地質雷達在地面沉降探測中的應用

鄢油纖，叢沛桐，侯劍山

(華南農業大學水利與土木工程學院，廣東 廣州 510000)

0 引言

地質雷達是一種物探技術，20世紀60年代已有對冰川的無線回聲探測[1]，90年代后，地質雷達在各個專業技術領域中普遍應用，如大壩安全鑒定、地層分布探查、管線檢測、地災勘查、公路無損檢測、地下巖溶探測、土壤含水率檢測、水土流失等[2-3]。正因為應用的廣泛性，使得地質雷達具有較高價值，也進一步推動地質雷達的發展。

1 地質雷達工作原理

地質雷達應用的是電磁波脈沖法[4]，手推裝載移動的過程中發射天線T向地下發射一定中心頻率的電磁波，電磁波在地下介質中傳播，遇到不同介質目標體時發生折射和反射，接收天線R接收地下介質反射的波信號，反射的電磁波信號由光纖傳輸到雷達主機，轉變成時間序列信號[5-6]；測線上各個測點的波形時間序列，構成地質雷達探測剖面，見圖1。地質雷達探測時普遍納用剖面法，即收發天線垂直于測線方向沿著布置的測線以固定步距移動，從起點開始，每移動一次天線便發射和接收一次波信號，完成每條測線的探測后，在地質雷達的主機上便顯示出在此測線的剖面圖像，見圖2。

圖1 地質雷達原理示意圖

圖2 地質雷達雙程走時圖

地下介質中傳播的電磁波，經過剖析和計算波在地下各個介質中雙程走時與傳播速度，來確定目標體的埋藏深度[7]。根據地面反射與目標體或分界面反射的時間差Δt，即可計算出其埋藏深度H，即：

式中：H為目標埋藏深度；Δt為地面反射與目標反射的時間差；v為電磁波傳播速度；x為發射、接收天線間的中心間隔。

2 應用實例分析

2.1 工程概況

該建筑工程場區位于廣州市永和開發區斗塘路，占地面積為57438 m2，建筑物為1～3層廠房、辦公樓等，地質較復雜，在勘察深度范圍內，場區內地層按成因可分為人工填土層、沖積層、坡積層、殘積層、燕山期花崗巖。局部存在軟塑狀粉質粘土等軟弱層，屬二級場地。巖土種類較多，不均勻，性質差異較大，屬中等復雜地基。

2.2 目的與要求

探測檢查與發生地面沉降有關的松散土體、裂縫、空洞和地下填筑材料有介電常數差異的目標體等。根據電磁波信號的分布情況、圖像波形、背景值等，將所探測目標體進行分類，找出發生沉降的不同原因點，為后期是否需要加固等提供工程地質依據。

2.3 探測設備

2.3.1 天線頻率選擇

此次的探測目標深度范圍在9.9 m以內。因而探測采用的是加拿大EKKO雷達，天線頻率選擇100M分離式天線。

2.3.2 參數設置

(1)系統最大特征參數：186 dB，天線相同頻率下，探測深度最深；(2)接收靈敏度：1.5 μV，此時地質雷達靈敏度最高；(3)采樣間隔：0.8 ns；(4)采樣率：100 GHz；(5)每道采樣點數：10～31000；(6)脈沖重復頻率：100 kHz；(7)環境尺度標準：IP66，在-50℃～50℃的溫度范疇可正常使用；(8)可編程序時窗：500 ps～200000 ns；(9)發射電壓：FCC、400 V、1000 V；(10)A/D：16bit；(11)整體分離式天線，測量形式可多種多樣(CMP、反射法、透視)。

2.4 測線布置

本次探測路況見圖3，路線位置見圖4，探測長度分別為15 m左右、40 m左右、50 m左右、70 m左右、100 m左右。測線布置(來回布置)：從起點至終點，每15 m～100 m左右布置一道測線，共22道測線。對需要探測目標劃分22個探測斷面，編號分別為#1、#2、#3…、#22。

圖3 探測區范圍平面圖

圖4 地質雷達測線布置圖

2.5 圖像波形特征

當探測地下范圍內無問題存在時，雷達波形圖的主要特點在于反射波的同相軸連續性好，無交叉、變位錯動、缺失和振幅值的差異變動。當探測地下范圍內存在問題時，反射波同相軸的連續性會變化，反射波會呈現強弱變化和錯斷等特征，結合鉆孔資料來識別地下隱患、解釋地質剖面。不同土層的波場特征如下：(1)雜填土：雷達主機上呈現的反射波雜亂無序；(2)密實土：雷達主機上顯示的反射波信號較弱，波形勻稱，甚至界面沒有反射信號；(3)地下脫空：雷達主機上呈現的反射波信號較強，普遍呈近似水平的帶狀分布，有多次反射波信號；(4)不密實破碎土：接收天線接收的反射波信號幅值較強，在雷達主機上波形圖像呈現同相軸錯斷、不連續、雜亂、區域化狀態分布；(5)孔洞：雷達主機上呈現的反射波信號幅值較強，典型特點在于孤立體相位，三振相明顯，通常特征為規整或非規整的雙曲線波形，其下部仍有強反射波信號；(6)高含水：有幅值較強的反射波信號，基本以低頻為主；(7)裂縫：波信號同相軸斷開，其分布形式為斜向帶狀或尖波狀，信號波幅值較強。

2.6 探測結論

本次探測應用地質雷達實現測線22條，合計長度約為1304 m。測線部分雷達圖像見圖5～圖9。

圖5 測線4解譯后雷達圖像

圖7 測線6解譯后雷達圖像

圖8 測線8解譯后雷達圖像

圖9 測線10解譯后雷達圖像

經綜合分析和推斷解釋可得如下結論：

(1)雷達波形特征按淺部和深部描述淺部：測線部分位置反射波波幅變化劇烈，同相軸連續，局部區域同相軸錯動，結合鉆孔料分析，表明淺部回填土疏松，測試期間土壤含水量在地下不同部位有差異，應為雨后土壤水分滯留的反映。

(2)圖層雷達影像表明測線#4、#5、#8、#10處(圖5、圖6、圖8、圖9)可能存在土壤不密實情況，測線#6處(見圖7)存在高含水情況，其他測線未發現有隱患地帶。不密實隱患因其充填介質雜亂、不均勻、介電常數差異大，地質雷達電磁波在其填筑不密實的縫隙常常產生繞射、散射、波形雜亂。高含水率缺陷普遍分布連續，反射波同相軸連續性好，波形相對較均一，因而含水率高缺陷的圖像特征為多次震蕩反射，振幅較大，同相軸連續。雷達探測有效范圍內均無明顯的錯動帶。

(3)地質雷達探測未發現有明顯空洞、孤石等不利埋藏物，僅有排水管道以及金屬管線。因本次只分析地面沉降原因，排水管道以及金屬管線影響不大，因此不對排水管道和金屬管線波形圖像特征做進一步的分析。

(4)造成地面不均勻沉降原因主要是局部土層不密實，長期重力作用，導致地面下陷；地下水流失，地下水屬孔隙潛水類型，含水層主要為透鏡狀砂土層，屬中～強透水層，賦水性較好，地下水動態主要受季節性氣象因素影響，補給主要來源于大氣降雨，水量隨季節變化，地下水流失嚴重，導致地基不均勻沉降造成地面下陷。

3 結語

基于地質雷達方法，可有效探測地面沉降，同時又能檢測出地面沉降，是一種高效率的方法，但地質雷達法也存在多解性的問題，需要有經驗的操作人員，和探測區域的地勘自資料相結合，才能更好的發揮地質雷達法的優點。