地質雷達在基坑勘查中的應用

孟云霞

（山西省煤炭地質115勘查院，山西大同037003）

1 概述

地質雷達（Georadar）也叫探地雷達（Ground ene?trating Radar），地質雷達主要用于無損檢測以及淺層隱蔽物調查。隨著理論研究、正演模擬、處理解釋技術的不斷提高，地質雷達的應用效果不斷得到證實。主要有可連續、無損地、高效探測，儀器操作以及處理流程簡單、精度高等優點[1]。在隧洞超前探測方面，通過歸納地質等效介電常數，可以更清晰地識別隧洞掌子面[2-3]；同樣，在調查機場地基加固厚度的變化情況和其他人類硬化工程隱患中地質雷達的探測效果也取得很好的效果[4]；在隱蔽性管線、暗道暗渠等方面的調查應用較多，效果較好[5-6]。此外，地質雷達也可以用于在地下工程中地下水發育情況、土壤濕度測定、垃圾場調查、采空區及熔巖裂隙調查、古建筑保護及考古等的調查等。

在地基處理前，需要勘查基坑情況。長治市某建筑的地基選在以前開挖的雙層地洞上部。為排除潛在危險，給地基處理提供依據，需要查清楚地洞的分布情況。選擇地質雷達對洞體的展布進行調查。本文基于地質雷達對地洞展布情況調查，針對金屬干擾進行濾波，取得良好效果。并對地質雷達參數選取、采集、數據處理解釋等進行分析。由于地質情況復雜，干擾嚴重，加大了數據的處理解釋的難度。

2 實驗準備

2.1 地質概況

調查區屬于市區邊緣，位于某政府建筑旁邊，民宅零散分布，地下遺留有2層人工地洞。洞體寬0.8～1.2m不等，高度1.4m左右，沒有固定走向和埋深，叉洞多，總體上縱橫交錯。2層洞大致深度分別為3m與6m，最深處可達8m，其中3m以上的洞體基本挖除，第二層洞體從探查基準面（基坑底面）開始，深度在3m左右。調查區地下潛水位較淺，主要在2～4m左右，基坑開挖2m之后，部分區域地下水出露，基坑表有積水。這不僅給采集帶來困難，還因電性不均勻造成干擾。另外，基坑內挖掘機、抽水車、鉆機以及金屬堆積分布較多，對天線造成嚴重干擾，給數據處理帶來困難。本次調查目的在于查清洞體在平面上的分布情況，為地基處理提供依據。

2.2 采集參數

本次探測使用俄羅斯OKO-2地質雷達進行數據采集，配屬50MHZ的蛇形屏蔽天線進行探測。本儀器掃描樣點數Samples/Scan有128、256、512可供選；時窗有50、100、200、400、800、1600ns可選擇。參數的選取主要依據介電常數、電導率、磁導率以及探測深度。試驗對比50和150MHz的2種天線采集效果，150MHz天線分辨率高但探測深度滿足不了需求，因此50MHz蛇形天線效果較好。時窗范圍：800ns，采樣率：512樣點/掃描，疊加次數：20次，探測深度可達0～8.0m。

在儀器選取時必須要考慮的是分辨率。水平及垂直分辨率與相對電介質常數（介電常數）及磁導率有關，但主要取決于天線中心頻率。垂直分辨率在相對電介質常數為0～5之間時增加劇烈，在10～50之間增加小并且趨于平穩；水平分辨率取決于第一菲涅爾半徑，它隨深度增加而降低，隨電介質增加先快速增大，后趨平穩。電磁波在大多數情況下都可以以水平面波形式疊加。電磁波與地震波傳播機制雖然存在差別，但它們對異常情況的響應一致，并且均滿足snail定理，因此地質雷達資料處理方式總體與地震資料處理相似。但由于地質雷達極高頻、短波場發射，因此衰減快，探深淺，處理與解釋精度要求高，因此難度也大。帶寬計算依據最大功率對應的中心頻率衰減3dB后最大與最小頻率差[7]。探測深度與頻率的選?。侯l率提高，點介質常數磁導率加大，衰減增大，探深變小。

探測深度依據電場、磁場和電磁波三者在傳播方向上總是相互垂直的特點來選擇中心頻率，依據探測深度與分辨要求，滿足分辨的情況下盡量選擇低頻[8-9]。時窗選取過小則采樣不全，太大則降低垂向分辨率。一般選取探測深度H為目標深度的1.5倍。根據探測深度H和介電常數ε確定采樣時窗長度Range（ns）：

