SIR-20多通道透視雷達(dá)在樁基巖溶探測上的應(yīng)用

董戈 羅技明 劉明

(四川省川煤礦山勘測設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司，四川成都 610091)

1 概述

地球物理勘探特指在采場中進(jìn)行的以物性差異為基礎(chǔ)，通過觀測地下地球物理分布變化規(guī)律來解決地質(zhì)問題的一類勘查技術(shù)。從20世紀(jì)50年代蘇聯(lián)將直流電法應(yīng)用于煤礦井下到70年代末期德國、英國等提取并利用槽波的埃里震相探測工作面內(nèi)的地質(zhì)構(gòu)造，經(jīng)過多年發(fā)展，礦井地球物理勘探現(xiàn)在已逐步發(fā)展成為涵蓋了礦井地震勘探、磁法勘探、直流電法勘探、微重力測量、探地雷達(dá)法、無線電波透視法、紅外測溫法和放射性測量等多種方法交織的學(xué)科體系。

巖溶地區(qū)，人工挖孔嵌巖灌注樁的持力層一般選擇中風(fēng)化灰?guī)r，當(dāng)樁端以下3倍樁徑或5 m深度范圍內(nèi)發(fā)育一定規(guī)模的溶洞等不良地質(zhì)現(xiàn)象時(shí)，會(huì)影響樁的承載力，并對(duì)建筑物安全造成威脅。所以混凝土灌注前，就要求查明樁孔一定范圍內(nèi)溶洞、溶蝕區(qū)、節(jié)理裂隙、破碎等不良地質(zhì)現(xiàn)象的分布位置、深度、規(guī)模及填充情況。

對(duì)上述問題傳統(tǒng)的方法是使用鉆孔取芯法，此方法不僅效率低、耗時(shí)久、費(fèi)用高，而且鉆孔只能進(jìn)行點(diǎn)探測。而實(shí)際情況往往是巖溶地區(qū)的地層巖形、裂隙發(fā)育極其復(fù)雜，橫向、縱向變化不一，單一鉆孔很難反映整個(gè)樁基底部的地質(zhì)情況。特別是樁孔挖好后在孔口布設(shè)鉆機(jī)，因鉆孔上部懸空，鉆進(jìn)過程中鉆桿搖擺，施工難度加大，鉆進(jìn)中注水還會(huì)造成孔底積水甚至周圍土體塌陷等不良影響。

當(dāng)前較為簡便的方法是采用地質(zhì)雷達(dá)電磁波剖面法對(duì)樁底進(jìn)行探測，并對(duì)探測資料進(jìn)行解疑，探明樁底以下3倍樁徑或5 m深度內(nèi)巖溶發(fā)育情況。

2 探測區(qū)地球物理特征

探測區(qū)主要地層為第四系堆積層(Q4)、二疊系茅口組(P1m)，并且探測區(qū)內(nèi)有常年性河流流過。河面約寬20 m，枯水期平均水深為0.4 m，流速為 0.3 m/s;洪水期平均水深為 1.9 m，流速為1.5 m/s。多年平均流量10.8 m3/s，在完整巖層中，電磁波在灰?guī)r中的波速為0.12 m/ns，中風(fēng)化灰?guī)r電磁波波速一般為0.1 m/ns～0.11 m/ns。

3 探測儀器及方法

3.1 探測儀器

探測儀器選用的是美國勞雷公司(GSSI)生產(chǎn)的一種高效淺層地球物理探測儀器——SIR-20多通道透視雷達(dá)。其主機(jī)800線/s的掃描速度是目前世界上掃描速度最快的雷達(dá)，支持用戶的快速檢測，測量速度可達(dá)80 km/h，雷達(dá)主機(jī)為多通道雷達(dá)，具有2個(gè)硬通道，4個(gè)軟通道，可同時(shí)接多根天線進(jìn)行測量，提高了使用者的工作效率，同時(shí)主機(jī)中配備的全金屬外殼加固型筆記本計(jì)算機(jī)作為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，在防塵、防潮、防震設(shè)計(jì)上遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于其他同類儀器，大大提高了野外的實(shí)用性和穩(wěn)定性。因其頻帶寬，可適配廠家的16 MHz～2 600 MHz所有天線，功能擴(kuò)展性強(qiáng)，數(shù)據(jù)采集實(shí)時(shí)顯示、處理。本儀器主要應(yīng)用于地質(zhì)與水文地質(zhì)探測，地下埋藏物確定，地下溶洞、壩體中空洞、裂隙調(diào)查，路基、隧道、橋梁無損檢測等，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛。

本次探測選取進(jìn)行探測工作天線為100 MHz低頻天線，探測深度12 m。

3.2 探測方法

探測區(qū)內(nèi)開挖好的樁孔經(jīng)三方人員初步驗(yàn)收后，將透視雷達(dá)的發(fā)射接收天線平行置于樁孔孔底，進(jìn)行十字交叉探測，每個(gè)樁孔進(jìn)行2次以上的重復(fù)采集，保證采集數(shù)據(jù)點(diǎn)位的正確性。

