610091)

1 概述

地球物理勘探特指在采場中進行的以物性差異為基礎，通過觀測地下地球物理分布變化規律來解決地質問題的一類勘查技術。從20世紀50年代蘇聯將直流電法應用于煤礦井下到70年代末期德國、英國等提取并利用槽波的埃里震相探測工作面內的地質構造，經過多年發展，礦井地球物理勘探現在已逐步發展成為涵蓋了礦井地震勘探、磁法勘探、直流電法勘探、微重力測量、探地雷達法、無線電波透視法、紅外測溫法和放射性測量等多種方法交織的學科體系。

巖溶地區，人工挖孔嵌巖灌注樁的持力層一般選擇中風化灰巖，當樁端以下3倍樁徑或5 m深度范圍內發育一定規模的溶洞等不良地質現象時，會影響樁的承載力，并對建筑物安全造成威脅。所以混凝土灌注前，就要求查明樁孔一定范圍內溶洞、溶蝕區、節理裂隙、破碎等不良地質現象的分布位置、深度、規模及填充情況。

對上述問題傳統的方法是使用鉆孔取芯法，此方法不僅效率低、耗時久、費用高，而且鉆孔只能進行點探測。而實際情況往往是巖溶地區的地層巖形、裂隙發育極其復雜，橫向、縱向變化不一，單一鉆孔很難反映整個樁基底部的地質情況。特別是樁孔挖好后在孔口布設鉆機，因鉆孔上部懸空，鉆進過程中鉆桿搖擺，施工難度加大，鉆進中注水還會造成孔底積水甚至周圍土體塌陷等不良影響。

當前較為簡便的方法是采用地質雷達電磁波剖面法對樁底進行探測，并對探測資料進行解疑，探明樁底以下3倍樁徑或5 m深度內巖溶發育情況。

2 探測區地球物理特征

探測區主要地層為第四系堆積層(Q4)、二疊系茅口組(P1m)，并且探測區內有常年性河流流過。河面約寬20 m，枯水期平均水深為0.4 m，流速為 0.3 m/s;洪水期平均水深為 1.9 m，流速為1.5 m/s。多年平均流量10.8 m3/s，在完整巖層中，電磁波在灰巖中的波速為0.12 m/ns，中風化灰巖電磁波波速一般為0.1 m/ns～0.11 m/ns。

3 探測儀器及方法

3.1 探測儀器

探測儀器選用的是美國勞雷公司(GSSI)生產的一種高效淺層地球物理探測儀器——SIR-20多通道透視雷達。其主機800線/s的掃描速度是目前世界上掃描速度最快的雷達，支持用戶的快速檢測，測量速度可達80 km/h，雷達主機為多通道雷達，具有2個硬通道，4個軟通道，可同時接多根天線進行測量，提高了使用者的工作效率，同時主機中配備的全金屬外殼加固型筆記本計算機作為數據采集系統，在防塵、防潮、防震設計上遠遠優于其他同類儀器，大大提高了野外的實用性和穩定性。因其頻帶寬，可適配廠家的16 MHz～2 600 MHz所有天線，功能擴展性強，數據采集實時顯示、處理。本儀器主要應用于地質與水文地質探測，地下埋藏物確定，地下溶洞、壩體中空洞、裂隙調查，路基、隧道、橋梁無損檢測等，應用領域廣泛。

本次探測選取進行探測工作天線為100 MHz低頻天線，探測深度12 m。

3.2 探測方法

探測區內開挖好的樁孔經三方人員初步驗收后，將透視雷達的發射接收天線平行置于樁孔孔底，進行十字交叉探測，每個樁孔進行2次以上的重復采集，保證采集數據點位的正確性。

3.3 處理及分析

經過透視雷達軟件處理，可得到橫坐標為距離，縱坐標為時間(深度)的樁底電磁波剖面，在數據處理過程中有選擇的進行濾波、振幅恢復、降噪、提高信噪比等常規手段對采集的數據進行處理，得到有效數據。

將處理后的數據進行對比，得出在不同介質中電磁波的波形特征:

1)完整巖層。

電磁波波形不會發生反射，波形比較均一，振幅、波長基本一致。

2)節理裂隙。

當節理裂隙近水平發育時，發射波同相軸一般連續，同完整巖層的區別在于振幅和波長;當節理縱向或不定向發育時，發射波能量發生變化，連續性較差。

3)溶洞。

電磁波在溶洞周邊邊界發生反射，往往形成振幅較強的反射波;當溶洞填充碎石塊時，波形表現為振幅增強、波形雜亂;當溶洞填充粘土時，表現為電磁波減弱或消失，因為粘土對電磁波有極強的吸收效果。

4 工程應用及結果對比

筠連川煤芙蓉水泥廠位于宜賓市筠連縣，水泥廠工業廣場建筑基礎采用人工挖孔灌注樁(樁徑1m～2m)，樁端持力層為中風化灰巖，地層為二疊系茅口組(P1m)。探測要求探明樁底以下5 m深度范圍內是否存在溶洞、裂隙等不良地質現象。在探測過程中，發現底部存在溶洞等不良地質條件的樁孔，進行下挖處理，直到異常消失為止。

圖1為筠連川煤芙蓉水泥廠窯尾4號樁樁底所測的透視雷達成果圖，圖像反映在深度2.5 m，9.3 m存在兩處異常。在深度2.5 m處，反射波被吸收，能量變弱;在深度9.3 m處，波形雜亂，均為溶洞。

表1中有施工方為了驗證探測成果而施工的鉆孔柱狀圖，從實際鉆探結果來看，在深度為2.5 m～3.7 m處有溶洞，由流塑狀粘土和灰巖碎石填充;在深度為9.3 m～11.8 m處有溶洞，由流塑狀粘土和灰巖碎石填充。鉆探結果與透視雷達探測成果一致。

圖1 窯尾4號樁基坑實際探測成果

表1 探溶工程勘察表

5 經濟及效率對比

1)使用透視雷達探測單個樁基坑收費數百元，而使用工程鉆探成本較高，約220元/m，窯尾4號樁基坑鉆探深度25.2 m，費用約為5 324元，是采用地質雷達費用的數倍。

2)使用透視雷達進行探測，當天就可以將探測成果提供給施工方，方便施工方及時進行處理;進行鉆探施工時，施工進度慢，窯尾4號樁鉆探施工時間為4 d。同時，由于鉆進過程中注水，造成溶洞填充物形成泥漿狀填充，給二次施工下挖樁孔造成嚴重影響。

6 結語

SIR-20多通道透視雷達以其高效快速、高精度在護險工程探測中能夠發揮重要作用，取得了良好的應用效果，且對淺層或超淺層的工程探測中有著十分廣闊的應用前景。然而SIR-20多通道透視雷達的探測深度和精度與所采用的天線頻率有很大關系，天線的頻率越低探測深度越大，則精度越低;而天線的頻率越高，探測深度越淺，則精度越高。

實踐證明，在工程勘察方面，SIR-20多通道透視雷達對比鉆探而言具有成本低、效率高、精確度準、速度快等特點。同時透視雷達的探測方式為剖面探測，相對于鉆探的點探測來說探測成果要全面。

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