地質(zhì)雷達(dá)在城市地下巖溶探測中的應(yīng)用

王慶學(xué)

(中煤地質(zhì)集團(tuán)有限公司)

0 引言

隨著城市建設(shè)的快速發(fā)展，在進(jìn)行建設(shè)初期的基礎(chǔ)工程勘察時(shí)，往往會遇到各種問題，比如在南方城市巖土工程勘察時(shí)，地下巖溶問題較為突出[1]。為了保證建筑物基礎(chǔ)的承載力和穩(wěn)定性，需采用地球物理勘探方法查明擬建區(qū)域內(nèi)巖溶發(fā)育情況。在場地條件允許的前提下，高密度電法、地震反射法等都對巖溶有著較好的探測效果，但場地條件有限，無法布設(shè)工作排列時(shí)，選取靈活方便的地球物理勘探方法尤為重要[2-3]。

地質(zhì)雷達(dá)具有分辨率高、定位準(zhǔn)確、快速經(jīng)濟(jì)、靈活方便、剖面直觀等優(yōu)點(diǎn)，目前已在巖土工程勘察、工程質(zhì)量檢測、生態(tài)環(huán)境檢測、文物考古等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[4-8]。

本文以實(shí)際工程為例，分析了地質(zhì)雷達(dá)在城市建設(shè)基礎(chǔ)勘察工作中，對建設(shè)場地地下巖溶探測以及巖層穩(wěn)定性評價(jià)的應(yīng)用效果。

1 地質(zhì)雷達(dá)基本原理

地質(zhì)雷達(dá)探測屬于反射波探測法，其基本原理與大家所熟悉的探空雷達(dá)相似，即向地下發(fā)射一定強(qiáng)度的高頻電磁脈沖波，電磁波在地下傳播的過程中遇到不同電性物質(zhì)分界面時(shí)，就會產(chǎn)生反射波，地質(zhì)雷達(dá)接收并記錄這些反射信息[9]。

電磁波在特定介質(zhì)中的傳播速度是不變的，地質(zhì)雷達(dá)記錄上的地面反射波與地下反射波存在時(shí)間差ΔT，由于地質(zhì)雷達(dá)探測的激發(fā)天線與接收天線距離很近，故為垂直入射和反射，所以可據(jù)下式算出該界面的埋藏深度H：

H=V·ΔT/2

(1)

對于巖溶探測而言，H即為目標(biāo)體深度，式中V是電磁波在地下介質(zhì)(面層)中的傳播速度，相對于雷達(dá)所用的電磁波頻率(50～500MHz)而言，假設(shè)覆蓋層都是低損耗介質(zhì)，其速度由下式表示：

(2)

式中C是電磁波在大氣中的傳播速度，約為3×108m/s；ε為面層的相對有效介電常數(shù)，它取決于構(gòu)成目標(biāo)體的所有物質(zhì)的介電常數(shù)。

反射信號的振幅與反射系數(shù)成正比，在以位移電流為主的低損耗介質(zhì)中，反射系數(shù)可表示為：

(3)

式中：ε1、ε2分別為上、下介質(zhì)的相對介電常數(shù)。由式(3)可知，反射信號的強(qiáng)度主要取決于上、下介質(zhì)的電性差，電性差越大，反射信號越強(qiáng)[10]。

2 應(yīng)用實(shí)例

南方某市某小區(qū)，在進(jìn)行建設(shè)場地基礎(chǔ)勘察工作時(shí)，發(fā)現(xiàn)場地內(nèi)巖溶較為發(fā)育。為查明場地內(nèi)地下巖溶發(fā)育情況，并對場地內(nèi)地下巖層的整體穩(wěn)定性進(jìn)行評價(jià)。根據(jù)場地條件限制和探測目的要求，本次工作采用地質(zhì)雷達(dá)法進(jìn)行探測工作。

