地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)在巖土工程勘察中的應(yīng)用

李可丁

摘 要：在我國安徽省沿江地區(qū)，有溶巖發(fā)育完善石灰?guī)r分布廣泛的區(qū)域，由于具有隱伏性強(qiáng)以及熔巖坍塌難度，無法進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)算及空間分布規(guī)律性差的特征存在于巖溶溶洞中，因此尤其需要通過采取科學(xué)的方法，對(duì)巖溶發(fā)育規(guī)律進(jìn)行排摸，本文通過闡述用地質(zhì)雷達(dá)的方法，進(jìn)行對(duì)巖溶發(fā)育期的綜合勘查，對(duì)基礎(chǔ)范圍內(nèi)巖溶溶洞的發(fā)育情況進(jìn)行高效準(zhǔn)確的了解，從而進(jìn)一步提升巖溶區(qū)域的勘查進(jìn)度以及勘查效益。

關(guān)鍵詞：地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)；巖土工程；勘察應(yīng)用

中圖分類號(hào)：P631.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2018）23-0113-02

在我國的安徽省皖南地區(qū)，存在著石灰?guī)r分布，區(qū)域分布特征廣泛，具有石炭系二疊系和三疊系等集中構(gòu)造，隱伏巖溶在受到構(gòu)造斷裂以及地下水溶蝕的各種因素影響下得到了特別發(fā)育，如果在該區(qū)域進(jìn)行工程的建設(shè)，巖溶問題會(huì)不可避免的，會(huì)遭遇到由其巖溶塌陷是一種非常常見的地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象，在施工當(dāng)中，尤其要對(duì)于巖溶洞穴，頂板坍塌發(fā)生的空間以及時(shí)間進(jìn)行預(yù)測這樣才能確保工程的安全，但是在現(xiàn)實(shí)中該作用力的預(yù)測，經(jīng)常無法得到準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，因此，對(duì)于巖溶地區(qū)，如何采用先進(jìn)合適的勘察方法，對(duì)巖溶發(fā)育情況以及巖洞的購構(gòu)造進(jìn)行研究，可以提升施工的進(jìn)度，對(duì)工程的投資也能起到節(jié)約作用，這對(duì)確保工程安全具有重大的意義，開展對(duì)巖溶結(jié)構(gòu)的勘察，包含很多方法，其中地質(zhì)雷達(dá)勘探技術(shù)是近些年來逐步發(fā)展起來的一種先進(jìn)勘探手段，它被廣泛的應(yīng)用于工程勘察的各個(gè)領(lǐng)域，已經(jīng)取得了令人信服的成果，尤其對(duì)于在巖溶地區(qū)，他通過對(duì)巖溶溶洞內(nèi)部的空間延伸情況以及平面分布情況，進(jìn)行立體的勘察，解決了以往單純鉆探方法獲取的信息只不過是從一個(gè)點(diǎn)上得到，因此空間信息無法立體呈現(xiàn)的問題。我們選取了幾個(gè)勘測點(diǎn)，通過地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)的應(yīng)用，進(jìn)行對(duì)巖溶發(fā)育地區(qū)的勘探工作取得了一定的成效。

1 巖土勘察的重要性

通過巖土勘察工作的開展，可以對(duì)地質(zhì)條件進(jìn)一步查清，進(jìn)行對(duì)后期工作的合理設(shè)計(jì)與處理，因此尤其需要采取先進(jìn)的勘察方法提升工作效率。在大型的工程當(dāng)中，通過勘察設(shè)計(jì)一體化，能夠最大程度的降低施工的風(fēng)險(xiǎn)減少費(fèi)用的支出，因此巖土勘察工作的重要性可想而知。進(jìn)行巖土工程項(xiàng)目的勘察，是指根據(jù)建設(shè)工程的要求，對(duì)施工區(qū)域的巖土工程條件，地理環(huán)境特征進(jìn)行查明、分析、評(píng)價(jià)，根據(jù)工程的需要，對(duì)工程項(xiàng)目進(jìn)行設(shè)計(jì)，勘查工作在工程建設(shè)過程當(dāng)中是一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)，他對(duì)于工程設(shè)計(jì)當(dāng)中的勘察設(shè)計(jì)，材料設(shè)備供應(yīng)及施工安裝等都有重要的作用，通過勘察設(shè)計(jì)質(zhì)量的好壞可以對(duì)工程的質(zhì)量起到直接影響作用[1]?？辈焓窃O(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，是一項(xiàng)先行工作，是工程項(xiàng)目建設(shè)的關(guān)鍵點(diǎn)所在，它可以對(duì)工程的施工建設(shè)提供直接依據(jù)，如果因?yàn)榭辈楣ぷ鞯牟捎梅椒ú缓线m，導(dǎo)致基礎(chǔ)設(shè)計(jì)和地基的處理出現(xiàn)問題，會(huì)增加工程施工的成本和隱患。

