探地雷達(dá)在地道探測中的應(yīng)用

趙忠海

（北京市地質(zhì)研究所，北京100120）

探地雷達(dá)（ground penetrating radar，簡稱GPR）是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來的一種用于確定地下介質(zhì)分布的廣譜電磁法，具有探測效率高、對(duì)探測場地和目標(biāo)無破壞性、有較高的分辨率及較強(qiáng)的抗干擾能力等特點(diǎn)，隨著信號(hào)處理技術(shù)和電子技術(shù)的發(fā)展，探地雷達(dá)技術(shù)不斷發(fā)展，應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于工程地質(zhì)勘察、水文地質(zhì)調(diào)查、地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查、工程病害檢測以及地道、防空洞等人防工程探測等眾多領(lǐng)域。本文在北京順義地區(qū)地道塌陷災(zāi)害隱患勘查工作基礎(chǔ)上，結(jié)合工程實(shí)例，著重介紹了探地雷達(dá)在地道探測方面的應(yīng)用。

1 探地雷達(dá)的探測原理

探地雷達(dá)是一種用于確定地下介質(zhì)分布的廣譜電磁技術(shù)，雷達(dá)通過發(fā)射天線（T）向介質(zhì)中發(fā)射高頻（106～109Hz）、寬頻帶電磁波，經(jīng)介質(zhì)中的分層界面或目標(biāo)的反射界面產(chǎn)生反射回波信號(hào)，由接收天線（R）接收并數(shù)據(jù)化（圖1）。由于電磁波在介質(zhì)中傳播時(shí)的路徑、強(qiáng)度與波形均隨介質(zhì)的電性特征及幾何形態(tài)的變化而變化，故可根據(jù)接收到的電磁波的走時(shí)（雙程）、幅度以及波形等數(shù)據(jù)，來推斷介質(zhì)的結(jié)構(gòu)特征及目標(biāo)的幾何形態(tài)等［1]。

由圖1所示，反射界面或目標(biāo)的深度位置為：

式中，x為天線間距；v為電磁波在不同介質(zhì)中的傳播速度（表1）；t為電磁波雙向傳播時(shí)間。

圖1 探地雷達(dá)探測原理示意圖Fig.1 Detection principle of GP Radar

表1 電磁波在介質(zhì)中的傳播參數(shù)表Table 1 Transmission parameters of electro magnetic waves

除此之外，反射界面或目標(biāo)的深度位置也可以通過下式求得：

式中，v為電磁波在真空中的傳播速度；εr為介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)；t為電磁波雙向傳播時(shí)間［2]。

2 探地雷達(dá)用于地道探測的可行性

探地雷達(dá)探測技術(shù)屬于應(yīng)用地球物理范疇。能否有效地應(yīng)用地球物理勘查方法解決地質(zhì)問題，關(guān)鍵取決于該方法的地球物理前提存在與否，即所要探測的目標(biāo)與其周圍的介質(zhì)是否具有明顯的地球物理物性差異。物性差異愈大，界面反映愈明顯，探測效果愈好。

順義地區(qū)的地道主要修建于20世紀(jì)40年代初的抗日戰(zhàn)爭時(shí)期和60年代末的全國戰(zhàn)備運(yùn)動(dòng)時(shí)期，地道的頂?shù)拙嗟乇淼穆裆罹容^淺，頂深多為1.8～2.5 m，底深多為3.0～4.5 m。由于年代久遠(yuǎn)，加之人類活動(dòng)影響強(qiáng)烈，許多地道均發(fā)生了不同程度的垮塌破壞，地下空間得到了不同程度的充填。但由于有些地道并沒有完全填滿，加之充填物的物質(zhì)成分及密實(shí)程度與其周圍介質(zhì)有很大的不同，故地道邊界兩側(cè)介質(zhì)的物性差異很大，致使電磁波穿過該界面時(shí)的反射能量發(fā)生增減、波形幅值出現(xiàn)明顯變化，據(jù)此可解譯出該界面的準(zhǔn)確位置及大致形態(tài)等相關(guān)信息，因此認(rèn)為，探地雷達(dá)用于地道探測是可行的。并且由于使用了高頻、寬頻帶、短脈沖及高速采樣等技術(shù)，其探測精度及速度均高于其他物探手段。

