探地雷達在地下巖溶探測中的應用

胡安順

摘要：巖溶是一種發育于碳酸鹽地層中較為常見的一種自然災害，巖溶產生后，造成地表塌陷、地面變形、地面開裂，對地表建筑物造成一定的破壞，會造成房屋墻壁裂縫、屋內地面裂縫下沉，嚴重的直接導致建筑物倒塌。因此，在碳酸鹽地層進行工程建設，巖溶對地基穩定性的影響是不容忽略的因素，要處理好巖溶地基，首先要查明地基以下巖溶的分布情況，故加強巖溶地基探測方法的應用研究，采用合理有效的探測方法，有著重大的技術價值和經濟意義。在巖溶探測中，探地雷達具有抗干擾能力強、分辨率較高等優勢，被較多的應用于巖溶區的調查。本文以某建設工程場地為例，采用探地雷達對擬建工地基礎進行了巖溶調查，通過對獲得的雷達剖面資料進行處理和解釋，取得了較好的探測效果，其技術方法可為同類巖溶的探測提供借鑒和指導。

關鍵詞：探地雷達;巖溶;電磁波

1.引言

探地雷達具有分辨率高、定位準確、快速經濟、靈活方便、剖面直觀、實時圖像顯示等優點，在巖土工程勘察、工業與民用建筑場地巖溶探測、隧道超前探測、塔橋橋基等眾多淺層勘察領域得到較廣泛應用，并取得較好的效果。在淺層巖溶探測中，也顯示出探地雷達技術的優越性和準確性。

2.地質概況

工作區基坑開挖約2.OOm-5.OOm，基礎持力層為中風化石灰巖，測區內地表為第四系山前沖積，附近區域構造較為發育，受其影響，場區裂隙較為發育，圍巖較為破碎。根據鉆孔揭露，工作區地層由上到下主要為：

第四系素填土：棕黃色，松散，稍濕。以粘性土為主，局部含碎石。該層在場區多數鉆孔分布，厚度：0.20m-1.20m，平均0.55m;層底標高：117.58m-119.89m，平均118.60m;層底埋深：0.20m-1.20m，平均0.55m。

奧陶系石灰巖：場區石灰巖分為兩層，上層石灰巖青灰色，破碎，隱晶質結構，塊狀構造，礦物成分以方解石為主，溶蝕現象較發育，局部可見粘土及碎石充填物，巖芯多呈塊狀，取芯率低。該層在場區普遍分布，厚度：l.OOm-4.80m，平均2.59m;層底標高：114.12m-118.69m，平均115.85m;層底埋深：1.50m-4.80m，平均3.28m。

下層石灰巖呈青灰色，較完整，隱晶質結構，中厚層狀構造，礦物成分以方解石為主，屬較硬巖，稍有溶蝕現象，巖體較完整，基本質量等級為Ⅲ類，巖芯多呈柱狀，取芯率80%。該層在場區普遍分布，厚度未穿透。

3.地球物理條件

探地雷達探測技術是利用介質的介電性質和導電性質差異進行探測，從物理性質上分析，雷達電磁波在不同地層或物質之間存在著不同的傳播速度和頻率，完整巖石與破碎帶、裂隙、風化層等存在一定的物理性質差異，具體表現在：電磁波經過完整巖層時傳播速率幾乎不變，而經過破碎帶、裂隙、風化層時電磁波速發生改變，反映在雷達波形圖上，雷達波經過完整巖石或土層時雷達圖像反射同相軸較為連續水平;經過裂隙破碎帶及空洞時，巖體節理面對雷達波反射，使雷達圖像出現強反射，形成反射同向軸的“錯段”現象。這些地球物理性質的差異構成了開展探地雷達工作的前提。測區內巖溶發育位置與完整基巖存在較為明顯的電性差異，所以利用探地雷達反射波法查明不良地質空間分布情況是可行的和有效的。

4.探地雷達勘探原理

探地雷達是將高頻電磁波以短脈沖形式由地面通過天線T送人地下，經地下目的層或地質異常體（溶洞、斷裂、空隙）反射后返回地面，為另一天線S所接收，電磁波信樁號為監視器所顯示和存貯，以便室內資料處理時調用。