2 地質(zhì)雷達(dá)的工作原理

地質(zhì)雷達(dá)（Ground Penetrating Radar（GPR））是一種利用高頻電磁波技術(shù)探測地下物體的電子設(shè)備地質(zhì)雷達(dá)利用超高頻電磁波探測地下介質(zhì)分布，它的基本原理是：發(fā)射機(jī)通過發(fā)射天線發(fā)射中心頻率為12.5M至1200M、脈沖寬度為0.1ns的脈沖電磁波訊號(hào)。當(dāng)這一訊號(hào)在巖層中遇到探測目標(biāo)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)反射訊號(hào)。直達(dá)訊號(hào)和反射訊號(hào)通過接收天線輸入到接收機(jī)，放大后由示波器顯示出來。根據(jù)示波器有無反射汛號(hào)，可以判斷有無被測目標(biāo)；根據(jù)反射訊號(hào)到達(dá)滯后時(shí)間及目標(biāo)物體平均反射波速，可以大致計(jì)算出探測目標(biāo)的距離。由于地質(zhì)雷達(dá)的探測是利用超高頻電磁波，使得其探測能力優(yōu)于例如管線探測儀等使用普通電磁波的探測類儀器，所以地質(zhì)雷達(dá)通常廣泛用于考古、基礎(chǔ)深度確定、冰川、地下水污染、礦產(chǎn)勘探、潛水面、溶洞、地下管纜探測、分層、地下埋設(shè)物探察、公路地基和鋪層、鋼筋結(jié)構(gòu)、水泥結(jié)構(gòu)、無損探傷等檢測[2]。

地質(zhì)雷達(dá)是通過用一個(gè)電線進(jìn)行高頻電磁波的發(fā)射，通過使用另一個(gè)電信進(jìn)行接收，高頻的脈沖電磁波被利用于地質(zhì)雷達(dá)中進(jìn)行地質(zhì)條件的探測，當(dāng)，通過天線發(fā)射向下的短脈沖電磁波，以及高頻寬帶波什，可以遇到不同介質(zhì)特征的介質(zhì)，使得電磁波能量被返回，同時(shí)記錄反射時(shí)間則通過天線接收到的信息進(jìn)行留存，原理如圖1所示。

反射波和透射波，通過在不同的波阻抗界面時(shí)遇到的反射實(shí)現(xiàn)向地下介質(zhì)傳播，在此過程當(dāng)中，應(yīng)當(dāng)遵循反射原理和透射原理的定律，當(dāng)反射系數(shù)大于反射能量波的時(shí)候，通過反射系數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)方式計(jì)算后可以得到反射界面兩側(cè)的相對(duì)介電常數(shù)的數(shù)值，我們通過計(jì)算可以得到，反射界面兩側(cè)介質(zhì)，的反射系數(shù)大小通常由介電常數(shù)的差異而決定，反射信號(hào)波的明顯程度隨著差異程度的越大而體現(xiàn)的越明顯，根據(jù)對(duì)反射波的分析，對(duì)步行來回所需要的政府時(shí)間特征等進(jìn)行對(duì)反射體性質(zhì)和位置的判別，可以得到地質(zhì)情況的推算結(jié)果，如圖2所示。