3 探地雷達(dá)在地道探測的應(yīng)用

本次探測使用加拿大pulse ＆software公司生產(chǎn)的pulse EKKO Pr o型探地雷達(dá)，采用100 MHz天線，探測點(diǎn)間距0.2 m，天線間距1.0 m。

采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)偏移校正、濾波及反演處理后，提取電磁波異常反應(yīng)。探測工作表明，區(qū)內(nèi)地道的異常反應(yīng)主要表現(xiàn)為電磁波同線軸錯(cuò)動(dòng)、反射波波幅增強(qiáng)以及在地道位置形成圓拱形異常等特征。此外，有些已塌陷充填的地道，其反射波呈現(xiàn)出漏斗狀異常。

圖2為山里辛莊附近某地道的探測圖像與槽探剖面對(duì)照?qǐng)D。從中可以看出，在測線2.0～3.5 m、深2.4～3.0 m處的電磁反射波明顯增強(qiáng)，且同相軸在此處產(chǎn)生錯(cuò)斷，推斷為地道異常。經(jīng)槽探開挖證明，解譯結(jié)果準(zhǔn)確（圖3）。經(jīng)實(shí)際測量，地道的頂?shù)茁裆罘謩e為2.5 m和3.8 m，邊界較為明顯。

圖2 山里辛莊地道的雷達(dá)圖像與槽探剖面Fig.2 GPR image and costeaning section for Shanlixinzhuang Tunnel

圖3 山里辛莊地道開挖結(jié)果Fig.3 Excavation of Shanlixinzhuang Tunnel

圖4為七連莊附近某地道的探測圖像與鉆孔剖面對(duì)照?qǐng)D。從中可以看出，在測線36～39 m、深3.0～5.0 m處的電磁反射波的波幅突然增強(qiáng)，與周圍反射波形成鮮明對(duì)比，波形表現(xiàn)出圓拱形異常特征，且同相軸在此處產(chǎn)生錯(cuò)斷，推測為地道異常。經(jīng)鉆探驗(yàn)證，解譯結(jié)果準(zhǔn)確。根據(jù)鉆探結(jié)果，在距地表2.9 m處存在空洞，空洞的頂?shù)组g距為2.1 m［3]。

圖4 七連莊地道的雷達(dá)圖像與鉆孔剖面Fig.4 GPR image and drilling section of Qilianzhuang Tunnel

4 結(jié)語

探地雷達(dá)作為一種快速、高效和經(jīng)濟(jì)的高新探測技術(shù)，在工程地質(zhì)勘察、水文地質(zhì)調(diào)查、地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查、工程病害檢測以及其他領(lǐng)域的作用日益顯著，從文中的應(yīng)用實(shí)例看，該技術(shù)手段在地道、防空洞等人防工程探測方面的應(yīng)用也具有較明顯的效果。在某些受施工場地、建筑結(jié)構(gòu)物等條件限制的情況下，探地雷達(dá)以其無損、快速、準(zhǔn)確的特點(diǎn)，較鉆探、槽探等技術(shù)手段更具優(yōu)勢。隨著對(duì)電磁波研究的日益深入，該技術(shù)方法將會(huì)進(jìn)一步完善，其應(yīng)用范圍也會(huì)越來越廣。

［1]王國群.探地雷達(dá)技術(shù)在堤壩工程中的應(yīng)用［J].江蘇地質(zhì)，2000，24（2）：101－104.

［2]徐宏武，邵雁，等.探地雷達(dá)技術(shù)及其探測的應(yīng)用［J].巖土工程技術(shù)，2005，19（4）：191－194.

［3]北京市地質(zhì)研究所.北京順義龍灣屯鎮(zhèn)地道塌陷災(zāi)害隱患勘查報(bào)告［R].北京市地質(zhì)研究所，2012.