探地雷達(dá)在高速公路巖溶路基勘察中的應(yīng)用分析

（貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司 貴州貴陽(yáng) 550001）

探地雷達(dá)在高速公路巖溶路基勘察中的應(yīng)用分析

李明智 胡成江 龍 斌

（貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司 貴州貴陽(yáng) 550001）

巖溶是高速公路修建中常見的地質(zhì)問(wèn)題，探測(cè)出巖溶的深度與位置是防范巖溶危害的前提。探地雷達(dá)是一種高效、高分辨率的物探方法，本文以貴遵高速擴(kuò)容工程為例，論述探地雷達(dá)在可溶巖挖方路基勘察的應(yīng)用，為后續(xù)工作提供參考，得到結(jié)論如下：雷達(dá)能較為有效的探測(cè)出巖體破碎、裂隙與溶洞發(fā)育范圍與埋深。

探地雷達(dá)；巖溶；路基

巖溶地區(qū)在我國(guó)分布廣泛，總面積約占我國(guó)國(guó)土面積的三分之一。碳酸鹽在水的侵蝕下，常形成裂隙、溶洞，造成諸如礦坑突水、隧道涌水、隧道泥石流和巖溶塌陷等地質(zhì)問(wèn)題。貴州地區(qū)碳酸鹽巖覆蓋達(dá)80%[1]，是高速公路修建過(guò)程中一種最為常見的地質(zhì)問(wèn)題，探測(cè)出巖溶的發(fā)育范圍與埋深，是防止巖溶危害的重點(diǎn)與難點(diǎn)。

探地雷達(dá)（GPR），又名地質(zhì)雷達(dá)，它是通過(guò)向探測(cè)目標(biāo)體下方發(fā)射高頻電磁波束（106～109HZ），并接收來(lái)自地下介質(zhì)界面的反射波，依據(jù)地下不同介質(zhì)的電磁性質(zhì)差異，探測(cè)地下介質(zhì)分布的地球物理勘探技術(shù)，具有高效、高精度等優(yōu)點(diǎn)[2]。若路基下方無(wú)異常時(shí)，雷達(dá)同相軸與波場(chǎng)能量均較連續(xù)，穩(wěn)定；當(dāng)路基下方存在溶洞或裂隙、破碎時(shí)，無(wú)論溶洞或裂隙是否含有填充物，其介電常數(shù)均與完整的圍巖均有較大的差異，在異常界面會(huì)引起較強(qiáng)的反射波，通過(guò)分析反射波的同相軸、形態(tài)、頻率等特征，即可了解地下異常情況[3,4]。

1 工區(qū)地質(zhì)與地球物理情況

1.1區(qū)域地質(zhì)情況

場(chǎng)區(qū)屬揚(yáng)子準(zhǔn)臺(tái)地－黔北臺(tái)隆－遵義斷拱－鳳崗北北東向構(gòu)造變形區(qū)。場(chǎng)區(qū)無(wú)大型構(gòu)造通過(guò)，巖層單斜產(chǎn)出，巖層綜合產(chǎn)狀109°∠11°。

場(chǎng)區(qū)巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，節(jié)理主要有J1：125°∠75°，J2：224°∠62°兩組，節(jié)理間距200～400mm，內(nèi)部無(wú)充填物。中風(fēng)化層內(nèi)節(jié)理面較為平滑，多呈閉合狀；強(qiáng)風(fēng)化層中節(jié)理裂隙多呈張開狀，局部見粘土及碎石充填，無(wú)膠結(jié)，結(jié)合差，巖體被節(jié)理裂隙切割成塊狀、碎塊狀。

1.2地球物理?xiàng)l件

場(chǎng)區(qū)為挖方路基，路基平整，無(wú)覆蓋層，基巖為寒武系上中統(tǒng)婁山關(guān)群白云巖。

根據(jù)測(cè)區(qū)野外巖土體主要物理量測(cè)量結(jié)果，測(cè)區(qū)主要巖土層的相關(guān)地球物理參數(shù)如表1。由表1可以看出：當(dāng)溶洞、裂隙、破碎帶無(wú)填充時(shí)，基巖與空氣的介電常數(shù)差異引起的電磁波反射率約為48%；當(dāng)溶洞、裂隙、破碎帶填充了泥土?xí)r，受含水量的不同，泥土的介電常數(shù)有較大的波動(dòng)，貴州地區(qū)降水豐富，泥土含水量較高，電磁波在界面上反射率往往也在30%以上。因此，地下異常對(duì)于電磁波而言是強(qiáng)反射界面，這為我們通過(guò)研究反射電磁波的特征獲得溶洞的信息提供了物理?xiàng)l件。