3 雷達(dá)在巖土工程塌勘測中的應(yīng)用

我們選取位于銅陵獅子山銅礦田南南側(cè)的地址，礦區(qū)進(jìn)行勘測，選取區(qū)域面積距離，銅陵市區(qū)約為九公里，整體面積1.2平方公里，該區(qū)域的巖溶坍塌現(xiàn)象比較嚴(yán)重，最近于06年和07年曾發(fā)生過地質(zhì)坍塌導(dǎo)致民宅塌陷，由于做好了一定的防護(hù)措施，并未造成人身財(cái)產(chǎn)安全，但是對(duì)農(nóng)田等造成破壞面積較大，此外還出現(xiàn)了像到突水淹井現(xiàn)象，一定程度上也導(dǎo)致了礦山的經(jīng)濟(jì)效益受損，我們看到第四紀(jì)三疊系中的龍頭山組，在礦區(qū)露出地區(qū)發(fā)現(xiàn)石英閃長質(zhì)的侵入體，此外還有發(fā)現(xiàn)隱伏巖溶地質(zhì)中的大粒鹽龍頭三組中，存在著褐鐵礦覆蓋以及閃長巖覆蓋，出現(xiàn)一小溶洞和溶蝕裂隙為主的巖溶形態(tài)厚度為5到30米的第四系蓋層，通常溶洞的大部分高度低于三米，最大低于4.5米，大部分溶洞沒有填充，或者以半填充的淺狀態(tài)為主，通過對(duì)勘察帶北向東附近地區(qū)以及大理石接觸帶附近進(jìn)行勘探，發(fā)現(xiàn)巖溶主要發(fā)育在閃長巖區(qū)域，通過在基巖面上進(jìn)行勘測，土洞的開采洞深控制在11.1米左右，其中上部的位置為空洞現(xiàn)象，下面通過采用粉質(zhì)粘土進(jìn)行填充。我們可見的巖溶坍塌，地表形狀表現(xiàn)為與圓形接近的橢圓形狀態(tài)，直徑達(dá)到4.5-7米，最大的能夠達(dá)到30米以上，可以見到由環(huán)形的斷續(xù)分裂裂紋分布在周圍。裂縫的長度從十厘米到數(shù)十米，洞深最深達(dá)到13米以上，通常介于0.5米到4米之間，桶裝或者碟狀是坡面的常見現(xiàn)象。在勘察過程當(dāng)中，我們選取了新華山銅礦主井北向東方向約130米處，發(fā)現(xiàn)塌陷坑的形狀為橢圓形，巖溶塌陷的直徑達(dá)到30米左右，深度約為14米左右，分布的裂紋在坑的周圍，環(huán)形圍繞，縫的寬度在2到5厘米之間，2007年4月，新華山銅礦曾發(fā)生透水淹井現(xiàn)象，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。在本次勘查工作當(dāng)中，物探采用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行對(duì)淺層地震相結(jié)合的辦法應(yīng)用，將地質(zhì)雷達(dá)的勘探線不在主井附近進(jìn)行，主要的構(gòu)造線垂直布置11條剖面線，通過對(duì)區(qū)域的前部巖溶土洞的分布特征進(jìn)行測定，可以得到典型地質(zhì)雷達(dá)影像圖如圖3所示。

3.1 地質(zhì)雷達(dá)施工階段的巖溶勘察

在進(jìn)行地質(zhì)雷達(dá)對(duì)施工階段的巖溶勘察過程當(dāng)中，通過布點(diǎn)進(jìn)行鉆孔檢驗(yàn)?zāi)軌颍瑢?duì)橋墩基樁的巖溶特征進(jìn)行細(xì)致的分析，不點(diǎn)的工作要求作詳細(xì)的安排，對(duì)分辨率，穩(wěn)定性以及測量儀器的精度等具有較高的要求，在勘測中選用了技術(shù)領(lǐng)先的地質(zhì)雷達(dá)設(shè)施，該設(shè)備為瑞典MALA公司生產(chǎn)的系列主機(jī)，配以50赫茲的超強(qiáng)地面耦合天線，其特征為高速輕便，數(shù)字式以及集成化，通過選用光纖連接天線與主機(jī)，具有抗干擾性能強(qiáng)，數(shù)據(jù)質(zhì)量好以及速度快頻帶寬的特征，同時(shí)通過采用高壓窄脈沖技術(shù)，實(shí)現(xiàn)與天線脈沖源的互相對(duì)應(yīng)[3]。

