地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)在巖土工程勘察中的應(yīng)用

彭家陞

（貴州省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局114地質(zhì)大隊(duì)，貴州 遵義 563000）

在巖土工程勘探中，取芯鉆探技術(shù)是最為經(jīng)典的勘探手段之一。它可以識(shí)別和描述土層，也可以進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)和波速試驗(yàn)以及巖心取樣室內(nèi)試驗(yàn)。然而，鉆探方法存在局限性[1]。

由于鉆孔資料充其量只能反映“點(diǎn)”的情況，鉆孔與鉆孔之間的分析與判斷主要依賴經(jīng)驗(yàn)和推測(cè)，存在著一些不可預(yù)見(jiàn)和不確定的因素[2]。

伴隨著各種物探技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用，鉆探技術(shù)和物探技術(shù)相結(jié)合已顯示出明顯的優(yōu)勢(shì)是創(chuàng)新勘察的發(fā)展趨勢(shì)，因?yàn)楹笳吣軓浹a(bǔ)前者的不足，其中地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)就可以克服“一孔之見(jiàn)”和鉆孔之間存在“盲區(qū)”的限制。然而目前任何一種物探技術(shù)都不能完全取代鉆探技術(shù)。取芯鉆孔技術(shù)仍需實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)的確認(rèn)和驗(yàn)證。

1 地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)的原理及特點(diǎn)

地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)（GPR），也被稱為地探雷達(dá)技術(shù)，是根據(jù)探測(cè)目標(biāo)體利用高頻反射地質(zhì)界面（1MHz～1GHz）電磁脈沖波。探地雷達(dá)利用超高頻電磁波探測(cè)地下介質(zhì)的分布。其基本原理是：發(fā)射機(jī)通過(guò)發(fā)射天線與一個(gè)12.5M至1200M中心頻率和0.1ns脈沖寬度的電磁波。當(dāng)信號(hào)發(fā)生在巖層中時(shí)，它會(huì)產(chǎn)生反射信號(hào)。直接信號(hào)和反射信號(hào)通過(guò)接收天線輸入接收機(jī)，然后用示波器放大。

根據(jù)示波器是否有反射波數(shù)，可以判斷是否有目標(biāo)，目標(biāo)的距離可以通過(guò)反射信號(hào)的到達(dá)時(shí)間和物體的平均反射波速來(lái)粗略計(jì)算。這原理與探測(cè)雷達(dá)基本類似，都是在發(fā)射器和接收器傳播電磁波，但電磁波的傳播介質(zhì)不是空氣而是巖土體。

由于地層巖性或目標(biāo)體的電性差異，電磁波的反射和折射在介質(zhì)界面的反射波是不同的，由接收裝置接收信號(hào)處理加工，并由技術(shù)人員解釋檢測(cè)結(jié)果，可以推斷地下地層差異的巖體的構(gòu)成。

電磁波的反射系數(shù)及穿透介質(zhì)時(shí)的衰減系數(shù)，與介質(zhì)的介電常數(shù)、電導(dǎo)率、導(dǎo)磁系數(shù)等相關(guān)，例如空氣、水、土壤、灰?guī)r、花崗巖的相對(duì)介電常數(shù)分別為1～81、2～15、7～8、5～7，它們的電導(dǎo)率（mS/m）分別為0.1～30、0.14～50、10-6～25、10-5～1。

地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)主要有四個(gè)特點(diǎn)。首先，其適應(yīng)性強(qiáng)，利用無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，地質(zhì)雷達(dá)可以安全地應(yīng)用于城市或者施工現(xiàn)場(chǎng)的工程場(chǎng)地，工作條件較為寬松。二是抗干擾能力強(qiáng)，抗電磁干擾能力強(qiáng)，能在城市各種噪聲環(huán)境中工作，受環(huán)境影響小。三，定位快速準(zhǔn)確。它具有更為良好的檢測(cè)深度和分辨率，并可直接提供實(shí)時(shí)剖面圖，圖像清晰直觀。四，靈活便攜。它使用便攜式計(jì)算機(jī)控制數(shù)據(jù)的采集、記錄、存儲(chǔ)和處理，便于攜帶。