通過脈沖波行程需時的精確測定，可準確求出地下反射體深度。脈沖波行程需時：t=√4z22+x2/v，當地下介質中的波速v為已知時，可根據測到的精確t（ns）值（lns=10-9s），由上式求出反射體的深度z（m）。式中X（m）值在剖面探測中是固定的，V值（ m/ns）可以用寬角方式直接測量，也可以根據v一c√s近似算出（當介質的導電率很低時），式中C為光速（ C=0.3m/ns），ε為地下介質的相對介電常數，可利用已知數據或測定獲得。

5.資料采集

野外數據采集使用中國電波傳播研究所生產使用LTD2100型數字化探測雷達儀，野外探測時，根據探測目的體的不同深度可選擇不同中心頻率的天線以及不同的測點間距進行探測，表1是LTD2100型數字化探地雷達針對不同目的體尺寸與深度選用不同中心頻率的天線：根據探測深度要求、現場試驗和以往在本工作區經驗，本次工作采用中心工作頻率為270MHz的天線進行探測。本次工作根據擬建建筑物基礎實際情況，采用南北向布設測線，測線間距2m，局部地段加密至Im，測點間距lOcm。采樣點數1024samp/scan，采樣頻率32scans/sec，根據灰巖巖性中電磁波速度為0. lOm/ns-0. 12m/ns，取采樣時窗為lOOns-120ns。

6.資料處理解釋

當采用地質雷達對基巖進行探測時，發射的電磁波在地下傳播。當地下介質（灰巖）完整時，雷達波反射能量很均勻;當地下介質（灰巖）內部存在溶洞、軟弱夾層、裂隙、破碎帶等地質現象時，雷達波會在溶洞、軟弱夾層、裂隙、破碎帶等的界面上發生強反射，反射波形態與上述不良地質現象的形態、大小、深度等因素有密切的關系。因此，從探測到的雷達反射波的曲線形態、振幅強度、相位等特征可以判斷灰巖一定深度內上述地質現象的形態、性質及空間分布等。根據本次勘探結果，不同性質雷達剖面表現為不同的特征。

由于溶洞及裂隙的存在，會對電磁波有很強的吸收頻散衰減作用，使雷達波頻率降低，并且破碎圍巖及裂隙還會引起雷達波波形紊亂甚至產生畸變，在雷達剖面上表現為雷達波組的中斷或消失，溶洞上方則由于巖層相對完整而變化不明顯。對于溶蝕后被黏土填充的溶洞，由于黏土與巖石電磁波速相差較大，所以在溶洞區內雷達波的波速常常會由于這些充填物的存在而降低，導致溶洞內部的雷達波會與圍巖的雷達波存在一個較為明顯的走時差。此外，由于溶洞內部充填物的雜亂堆積會造成雷達波的同相軸發生能量減弱、連續性降低等現象，也會在雷達圖像上出現與圍巖圖像不同的明顯標志。圖1為15線雷達探測圖像，由圖1可以看出，在淺部雷達波形穩定，振幅較強，可連續追蹤的似水平層狀反射同向軸，該特征為均質巖性在雷達圖上的反映，在探地雷達剖面水平方向K0+5.Om-K0+7.Om，深度在1.3m-2.7m，出現明顯的雷達波同向軸缺失，推斷為裂隙或巖石破碎。

本次利用探地雷達勘探技術在建設場地內共圈定地下巖溶及裂隙發育地段7處，結合場地工程勘察資料，本次工作圈定的巖溶裂隙區分布范圍及深度與鉆孔揭露基本一致。巖溶裂隙區分布深淺不一，深度多分布在建設場地基坑底部1m-3m，在雷達斷面圖上，呈現出不同深度的雷達波同向軸不連續或缺失。

7.結語

（1）通過探地雷達進行巖溶勘察，提高了勘察精度，加快了勘察速度，達到了預期勘察效果;探地雷達探測中需要探測目的體與周圍巖石存在明顯的介電常數差異，且電性穩定，電磁波反射信號明顯，探測目的體埋藏不宜過深，并與埋深相對比要有一定規模;探地雷達直接利用基巖表面探測巖溶，探測精度較高。

（2）由于巖溶裂隙發育規模、深度、充填物等復雜多樣，使得巖溶探測圖像沒有一個通用的標準處理解釋，工作前，應結合場區已有勘探孔地質資料進行多參數現場試驗。工作中通過不同頻率參數組合來處理不同大小、不同深度的目標體，同時結合工程鉆探等地質資料來相互對比印證，可以更有效的提高勘探的準確性。

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