3.3 處理及分析

經(jīng)過透視雷達(dá)軟件處理，可得到橫坐標(biāo)為距離，縱坐標(biāo)為時(shí)間(深度)的樁底電磁波剖面，在數(shù)據(jù)處理過程中有選擇的進(jìn)行濾波、振幅恢復(fù)、降噪、提高信噪比等常規(guī)手段對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到有效數(shù)據(jù)。

將處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，得出在不同介質(zhì)中電磁波的波形特征:

1)完整巖層。

電磁波波形不會(huì)發(fā)生反射，波形比較均一，振幅、波長基本一致。

2)節(jié)理裂隙。

當(dāng)節(jié)理裂隙近水平發(fā)育時(shí)，發(fā)射波同相軸一般連續(xù)，同完整巖層的區(qū)別在于振幅和波長;當(dāng)節(jié)理縱向或不定向發(fā)育時(shí)，發(fā)射波能量發(fā)生變化，連續(xù)性較差。

3)溶洞。

電磁波在溶洞周邊邊界發(fā)生反射，往往形成振幅較強(qiáng)的反射波;當(dāng)溶洞填充碎石塊時(shí)，波形表現(xiàn)為振幅增強(qiáng)、波形雜亂;當(dāng)溶洞填充粘土?xí)r，表現(xiàn)為電磁波減弱或消失，因?yàn)檎惩翆?duì)電磁波有極強(qiáng)的吸收效果。

4 工程應(yīng)用及結(jié)果對(duì)比

筠連川煤芙蓉水泥廠位于宜賓市筠連縣，水泥廠工業(yè)廣場建筑基礎(chǔ)采用人工挖孔灌注樁(樁徑1m～2m)，樁端持力層為中風(fēng)化灰?guī)r，地層為二疊系茅口組(P1m)。探測要求探明樁底以下5 m深度范圍內(nèi)是否存在溶洞、裂隙等不良地質(zhì)現(xiàn)象。在探測過程中，發(fā)現(xiàn)底部存在溶洞等不良地質(zhì)條件的樁孔，進(jìn)行下挖處理，直到異常消失為止。

圖1為筠連川煤芙蓉水泥廠窯尾4號(hào)樁樁底所測的透視雷達(dá)成果圖，圖像反映在深度2.5 m，9.3 m存在兩處異常。在深度2.5 m處，反射波被吸收，能量變?nèi)?在深度9.3 m處，波形雜亂，均為溶洞。

表1中有施工方為了驗(yàn)證探測成果而施工的鉆孔柱狀圖，從實(shí)際鉆探結(jié)果來看，在深度為2.5 m～3.7 m處有溶洞，由流塑狀粘土和灰?guī)r碎石填充;在深度為9.3 m～11.8 m處有溶洞，由流塑狀粘土和灰?guī)r碎石填充。鉆探結(jié)果與透視雷達(dá)探測成果一致。

圖1 窯尾4號(hào)樁基坑實(shí)際探測成果

表1 探溶工程勘察表

5 經(jīng)濟(jì)及效率對(duì)比

1)使用透視雷達(dá)探測單個(gè)樁基坑收費(fèi)數(shù)百元，而使用工程鉆探成本較高，約220元/m，窯尾4號(hào)樁基坑鉆探深度25.2 m，費(fèi)用約為5 324元，是采用地質(zhì)雷達(dá)費(fèi)用的數(shù)倍。

2)使用透視雷達(dá)進(jìn)行探測，當(dāng)天就可以將探測成果提供給施工方，方便施工方及時(shí)進(jìn)行處理;進(jìn)行鉆探施工時(shí)，施工進(jìn)度慢，窯尾4號(hào)樁鉆探施工時(shí)間為4 d。同時(shí)，由于鉆進(jìn)過程中注水，造成溶洞填充物形成泥漿狀填充，給二次施工下挖樁孔造成嚴(yán)重影響。

6 結(jié)語

SIR-20多通道透視雷達(dá)以其高效快速、高精度在護(hù)險(xiǎn)工程探測中能夠發(fā)揮重要作用，取得了良好的應(yīng)用效果，且對(duì)淺層或超淺層的工程探測中有著十分廣闊的應(yīng)用前景。然而SIR-20多通道透視雷達(dá)的探測深度和精度與所采用的天線頻率有很大關(guān)系，天線的頻率越低探測深度越大，則精度越低;而天線的頻率越高，探測深度越淺，則精度越高。

實(shí)踐證明，在工程勘察方面，SIR-20多通道透視雷達(dá)對(duì)比鉆探而言具有成本低、效率高、精確度準(zhǔn)、速度快等特點(diǎn)。同時(shí)透視雷達(dá)的探測方式為剖面探測，相對(duì)于鉆探的點(diǎn)探測來說探測成果要全面。

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