2 地質(zhì)雷達(dá)的參數(shù)選擇

探地雷達(dá)運(yùn)行時(shí)，參數(shù)選擇是關(guān)乎相關(guān)勘探工作成功與否的重要環(huán)節(jié)。探測(cè)深度，雷達(dá)分辨率，天線的中心頻率和天線間距是探地雷達(dá)的重要參數(shù)。探地雷達(dá)的探測(cè)深度反映了電磁波的能量衰減。它與電磁波的頻率、介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)和電導(dǎo)率有關(guān)。

電磁波的頻率越高，相對(duì)介電常數(shù)和電導(dǎo)率越大，雷達(dá)波衰減就會(huì)越快，探測(cè)深度就會(huì)越淺。例如，檢測(cè)喀斯特地形，使用100mhz可以檢測(cè)12m深度，而400mhz只可以檢測(cè)6m深度。再比如，水的相對(duì)介電常數(shù)大，導(dǎo)致雷達(dá)波的衰減也大。

因此，積水的地層和潮濕的土壤層之間的有效距離是比較小的。雷達(dá)的分辨率分為水平分辨率和垂直分辨率。他們與雷達(dá)波長(zhǎng)和地層厚度有關(guān)。波長(zhǎng)越高，其探測(cè)深度較淺，分辨率越高，那么在檢測(cè)較淺深度時(shí)應(yīng)該選擇相對(duì)較高的頻率，而在較深的土層選擇較低的頻率是有利的，他可以探索更深的深度、獲得更大的信息量。發(fā)射和接收天線距離是對(duì)回波信號(hào)的強(qiáng)度密切相關(guān)。它可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)或經(jīng)驗(yàn)選擇。如果沒(méi)有數(shù)據(jù)，對(duì)目標(biāo)體的最大深度20%選擇，或目標(biāo)體2倍角的接收和發(fā)射天線。

3 地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)在巖土工程勘察中的應(yīng)用

3.1 地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用實(shí)例

目前，探地雷達(dá)已廣泛應(yīng)用于巖土工程勘察中，以探測(cè)地下洞穴、喀斯特洞穴、構(gòu)造斷裂帶和地層構(gòu)造。例如，一個(gè)RIS-K2地面耦合雷達(dá)用來(lái)對(duì)住宅建筑進(jìn)行勘察的項(xiàng)目中，選擇100MHz天線，通過(guò)greswin2軟件處理數(shù)據(jù)。通過(guò)對(duì)雷達(dá)反射剖面的解釋，了解到在4到8m持力層下面存在長(zhǎng)2.5m，寬1.5m的喀斯特洞穴，通過(guò)與頻譜特性的分析，推測(cè)喀斯特洞穴中充滿了飽和的流塑狀紅粘土或充水溶洞。鉆孔后果然得到了證明，施工方通過(guò)注漿加固消除了隱患。再如，某體育場(chǎng)位于頁(yè)巖和灰?guī)r接觸帶，存在巖溶發(fā)育，溶隙、溶洞和頁(yè)巖軟化夾層等不良地質(zhì)條件。

其基礎(chǔ)采用深孔灌注樁基，為查明樁底7m范圍內(nèi)的巖溶發(fā)育情況，施工隊(duì)采用了SIR-3000地質(zhì)雷達(dá)儀，使用100MHz和270MHz的發(fā)射接收一體化天線，并且設(shè)定了點(diǎn)距0.10m的點(diǎn)測(cè)方式，在其中一個(gè)深約14m的樁位探測(cè)到在樁底4m～5m范圍內(nèi)存在反射異常的波形，推測(cè)那里為強(qiáng)溶蝕區(qū)，現(xiàn)場(chǎng)開挖證實(shí)那里存在1個(gè)直徑約0.45m大小的泥質(zhì)充填型溶洞。