表1 場(chǎng)區(qū)巖土體介電常數(shù)表

2 探地雷達(dá)法基本原理

地質(zhì)雷達(dá)是利用超高頻脈沖電磁（106～109Hz）波探測(cè)介質(zhì)分布的一種地球物理勘探儀器。它由發(fā)射天線、接收天線、信號(hào)接收系統(tǒng)和處理系統(tǒng)等組成。發(fā)射天線向目標(biāo)物體內(nèi)發(fā)射高頻電磁波，當(dāng)電磁波到達(dá)檢測(cè)體中兩種不同介質(zhì)分界面時(shí)（如巖層界面、溶洞等），由于上下介質(zhì)的介電常數(shù)不同而使電磁波發(fā)生發(fā)射和透射，且入射波、反射波和透射波的傳播規(guī)律遵循反射定律和透射定律。電磁波在介質(zhì)界面產(chǎn)生反射就是因?yàn)閮蓚?cè)介質(zhì)的介電常數(shù)不同，差異越大反射信號(hào)越強(qiáng)烈，反之反射信號(hào)越弱[5,6]。地質(zhì)雷達(dá)波傳播示意圖如圖1所示。

反射信號(hào)的強(qiáng)度R用下式表示：

圖1 探地雷達(dá)波傳播示意圖

反射回的電磁波由接收天線所接收并傳送到主機(jī)放大和初步處理，最后信號(hào)存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中，作為野外采集的原始數(shù)據(jù)。然后在室內(nèi)把野外采集的原始數(shù)據(jù)通過(guò)濾波等相應(yīng)的處理，得到雷達(dá)時(shí)間剖面圖，通過(guò)波速校正，可以轉(zhuǎn)換為深度剖面。最后根據(jù)波形特征分析存在的缺陷和目標(biāo)物的類型。

檢測(cè)深度h按下式計(jì)算：

其中v為波速（cm/ns），t為雙程時(shí)間(ns)。電磁脈沖波旅行的行程方程為：

其中，t為旅行時(shí)間；z為目標(biāo)體的深度；x為收發(fā)距；v電磁波在介質(zhì)中的傳播速度。

電磁波在介質(zhì)中的傳播速度可以用下式表示：

3 數(shù)據(jù)采集與分析

3.1數(shù)據(jù)采集

雷達(dá)探測(cè)第一步為數(shù)據(jù)采集，采集到質(zhì)量良好的數(shù)據(jù)是后續(xù)工作的基礎(chǔ)。根據(jù)業(yè)主的深度要求以及工區(qū)環(huán)境干擾較多，本文采用200MHZ屏蔽天線，有效探測(cè)深度約6m左右。在兼顧效果與數(shù)據(jù)的前提下，觸發(fā)方式采用時(shí)間觸發(fā)，采樣點(diǎn)數(shù)1024，測(cè)量時(shí)窗160ns，采集頻率100KHz，保持勻速前進(jìn)，間隔5m打標(biāo)，將所有標(biāo)記點(diǎn)使用gps-rtk采集坐標(biāo)，即保證了異常位置定位的準(zhǔn)確，又能獲得大量的數(shù)據(jù)，便于分析。路面全寬約30m，測(cè)線間隔為2~3米，共布置了11條測(cè)線，分別命名為L(zhǎng)D1～LD1’至LD11～LD11’，測(cè)線布置圖見圖2。

圖2 雷達(dá)測(cè)線布置圖

3.2數(shù)據(jù)處理

雷達(dá)數(shù)據(jù)受來(lái)自空中的和地下的隨機(jī)或規(guī)則的干擾，加上地下介質(zhì)對(duì)電磁波的吸收和反射導(dǎo)致深部信息不明顯，信噪比較低，因此要對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚硪詨褐聘鞣N干擾來(lái)提高雷達(dá)剖面的信噪比及分辨率。

