地質雷達在貴州某高速公路路基塌陷中的應用

向先旭

(貴州省地質礦產勘查開發局測繪院，貴陽 550018)

隨著國家對基礎建設投資力度不斷的加大，交通建設得到快速發展，尤其是高速公路的發展尤為迅速。但在公路工程建設中，不可避免地會遇到各種路基隱伏病害。路基塌陷是巖溶地區常見的典型病害之一，嚴重影響人們的安全出行和財產損失。因此，路基塌陷的檢測是高速公路質量檢測和運行維護中重點檢測的病害之一。在現有的路基勘察手段中，傳統的有鉆探取芯法和釬探法，這兩種方法優點在于直觀，但是都會給檢測對象造成一定的破損，且相對片面。而常用的物探技術中，高密度電阻率法分辨率較低，淺層地震多波地震映像法對深度確定有較大的誤差，瞬態面波法受干擾影響較大。地質雷達作為近年來發展起來的一門技術，具有速度快、精度高、連續性及無損探測的特點，能夠準確查清覆蓋層厚度、淺層巖溶發育特征、土洞及路基不密實等，被廣泛應用于高速公路勘察中。

本文結合貴州省某高速公路路基工程實例，探討地質雷達在高速公路路基塌陷中的應用。

1 工程概況與地球物理條件

1.1 工程概況

貴州省某高速公路一路段，線路走向246°，設計公路等級為Ⅰ級。場區位于貴州高原腹地，區內地勢起伏較大，地表受剝蝕、溶蝕作用強烈，為剝蝕、溶蝕型低山地貌。路段區內地表未見基巖出露，植被較發育，均為水田。路段穿過一山脊，通車后路面出現塌陷現象。為查明塌陷發育范圍及深度，決定采用地質雷達進行探測。

根據場區工程地質勘察報告，路段區覆蓋層主要有殘、坡積層粉質黏土(Qel+dl)及坡積層(Qel+dl)角礫土。下伏基巖為二疊系上統吳家坪組(P2w)灰巖及志留系中統翁項組(S2w)砂巖。

1.2 地球物理條件

探地雷達向地下介質發射脈沖電磁波，電磁波經過不同介電常數的介質時，反射回來的電磁參數不同。而探地雷達是通過接收到的電磁波參數來判斷地下目標物的，因此需對有關介質的電性參數進行了解分析。由以上地層可知，所測區段主要的地層有粉質黏土、角礫土、灰巖和砂巖。現將各種地層的電性參數經驗值列于表1。

表1 介質相對介電常數、電導率表

從表1中有關電性參數可知，空氣、水、粉質黏土、角礫土、灰巖及砂巖之間存在明顯的電性差異。當路基下存在空洞或不密實等隱患時,其相應部位的電磁波會產生明顯的異常。由于空洞塌陷后，洞內被破碎、松散的堆積物填充。填充物一般較軟，含水量大，對電磁波的吸收作用較強，容易在該介質中產生多次反射形成多次波，記錄道波形相對兩側較強,同相軸不連續。根據上述雷達反射波特點,土洞塌陷形成的松散區域很容易在雷達剖面圖中識別，這為在本區開展地質雷達勘探提供了較好的物性條件。因此，用反映電性差異的地質雷達法勘探，具有較好的地球物理前提。

2 地質雷達探測技術原理

地質雷達進行探測時，向地下發射高頻寬帶脈沖電磁波，由于地下介質具有不均一性，所以電磁波在地下傳播過程中，遇到不同巖性、不同完整程度及不同含水量巖土體時由于電性差異而發生反射。其次，地下介質是一個復雜的濾波器，不同的介質對電磁波吸收程度不同，這使得雷達發射出去的電磁脈沖波在到達接收天線時，綜合了地下不同介質的物理信息。通過解譯電磁波波形、振幅、同相軸和幾何形態，可以推斷介質的結構。

地質雷達波的反射系數計算公式為：

(1)

式中：εi，εi-1分別為上下層的相對介電常數。

顯然，電磁波的反射信號強弱只與介質的相對介電常數有關，上下兩層介質相對介電常數差異越大，雷達波形圖上的異常越明顯。

介質對電磁波的吸收系數計算公式為：

(2)

式中：σ為介質電導率；εi為相對介電常數。

由式(2)可知，各層介質對電磁波的吸收程度與介質的電導率成正比，與相對介電常數成反比。

由于路基底部巖體構成的復雜性及各種介質對電磁波反射和吸收程度的差異，同時受到外界的各種干擾，使得接收天線接收到雷達波后，振幅降低、波形雜亂，難以直接從圖像中識別異常的形態，因此要對接收到的信號進行預處理[2]。在對采集的地質雷達數據進行處理后，可以根據反射波的幅度、波形、強度、旅行時間等判斷路基中的病害類型、空間位置、結構大小、幾何形態等信息。其工作原理見圖1。

圖1 地質雷達探測原理示意圖

3 數據采集、處理及成果分析

3.1 數據采集

本次探測使用的儀器為瑞典瑪拉公司(MALA GEOSCIENCE)生產的RAMAC系列雷達，主機型號ProEx，使用100 MHz屏蔽天線非連續檢測(點測)，間隔0.5 m，工作時窗700 ns，自動疊加，探測深度10～15 m。

根據現場情況，分別布置兩條測線(圖2)：

圖2 雷達測線布置圖

LD1-LD1＇(測線1)，里程樁號：K8+900～K8+995，橫向右5 m；LD2-LD2＇(測線2)，里程樁號：K8+910～K9+005，橫向右10 m。

3.2 數據處理

數據處理包括消除隨機噪聲壓制干擾，改善背景；進行自動時變增益或控制增益以補償介質吸收和抑制雜波，進行濾波處理除去高頻，突出目標體，降低背景噪聲和余振影響。本次數據處理步驟如下：

去除飄移→零線設定→信號增益→背景去除→一維濾波→二維濾波→滑動平均

以上處理步驟并不是適用于每一條雷達測線，實際處理過程中應根據原始數據情況而定。如原始數據異常較為明顯時，盡量減少原始數據的處理，以免造成雷達圖像異常的缺失，應以突出所檢測的異常為最終目的。且因物探在數據解釋中存在多解現象，為了提高雷達數據解釋的準確性，在雷達數據采集時應將可見的對數據解釋可能存在干擾的因素進行詳細記錄，并在數據解釋中給予排除。

3.3 成果分析

測線1的地質雷達成果見圖3。從圖3上可以看出，測線約50 m處有明顯強反射，波形雜亂，同相軸不連續，異常縱向寬度約12 m，底板埋深約8～10 m，推測該異常為塌陷區域。

測線2的地質雷達成果見圖4。此測線約45～50 m之間有明顯異常反射，縱向寬度約5 m，底板埋深約8 m，推測該異常為塌陷區域。

根據現場地質條件及雷達探測顯示，推測該處塌陷異常為地下水侵蝕后形成的土洞塌陷，建議開挖后做塊石土回填，壓實，并做注漿固結處理。

圖3 測線1雷達成果圖

4 結 論

本次高速公路路基檢探測結果表明，地質雷達可以較為準確地預測路基塌陷的影響范圍及深度等，可以為路基工程的綜合治理、加固等建設提供科學有效的依據，極大地減少了公路路基病害造成的經濟損失，且由于地質雷達具有快速、高效、無損的特點，是大范圍公路路基檢測的有效途徑。但是地質雷達檢測也存在局限性，在預測病害的規模上還存在一定偏差，同時易受到電線、金屬物、地形地貌等的影響。為了提高檢測的準確度，可以使用多種頻率天線同時檢測，并采用其他方法加以輔助。