本文以該小區(qū)規(guī)劃樓棟中的21#樓探測工作為例，分析了地質(zhì)雷達(dá)法對巖溶的探測效果。

2.1 場地地質(zhì)特征

該場地地勢略有起伏，地面標(biāo)高26.45～31.51m，地面最大高差約5.06m，地貌單元屬長江Ⅲ級階地。根據(jù)勘探揭露，場區(qū)在勘察深度范圍內(nèi)覆蓋層主要為人工填土及第四系黏性土層，基巖為三疊系下統(tǒng)大冶組灰?guī)r。場地內(nèi)部分區(qū)域巖溶較為發(fā)育，巖溶發(fā)育深度大多位于地下10m以淺，巖洞規(guī)模從0.7～2.1m不等，偶見雙層溶洞發(fā)育，場地內(nèi)溶洞多被泥、粘土充填。由于巖洞與灰?guī)r存在一定的電性差異，特別是有空洞、空隙存在時(shí)，泥土、空氣與圍巖三者之間存在較大差異 ，其所對應(yīng)的物性參數(shù)見表1。

表1 相關(guān)介質(zhì)物性參數(shù)Table1 Related medium physical property parameters

在完整灰?guī)r中，電磁波的傳播表現(xiàn)為弱反射、弱衰減、反射同相軸一致性好的特征，其頻譜特征呈現(xiàn)為振幅能量主要集中在一個(gè)頻率上，且其值比較固定。但在巖溶區(qū)域，電磁波的傳播在雷達(dá)剖面圖像上，表現(xiàn)為強(qiáng)反射、強(qiáng)衰減、多次震蕩、反射同相軸發(fā)生繞射、錯(cuò)斷等復(fù)雜的圖像特征，并且振幅能量集中在兩個(gè)或多個(gè)頻率上，同時(shí)由于巖溶性質(zhì)的不同，其頻率會發(fā)生變化。

對于地下異常體的解釋，主要根據(jù)反射波波形、振幅大小及反射波同相軸連續(xù)性的好壞來進(jìn)行判斷。當(dāng)?shù)叵聨r層較為均一，不存在裂縫及空洞時(shí)，雷達(dá)圖像上表現(xiàn)為反射波同相軸連續(xù)性較好。反之在雷達(dá)圖像上會表現(xiàn)為反射能量強(qiáng)、同相軸連續(xù)性較差，甚至產(chǎn)生雙曲線形態(tài)等異?，F(xiàn)象。

2.2 野外工作

本次地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)采集采用主要采集參數(shù)如下：

記錄長度，T=1 000ns；采樣點(diǎn)數(shù)，N=1 024；點(diǎn)距，dx=0.3m；天線間距，L=3.0m；天線中心頻率，f=40MHz/80MHz；發(fā)射率：12kHz；疊加次數(shù)，n=64次。

為了確定本次數(shù)據(jù)采集的主要參數(shù)，在line10線0～15.6m段分別采用40MHz天線和80MHz天線進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集對比試驗(yàn)。采集過程中其他參數(shù)不變，所獲其剖面分別如圖1、圖2所示。

圖1 試驗(yàn)1線剖面圖(40Hz)Figure 1 Testing line No.1 section (40Hz)

圖2 試驗(yàn)1線剖面圖(80Hz)Figure 2 Testing line No.1 section (80Hz)

從剖面分析可以看出，兩種天線系統(tǒng)在水泥地面段無明顯干擾情況下，探測深度及精度基本一致。但80MHz天線的分辨率和抗干擾能力較40MHz天線強(qiáng)，而且80MHz天線的長度大致是40MHz天線長度的一半，受地面障礙物的影響較小，故最終施工的激發(fā)工作均采用80MHz天線施工。

本次勘探設(shè)計(jì)線距5m，點(diǎn)距選取0.3m，測線局部地段(工作區(qū)域東部)點(diǎn)距加密至0.1m。實(shí)際完成測線14條，合計(jì)測點(diǎn)2 763個(gè)。

2.3 資料處理與解釋

野外采集的數(shù)據(jù)所記錄的是包含大地和外界干擾影響的、且按某一記錄格式存儲的原始數(shù)據(jù)，而且與觀測系統(tǒng)參數(shù)及地面起伏有關(guān)。為了獲得最終的、可用于地質(zhì)解釋的、真實(shí)反映地層特性和特征的成果剖面，就必須進(jìn)行降低干擾和觀測系統(tǒng)參數(shù)影響等一系列的數(shù)字處理，具體方法如下。