本文的雷達(dá)數(shù)據(jù)處理主要分為以下幾個(gè)步驟：

1) 飄移去除，去除天線和地面的耦合不一致或者儀器內(nèi)部初至延遲的不穩(wěn)定；

2) 零線設(shè)定，設(shè)置剖面的起始時(shí)間；

3) 信號(hào)增益，對(duì)深部信息進(jìn)行放大，將深部信息與淺部信息進(jìn)行能量均衡，增強(qiáng)弱信號(hào)的顯示；

4) 背景去除，去除剖面的背景噪聲；

5) 一維濾波，通過(guò)頻譜分析，壓制干擾信號(hào)；

6) 二維濾波，平滑數(shù)據(jù)，提高圖像質(zhì)量；

7) 希爾伯特變換，通過(guò)變換獲得瞬時(shí)振幅，瞬時(shí)頻率，瞬時(shí)相位，進(jìn)一步分析異常。

雷達(dá)信號(hào)處理無(wú)固定的流程，以突出異常為主，處理方式多樣，以上為本文的雷達(dá)圖像處理步驟。

3.3成果分析

本次探測(cè)的工區(qū)巖性為白云巖，巖溶較為發(fā)育，為確保路基安全，現(xiàn)使用探地雷達(dá)探測(cè)路基下方巖溶發(fā)育情況，圖3為本次探測(cè)的出現(xiàn)明顯異常的雷達(dá)成果圖。現(xiàn)將雷達(dá)成果解釋如下：

LD1～LD1’線：如圖3（a）所示，測(cè)線范圍內(nèi)存在三處異常，其中異常①位于異常1位于K66+543.5段左14m～K66+547段左14m，深約5.1～6.4m，異常呈弧形，反射能量較強(qiáng)，推測(cè)為裂隙反射引起；異常②位于K66+549段左14m～K66+552.5段左14m，頂面埋深約5.8m，異常呈弧形，反射能量強(qiáng)，存在多次反射，推測(cè)為小型空洞；異常③位于K66+572段左14m～K66+576段左14m，深約1.1～2.6，雷達(dá)同相軸出現(xiàn)上凸并斷開跡象，推測(cè)此處存在巖溶裂隙發(fā)育。

LD9～LD9'：測(cè)線范圍內(nèi)存在一處明顯異常，位于K66+563段右9m～K66+568.5段右9m附近，頂面埋深約3.5m，出現(xiàn)弧形強(qiáng)反射，推測(cè)該位置存在溶洞。

LD10～LD10'：測(cè)線范圍內(nèi)存在兩處范圍較大的異常，異常1位于K66+565段右11.5m～K66+574段右11.5m附近，深約1.4～7.4m，雷達(dá)波形同相軸雜亂，反射能量較強(qiáng)，推測(cè)為節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎；異常2位于K66+585段右11.5m～K66+592段右12m附近，深度約2.5～6.4m，異常呈弧形，能量較強(qiáng)，推測(cè)為巖溶裂隙發(fā)育，可能存在溶洞。

LD11～LD11'：測(cè)線范圍內(nèi)存在一明顯異常，位于K66+565.5段右14m～K66+574段右14m附近，深約2～7.4m，雷達(dá)同相軸散亂，推測(cè)為巖體破碎，裂隙發(fā)育，其中K66+569段深約4.4m存在弧形強(qiáng)反射，推測(cè)存在溶洞。

圖3 雷達(dá)成果解釋圖

4 結(jié)論

本次物探工作通過(guò)使用探地雷達(dá)對(duì)白云巖地區(qū)挖方路基進(jìn)行巖溶勘察，取得了良好的效果，得到結(jié)論如下：

（1）探地雷達(dá)對(duì)溶洞有較強(qiáng)的反應(yīng)，由于空洞或填充溶洞介電常數(shù)與基巖存在較大的差異，溶洞界面通常會(huì)引起探地雷達(dá)數(shù)據(jù)出現(xiàn)弧形強(qiáng)反射，但由于多次反射的存在，探地雷達(dá)對(duì)溶底界面的探測(cè)尚需進(jìn)一步的研究；

（2）裂隙發(fā)育、巖體破碎等現(xiàn)象會(huì)引起雷達(dá)同相軸散亂，同相軸不連續(xù)，反射能量較強(qiáng)等現(xiàn)象，通過(guò)這些現(xiàn)象能大致對(duì)巖體的完整性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

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1007-6344（2017）06-0046-02