探地雷達在高速公路巖溶路基勘察中的應用

馬強 王彥琪

（遵義水利水電勘測設計研究院 貴州遵義 563000）

0 引言

近年來，貴州省各項事業發展迅速，尤其是在高速公路建設方面，貴州一躍成為了“領頭羊”“排頭兵”。各地新建、擴建高速公路，實現了縣縣通高速，給當地帶來了巨大的經濟效益與社會效益。然而，由于貴州位于西南喀斯特的斜坡和腹心地帶，巖溶十分發育。在這些工程建設過程中，常常會遇到巖溶塌陷、突水、突泥等現象，給現場施工帶來了嚴重影響，甚至威脅到人的生命財產安全。因此，查明這些巖溶的位置、埋深、分布情況等特征，對整個工程的建設至關重要。

1 方法原理

探地雷達是利用探測目標體與周圍介質的導電性、介電性的差異，通過高頻脈沖電磁波（106～109Hz）在電性界面上的反射來探測有關的目標體［1-2］。電磁波在傳播過程中，其傳播路徑、電磁場強度、波形特征將隨著所通過介質的電學性質、幾何形狀而變化。故通過時域波形的處理和分析，可確定地下界面或目標體的空間位置及地下介質的結構［3-4］，見圖1。

圖1 探地雷達剖面記錄示意圖

2 應用實例

2.1 工程概況

重遵復線高速公路K73+100～K73+550 段挖方路基位于板橋鎮柏楊村，路線走向方位角143°左右。路線沿山間斜坡而建設，呈直線展布。路基西側高邊坡在開挖時，揭露一處小型溶洞，溶洞規模1.5 m×1.0 m。該溶洞正處于路基上緣坡腳某處，距離路基較近。為了保證施工和運行安全，需要進一步查明路基下方巖溶發育情況。

本次工作采用探地雷達法查明路基下方淺部（10 m 以內）的巖溶分布及發育情況。根據現場地形地質條件，布設5 條探地雷達剖面，分別編號為L1、L2、L3、L4、L5，見圖2。

圖2 探地雷達測線布置示意圖

2.2 地球物理特征

路基區覆蓋層由第四系（Q4）碎石、含礫粉質粘土組成；下伏基巖為二疊系上統龍潭組（P3l）灰巖。完整灰巖與目標體（溶洞、裂隙、破碎帶）之間介電常數不同，存在明顯的電性差異。電磁波在傳播過程中，其傳播路徑、電磁場強度、波形特征等將隨所通過介質的電學性質、幾何形狀而變化。因此，可以根據接收到的電磁波的波形特征，識別出目標體的深度、規模、形狀等信息。

常見的異常判斷特征如下：①溶洞：電磁波反射信號幅值較強，呈典型的孤立體相位特征，通常為規整或非規整的雙曲線波形特征，三振相明顯，在其下部仍有強反射界面信號；②裂隙：電磁波信號同相軸斷開呈尖波狀或斜向帶狀發育，信號幅值較強；③破碎帶：電磁波反射信號幅值較強，同相軸雜亂無章，雷達波形頻率較低［5-10］。

2.3 儀器參數設置

本次工作選用瑞典MALA 公司的Pro EX 主機和250 MHz的屏蔽天線，探測深度一般為5 m～10 m，主要用于中深部的管線探測、不明物體及空洞探測，壩體質量和鐵路公路路基檢測等。數據采集過程中使用Ground Vision 軟件實時成像和監測。采集參數詳見表1。

表1 剖面采集參數設置表

2.4 資料處理與解釋

（1）數據處理。探地雷達資料處理的目的是為了壓制干擾。采集的數據經過信號校正、信號增益、濾波、偏移成像等步驟，最終得到清晰的雷達圖像。根據雷達圖像中反射波組的波形與強度特征，追蹤同相軸，以此確定反射波組的地質含義。

（2）資料解釋。5 條測線數據采集質量較高，經過資料處理，發現僅L2-L2＇、L5-L5＇ 兩條測線出現明顯的異常，其余測線均未發現明顯異常。現就此兩條測線做詳細的地質解釋。

L2-L2＇ 測線長約48 m，方位角139°。根據圖3 所示，距離測線起點位置22 m～26 m，埋深約4.0 m～7.5 m 處，存在一處異常。該異常區域電磁波組反射強烈，同相軸錯斷雜亂，根據周圍地質情況，推斷為巖溶發育。

圖3 L2-L2＇ 剖面探地雷達成果圖

L5-L5＇ 測線長約48 m，方位角139°，根據圖4 所示，距離測線起點位置20 m～25 m，埋深約3.0 m～6.5 m 處，存在一處異常。該異常區域電磁波組反射強烈，同相軸錯斷雜亂，根據周圍地質情況，推斷為巖溶發育。

圖4 L5-L5＇ 剖面探地雷達成果圖

2.5 異常驗證

為了進一步查明與證實地下巖溶發育的深度、規模等信息，采用現場開挖的方式對本次物探異常進行驗證（見圖5）。通過現場開挖，在兩處物探異常的位置均揭露出溶洞，與物探推測結果一直，溶洞的規模、深度與探測結果基本吻合。根據開挖情況，對溶洞進行了相應的工程處理。

圖5 現場開挖驗證

3 結論

通過上述實地應用及現場開挖情況，證實了探地雷達在巖溶路基勘察中的有效性，經過研究分析，總結出4 點經驗與建議。

（1）探地雷達對溶洞的反映較為靈敏，在淺部的巖溶勘察中往往能取得較好的效果。

（2）由于地下溶洞的形態各異，探地雷達反映的異常形態也不盡相同，但都表現出反射波組強烈、同相軸雜亂等特征。

（3）探地雷達數據采集效率高，操作輕便，適合淺地表巖溶勘察。對于較大深度的勘察，建議使用其他物探方法。如：高密度電法、淺層地震法等。

（4）對于推斷的異常應加強驗證，以便利用驗證資料進一步指導物探的解釋工作。