表1是常見地表介質的介質屬性。

表1 不同介質電磁波傳播速度

3 數據采集

3.1 試驗

3.1.1 時窗試驗

時窗即對比是2種不同頻率的天線的采集效果對比。地質雷達具有高效高頻高分辨率的特點，同時其衰減也十分迅速，要求調查中對勘探深度、分辨率和激發頻率和時窗四者匹配。在采集之前，依據探測目標地洞大致深度進行不同時窗范圍調試，在800ns時，天線對5～8m的異常體識別較清晰，洞體頂底界面能產生清晰的反射波，兩壁側面干擾波明顯。為查明防空洞的平面展布情況，將測線分為東西和南北2種走向，測量定點后，在測線之間以麻繩作為引導天線拖曳發方向并確保其不偏移。

從試驗資料可以看出150MHz的天線對薄層顯示明顯，同相軸較細，對于1.5m內的淺層目標，選取150MHz的***天線可以清晰調查出地下異常，能滿足工程目的。50MHz的天線原始記錄對于淺層和深層反映均較明顯，但分辨率明顯低于150MHz天線。選取50MHz天線，對5m探測深度以內的地質情況進行探測。150MHz和50MHz兩種可選雷達進行實驗對比，具體如圖1、圖2所示。

圖1 150MHz天線原始數據

圖2 50MHz天線原始記錄

3.1.2 目標異常和金屬堆干擾特征

地震波對不同地質構造響應不同，干地質雷達電磁波對不同洞體響應也不同。為了解各種異常特征，為處理過程中消除擾波做鋪墊，在正式進行數據采集之前，選擇洞體出露、存在多種干擾的地方進行試驗，對洞體異常以及各種干擾的響應進行識別。工區需要了解洞體異常響應、基坑開挖壁響應以及地表堆積金屬的異常響應，具體見圖3。

50MHz天線能很好識別該區洞體，而且各種干擾的響應特征也十分明顯。從圖3可以看出，該試驗線第二層洞體主要在基坑以下3～4m處。洞體的異常響應有2個特點：（1）洞頂電磁波反射曲線向上彎曲；（2）洞壁兩側有洞壁側面波，主要呈“V”形分布于洞體兩側。原始數據上，干擾波種類較多，能量較強。主要有規則干擾（單頻干擾外）波、側面干擾波以及金屬堆積物的干擾波。規則干擾的特征為平行而短小的同相軸，自上而下出現；側面波主要來自洞體側面以及基坑施工壁，主要呈傾斜同相軸的形式出現；金屬堆積物的干擾在測線方向上表現為較強能量的同相軸，若沿測線分布的金屬延伸較長，則同相軸平行分布，自上而下能量較強。試驗對了解異常以及后期針對性的消除干擾波存在較大意義。

圖3 干擾波及洞體異常特征

3.2 數據處理分析解釋

圖4 異常區原始（上）和處理剖面（下）

在采集之前，必須對測線兩端進行定點測量，以保證測線兩端的位置。測線中間用測繩連接，以保證雷達不偏離測線。為保證剖面長度的準確性，采用測距輪進行測量。

對于洞體異常十分突出的資料只需簡單歸位，洞體異常難以識別的資料則需消除各種干擾波，突出信號才能準確找到洞體位置。為此，針對本區地下水位淺、金屬干擾強以及基坑側面波干擾嚴重等特點，對資料進行如下處理：靜校切除、振幅增益、減背景、減均值、濾波、反褶積。在處理過程中，為使處理資料更好，可以對部分流程重復操作。經過處理后洞體異常區得以突出，側面波大部分消除，如圖4所示。

采集分析結束后，對所有剖面進行處理后，將各測線異常（空洞）區解釋出來，標出空洞位置和深度。在已繪制成的測線分布圖上，將異常區附到測線上，生成空洞平面分布圖，如圖5所示。由圖5可知，地下洞體具有一定展布規律，相互連續。不足之處在于測線密度不高，不能精細測出洞體展布情況。

4 結論

（1）在滿足分辨率和探測深度的前提下，地質雷達在地下雙洞體調查中可取得效果。在用地質雷達調查地下隱蔽物體時，先找到異常體出露位置進行試驗，了解其信號響應特點；其次應該在干饒區進行試驗，了解干擾特點。這在數據處理和解釋中具有較大意義。

（2）地質雷達調查過程中需要注意幾個問題是：洞體異常的響應特點；洞體深度和于激發頻率的匹配，即激發頻率應當滿足分辨率和探測深度的要求；覆蓋次數和采樣率的匹配；對測線方向的把控以及測量起始點的準確性對于處理解釋異常體的位置歸位十分重要。

（3）對地下水位淺、金屬干擾嚴重的地質雷達資料，進行靜校切除—振幅增益—減背景—減均值—濾波—反褶積等處理，可以很好消除干擾信號，突出洞體反射信息。為達到良好處理結果，可以重復上述某些步驟。