①確定地面反射波信號位置，調(diào)整信號延時(shí)信息；

②信號增益，對電磁波因球面擴(kuò)散和吸收衰減造成的電磁波能量給予一定程度的補(bǔ)償；

③水平相關(guān)分析，消除雪花噪音干擾；

④背景去除，顯示構(gòu)造特征；

⑤一維頻率濾波，依據(jù)有效波的頻譜和干擾波的頻譜分帶特征，利用帶通濾波器能很好地保留有效頻帶，有效剔除噪聲干擾；

⑥二維濾波，大部分探地雷達(dá)天線都是非屏蔽的，因此，探地雷達(dá)在接收來自地下信號的同時(shí)也會接受到來自地面干擾物(如墻壁、汽車、電線桿、高壓線等)的反射信號，這時(shí)采用二維濾波可以很好地消除來自地面干擾物的反射信號。

2.4 剖面異常解釋及綜合探測成果

2.4.1 典型的剖面異常解釋

本次工作共計(jì)完成地質(zhì)雷達(dá)測線14條。首先選擇典型的剖面line01、line03 、line07 、line10進(jìn)行分析。下面各圖中橫坐標(biāo)為實(shí)際距離(m)，左側(cè)縱坐標(biāo)為時(shí)間軸(ns)，右側(cè)縱坐標(biāo)為深度(cm)。

圖3 line 01線剖面圖Figure 3 Line 01 section

在圖3中橫坐標(biāo)15～18m和34.5～37.5m，深度4～7m的位置有兩個(gè)低頻異常體，推測為石灰?guī)r基巖面附近風(fēng)化形成的巖溶化灰?guī)r。由圖中可以看出該剖面其他位置同相軸穩(wěn)定，表明巖層整體比較穩(wěn)定。

圖4同相軸穩(wěn)定，只是在基巖面附近略有擾動，推測此類反映為基巖面附近微風(fēng)化、中風(fēng)化的表現(xiàn)，對整個(gè)巖層穩(wěn)定性無明顯影響。

圖5同相軸整體穩(wěn)定，在28～33m處同相軸有錯(cuò)動，結(jié)合野外現(xiàn)場情況，認(rèn)為該異常為電梯井的影響。

圖6為line10線剖面圖，從圖可以看出，該剖面同相軸整體穩(wěn)定，在11～13m處同相軸有變化，結(jié)合野外現(xiàn)場記錄，認(rèn)為該異常為現(xiàn)場圍擋的影響；在28～33m處同相軸有錯(cuò)動，結(jié)合野外現(xiàn)場實(shí)地記錄，認(rèn)為該異常為電梯井的影響。

結(jié)合地質(zhì)資料，對該場地完成雷達(dá)剖面進(jìn)行了全面分析，所有測線剖面上大部地段存在多組振幅較強(qiáng)、連續(xù)性較好的反射同相軸，說明調(diào)查區(qū)域范圍內(nèi)的地層分布較為均勻，地層穩(wěn)定性較好；局部異常較清晰，結(jié)合地質(zhì)資料和現(xiàn)場建筑施工情況可以確定異常性質(zhì)并排除多解性。

2.4.2 綜合探測成果

根據(jù)各測線剖面圖圈定的異常平面成果圖來看，21#樓建筑場地范圍內(nèi)主要有3個(gè)小異常：在測線line01上有兩個(gè)異常體,異常平面位置分別為15～18m和34.5～37.5m，深度4～7m；在測線line03上有一個(gè)異常，平面位置在58.0～58.7m，深度在6.5～9m，此處同相軸接近雙曲線型，并且有連續(xù)的反射同相軸出現(xiàn)， 推測該異?？赡苁腔鶐r面附近的巖溶化灰?guī)r。

圖4 line 03線剖面圖Figure 4 Line 03 section

圖5 line 07線剖面圖Figure 5 Line 07 section

圖6 line 10線剖面圖Figure 6 Line 10 section

3 結(jié)語

本次探測結(jié)果與現(xiàn)場勘查鉆孔資料基本一致，說明地質(zhì)雷達(dá)對查明埋深較淺區(qū)域的巖溶發(fā)育情況，能夠取得較好的定性成果。同時(shí)，從現(xiàn)場探測情況來看，地質(zhì)雷達(dá)的探測具有對施工干擾小，現(xiàn)場要求低的優(yōu)點(diǎn)，可以廣泛應(yīng)用于基礎(chǔ)工程勘察前期的巖溶探測工作。