探地雷達在地下巖溶探測中的應用

郭佳豪，李俊杰，趙國軍，夏志強

(浙江省水利水電勘測設計院，浙江 杭州 310002)

杭州市第二水源千島湖配水工程從淳安縣金竹牌村附近取水，通過輸水隧洞及埋管將優質湖水引至杭州閑林水庫，同時在輸水線路途中向建德、桐廬及富陽等縣市供水。千島湖～閑林水庫輸水線路總長約113.23km，設計流量38.8m3/s，為浙江省重點大(1)型水利工程。進場公路是連接各施工隧洞的紐帶，是重型機械進出工區的必經之地，金竹牌-進水口支洞段位于配水工程上游，沿線基巖以灰巖為主，道路淺表若存在隱伏空洞易導致地面塌陷，威脅人民生命和財產安全，該道路施工過程于某處揭露土洞，故了解附近道路底部是否存在大型空洞，對道路后續施工與使用有重要意義。

道路隱伏巖溶探測多采用鉆探法[1- 4]、地震反射成像技術[5- 8]及探地雷達法[9- 15]，其中鉆探法作為最直接的勘察方法，其成果直觀確準，但面積性探測鉆探效率低，成本高，且施工影響大；地震反射技術探測深度較大，但其數據采集過程要求填土與檢波器間的耦合程度較好，對于局部碎石分布區域可能無法采集到高質量的地震反射數據；探地雷達精度與效率最高，缺陷在于土體對電磁波吸收作用較明顯，對雷達探測深度有一定影響。考慮到道路探測區段覆蓋層厚度較小，綜合各種探測方法的優缺點，決定采用探地雷達法進行隱伏巖溶勘察，本文介紹了探地雷達原理，通過對雷達剖面電磁異常特征的分析與歸類，圈定了地下溶蝕發育區的平面分布范圍，研究成果可為類似工程提供參考。

1 測區地質概況

金竹牌-進水口支洞進場道路起自進水口支洞口，終于S303省道，全長近8km。按準四級公路等級建設，瀝青砼路面，設計速度15km/h，路基寬6.5m，路面寬6.0m，雙向兩車道。路塹采用仰斜式擋墻，路堤采用衡重式擋墻，邊坡防護采用三維植被網。該道路于樁號K3+030附近揭露一土洞，土洞呈橢球形半支，開口半徑約3～4m，向下延伸3m左右，如圖1所示，土洞雖已開挖回填，但其附近仍可能存在較大尺度的淺部溶蝕通道，為避免道路塌陷，故在揭露土洞的進場道路附近開展雷達探測工作。

2 探地雷達原理及測線布置

2.1 探地雷達原理

雷達電磁波探測原理如圖2所示，探測時通過小尺度同步移動發射天線T與接收天線R，繼而接收在介質中反射回來的電磁信號，雷達探測數據經過初至波切除、能量增益及帶通濾波等方法處理后便可得到如圖3所示的雷達反射波形圖，當地下介質中存在空腔時，雷達波同相軸會呈現雙曲線狀，且介質分界面位置附近反射波振幅較強。通常均一的介質雷達反射信號較均勻，若地下存在小型空隙、不密實或溶蝕帶，受其影響，反射波波形會變雜亂、振幅變強且多次反射現象明顯。工程選用美國GSSI公司生產的SIR- 4000雷達進行探測，該設備只含天線與主機兩個接口，采用100MHz屏蔽天線，記錄長度約650ns，為提升數據信噪比，同時兼顧效率，數據采集時設置疊加次數為64次，點測模式，道間距0.1m。

圖1 進場道路樁號K3+030附近揭露土洞

圖2 探地雷達探測原理

圖3 反射波形示意

2.2 測線布置

在樁號K3+019～K3+040區段附近布置測線四條，如圖4所示，測線方向、長度及對應樁號見表1，雷達探測方向均由小樁號至大樁號。

圖4 地質雷達測線布置圖

表1 探地雷達測線編號、長度及對應樁號

3 雷達剖面成果分析

測區4條雷達測線探測成果如圖5所示，由圖5a可見，測線1- 1′雷達反射波異常主要集中于樁號K3+023～K3+028.2深度大于2m區域，其中深度2～6m區段雷達反射波振幅強，波形雜亂，同相軸錯斷，頻率以中頻為主，推測填土局部不密實或原狀土層較松散；K3+025～K3+028深度大于7m區域反射波能量強，多次反射現象明顯，同相軸局部呈雙曲線狀，推測巖體中發育垂向溶蝕通道。

由圖5b可見，測線2- 2′在樁號K3+029～K3+035深度小于3m區段反射波同相軸局部錯斷或呈小型雙曲線狀，推測路基填筑土堆填局部不密實；樁號K3+024～K3+026深度約5～9m區段反射信號強，頻率偏低，推測巖體發育垂向小型溶蝕帶；深度大于17m區段反射波能量逐漸增強，多次反射現象明顯，同相軸局部類似雙曲線狀，推測巖體中發育垂向溶蝕通道。

由圖5c—d可見，測線3- 3′于樁號K3+028～K3+034及測線4- 4′于樁號K3+025～K3+028在深度小于4m區段反射波同相軸局部錯斷或呈輕微彎曲狀，推測路基填筑土堆填局部不密實(圖5c- d黑框標注)；測線3- 3′在樁號K3+025.5～K3+027、深度7～15m區域反射波能量較強，多次反射現象較明顯，同相軸類似雙曲線狀，推測巖體中發育溶蝕帶。

此外，四條雷達剖面均未見明顯上下型振幅對比度強的雙曲線狀反射信號，推測探測區段淺部發育大型空洞的概率較小，雷達剖面在地下深度5m附近雷達反射能量普遍較弱，推測為基巖的頂界面。

雷達剖面分析成果表明樁號K3+024～K3+028附近深度大于5m區域可能發育垂向溶蝕通道，溶蝕帶向下發育至30m，垂直道路方向自測線3- 3′起向測線1- 1′一側溶蝕區域逐漸增大，向半重力式路肩擋墻一側逐漸閉合，探測范圍內溶蝕區最大影響寬度約3m(如圖6所示)。深度小于5m區段填筑土局部不密實，但淺部未見大型空腔發育，探測區域基巖面埋深約5m，填筑土厚約4.0m，即覆蓋層厚度約1m。

圖5 探地雷達探測剖面

圖6 推測溶蝕區平面分布示意圖

4 結論

探地雷達可高效探測路基地下巖溶的分布規律，土層與灰巖的電磁波振幅存在一定差異，溶蝕通道雷達異常表現為反射波同相軸呈雙曲線狀、振幅強，有時伴隨一定程度多次反射；不密實土體在雷達剖面中表現為電磁波波形雜亂、振幅強，頻率偏低，同相軸連續性差，但未呈現明顯的雙曲線特征。