3.2 地質(zhì)雷達(dá)的工作方法

在地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行工作的時(shí)候，通過對(duì)施工階段上查到的橋長和水橋互通，主線橋?qū)崿F(xiàn)三通一平，然后完成對(duì)施工測量點(diǎn)的放樣，消除對(duì)地形的影響可以進(jìn)一步提高勘查的精密度。通過鉆探可以得知，巖溶區(qū)內(nèi)溶洞的填充物為流塑狀的粘土，表現(xiàn)為溶洞與周圍圍巖的物質(zhì)差異顯著，雷達(dá)的電磁傳播效果主要取決于巖土層的含水率，由此可見橋位區(qū)域具備了使用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行勘測溶洞特征的物理前提。一般情況下，在每個(gè)蹲位進(jìn)行3到5條物探測線的控制通過在橋梁方向平行于橋墩方向的位置進(jìn)行雷達(dá)剖面的布置，通過左右樁中心點(diǎn)c測線的布置，第五條側(cè)線的ab側(cè)線與第一側(cè)線以及c測線進(jìn)行對(duì)稱布置狀態(tài)的安排，由于橋墩的直徑大于1.5米，因此測點(diǎn)間距控制在0.25米線距為0.5米，選用的測距方法為對(duì)每條測線進(jìn)行逐點(diǎn)探測，具體情況見圖4所示，通過，對(duì)試驗(yàn)校對(duì)采集數(shù)據(jù)的分析，精確地對(duì)各層介質(zhì)的介電常數(shù)或電磁波速進(jìn)行確立，在本次勘探中采用的為點(diǎn)測方法，50赫茲RTA天線時(shí)窗范圍選擇為0到1000ns。

3.3 地質(zhì)雷達(dá)資料的處理

選用軟件，對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得到，數(shù)據(jù)處理流程圖如圖5所示，得到雷達(dá)實(shí)時(shí)波形剖面。

3.4 異常推斷

我們經(jīng)過分析表明，在完整的灰?guī)r上進(jìn)行雷達(dá)實(shí)施剖面圖的反應(yīng)，體現(xiàn)出同向軸振幅度較為小而且反射波同相增長幅度出現(xiàn)明顯增加，與此同時(shí)，形態(tài)也會(huì)發(fā)生變化，對(duì)于溶洞的三洞體形態(tài)深埋，規(guī)模則顯得比較小，巖熔為二度體型狀態(tài)。當(dāng)雷達(dá)測線處于常州方向的垂直位置時(shí)，雷達(dá)的波形剖面體現(xiàn)出繞射波以及雙曲線形狀的特征，一旦當(dāng)巖溶的規(guī)模比較大的時(shí)候，則雷達(dá)波形會(huì)呈現(xiàn)出不規(guī)則的強(qiáng)反射以及承重特征，一旦當(dāng)熔洞的體積大于2米×2米×2米時(shí)，再加上熔洞內(nèi)的填充物含水率較高，或者填充物為水的時(shí)候，會(huì)發(fā)生雷達(dá)波被強(qiáng)烈的吸收，以及振幅出現(xiàn)急劇衰減狀態(tài)，導(dǎo)致陷阱迅速出現(xiàn)[4]。通過對(duì)上水橋西匝道位置進(jìn)行橫剖面雷達(dá)影像和地質(zhì)圖的解釋分析，可以得出該區(qū)域的巖洞溶洞特別發(fā)育狀態(tài)，可以反映出每一段面均有大小溶洞發(fā)育，數(shù)量為八個(gè)，發(fā)育的深度達(dá)到14-36米，其中有一溶洞剖面較大寬度達(dá)到2.2米以上，深度達(dá)到20-28米。

4 結(jié)語

此外，通過地質(zhì)雷達(dá)方法進(jìn)行溶洞的空間分布深度的測試，可以實(shí)現(xiàn)建筑物在施工中盡量避開大型巖溶區(qū)域，通過采用合適的施工方案確保建筑物構(gòu)筑物的安全性，第二，通過使用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行熔巖性質(zhì)的測試，可以對(duì)各種地質(zhì)情況進(jìn)行科學(xué)的反應(yīng)，這種方法具有快速經(jīng)濟(jì)的效果，可以大范圍的實(shí)現(xiàn)對(duì)地下勘察的斷面平面的連續(xù)觀測，是工程勘測中的重要方法。第三，地質(zhì)雷達(dá)的使用必須實(shí)現(xiàn)和鉆探的綜合使用，通過分析驗(yàn)證后才會(huì)得到對(duì)復(fù)雜地質(zhì)情況的解釋結(jié)果。

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