3.2 地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)與鉆探技術(shù)的結(jié)合

探地雷達(dá)技術(shù)具有分辨率高、無(wú)損檢測(cè)、效率高、抗干擾能力強(qiáng)等突出優(yōu)點(diǎn)。例如，在5000mh的雷達(dá)波下分辨率的誤差可達(dá)幾厘米，且檢測(cè)過(guò)程內(nèi)不會(huì)造成地下結(jié)構(gòu)的破壞。所需人員和檢測(cè)時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于鉆探作業(yè)，并且可以在各種地下環(huán)境中工作，適應(yīng)性強(qiáng)。

然而，高頻電磁波在地下介質(zhì)中的高衰減的特性限制了其探測(cè)深度。目前，低頻可以用來(lái)檢測(cè)在石灰?guī)r地區(qū)的80m深的喀斯特洞，而中低頻率可以用來(lái)檢測(cè)20～50m。所以探地雷達(dá)技術(shù)在淺層地下電磁特性的地質(zhì)表現(xiàn)界面檢測(cè)是合適的，但在深層地質(zhì)中的表現(xiàn)就需要與傳統(tǒng)的鉆井技術(shù)相結(jié)合。

地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，基巖面起伏劇烈，包括喀斯特洞穴、地下洞穴、破碎帶等。將鉆探技術(shù)與探地雷達(dá)技術(shù)相結(jié)合，可最大限度地發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，在這種情況下，就需要結(jié)合鉆探技術(shù)和探地雷達(dá)技術(shù)來(lái)揭示勘察區(qū)的地質(zhì)特征。下面將通過(guò)案例來(lái)加以說(shuō)明。

某工廠地址的地層為下伏二疊系石灰?guī)r和上覆第四紀(jì)沖積層。地形屬于河谷侵蝕階地，地勢(shì)相對(duì)平坦。在勘察設(shè)計(jì)階段完成了鉆探工作，并根據(jù)鉆探成果繪制了鉆孔柱狀圖和地層剖面圖。

但在施工過(guò)程中，勘察報(bào)告顯示的與開挖情況和實(shí)際地質(zhì)條件是不同的。主要問(wèn)題是在勘探鉆孔之間的區(qū)域發(fā)現(xiàn)了喀斯特巖溶異常情況。因此，再次引入探地雷達(dá)技術(shù)進(jìn)行相關(guān)廠址的勘探。

探地雷達(dá)在除塵器所在區(qū)域勘察孔之間發(fā)現(xiàn)了未探明的強(qiáng)溶蝕區(qū)或未充填的溶洞，現(xiàn)場(chǎng)開挖證實(shí)了探地雷達(dá)的結(jié)論。在煙囪場(chǎng)址下約60m，探地雷達(dá)也發(fā)現(xiàn)勘察孔之間的幾個(gè)喀斯特洞穴，通過(guò)對(duì)距地表最薄處的溶洞的鉆探也得到了驗(yàn)證。

實(shí)例表明，鉆探技術(shù)面對(duì)復(fù)雜地下結(jié)構(gòu)具有明顯的局限性。與探地雷達(dá)技術(shù)相結(jié)合，鉆井資料以實(shí)際鉆孔資料為基礎(chǔ)，再把探地雷達(dá)作為一種有用的補(bǔ)充，可以對(duì)場(chǎng)地地質(zhì)條件進(jìn)行較為全面客觀的分析。

4 結(jié)語(yǔ)

總之，地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)已在各種工程實(shí)踐中證明了它的有效性。作為一種新型的勘察手段，它可以彌補(bǔ)鉆探技術(shù)的局限性和不足，并將兩者結(jié)合起來(lái)，解決傳統(tǒng)勘查手段難以解決的問(wèn)題，成為復(fù)雜地層巖體勘察工作的“王道”。希望本文能對(duì)讀者有所啟發(fā)。

參考文獻(xiàn)

[1]蔣家龍,方必量.地質(zhì)雷達(dá)在巖溶地區(qū)巖土工程勘察中的應(yīng)用[J].安徽地質(zhì),2008,18(4)：292-296.

[2]陳昌彥,張?jiān)诿?張彥峰,等.地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)在復(fù)雜工程地質(zhì)條件下的巖土工程勘察中的應(yīng)用[J].工程地質(zhì)學(xué)報(bào),2004,12(z1)：401-405.