地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)技術(shù)在不良地質(zhì)處理中的應(yīng)用
——阿曼拉斯瑪卡茲原油儲(chǔ)罐工程地下喀斯特巖溶空洞解決方案

劉 蕊，楊光升，黃興華，李 德

1中國(guó)石油天然氣管道工程有限公司，河北 廊坊

2中國(guó)石油管道局工程有限公司國(guó)際事業(yè)部，河北 廊坊

1. 引言

地質(zhì)雷達(dá)(Ground Penetrating Radar，簡(jiǎn)稱GPR)，又叫探地雷達(dá)，是一種快速無(wú)損的地球物理探測(cè)技術(shù)，最早在1910 年由德國(guó)科學(xué)家提出利用電磁波探測(cè)地下目標(biāo)體分布特征的概念理論，直到1970 年美國(guó)地球物理探測(cè)設(shè)備公司(Geophysical Survey System Inc.，簡(jiǎn)稱GSSI)生產(chǎn)出第一臺(tái)商業(yè)性質(zhì)的地質(zhì)雷達(dá)。近些年來(lái)，地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)技術(shù)在探測(cè)方法和儀器研制等方面有了較大的發(fā)展，其探測(cè)范圍、成像分辨率、探測(cè)準(zhǔn)確度等不斷擴(kuò)大和提高，已廣泛應(yīng)用于巖土工程勘察、工程質(zhì)量無(wú)損檢測(cè)、水文地質(zhì)調(diào)查、城市地下管網(wǎng)普查、文物及考古探測(cè)等眾多領(lǐng)域，取得了顯著的質(zhì)量效果和經(jīng)濟(jì)效益。本文以中國(guó)石油管道局工程有限公司在阿曼拉斯瑪卡茲原油儲(chǔ)罐工程中進(jìn)行地下巖溶空洞勘察和處理為例，闡述了地質(zhì)雷達(dá)在油氣工程建設(shè)中應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn)。

2. 地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)技術(shù)介紹

2.1. 探測(cè)原理

地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)是以地下不同介質(zhì)的介電常數(shù)差異為基礎(chǔ)的一種回聲測(cè)深方法。它通過(guò)發(fā)射天線向地下發(fā)射電磁波，主頻為數(shù)十兆赫至數(shù)百以至千兆赫，電磁波在地下介質(zhì)中傳播時(shí)遇到存在電性差異的介質(zhì)分界面時(shí)會(huì)發(fā)生反射，反射波傳回地表后被接收天線所接收，并將其傳入主機(jī)進(jìn)行記錄和顯示，根據(jù)接收到的電磁波波形、振幅強(qiáng)度、幾何形態(tài)和時(shí)間變化等特征，經(jīng)過(guò)分析處理和反演解釋，推斷探測(cè)區(qū)域范圍內(nèi)的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造和異常體的分布情況。

雷達(dá)天線包括發(fā)射天線和接收天線，當(dāng)發(fā)射的電磁波在傳播過(guò)程中遇到電性差異的不同介質(zhì)發(fā)生反射時(shí)，其反射強(qiáng)度由如下公式[1]計(jì)算：

其中，R 為電磁波反射系數(shù)，ε1和ε2為兩種介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)。探測(cè)深度由如下兩個(gè)公式[2]確定：

c 為真空中的光速，t 為雷達(dá)反射波的雙程傳播時(shí)間。υ 為電磁波在介質(zhì)中的傳播速度，主要取決于介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)。相對(duì)介電常數(shù)rε 是介質(zhì)的介電常數(shù)與空氣介電常數(shù)的比值，范圍為1 (空氣)至81 (水)。工程勘察中常見(jiàn)介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)見(jiàn)表1。

Table 1. The relative permittivity of common media 表1. 常見(jiàn)介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)

通過(guò)對(duì)反射波的檢測(cè)、分析，就可確定地下不同介質(zhì)的空間位置、結(jié)構(gòu)、形態(tài)和埋藏深度，可以提前發(fā)現(xiàn)隱伏在地下的危險(xiǎn)空洞隱患，提前預(yù)警，在災(zāi)難發(fā)生前及時(shí)采取措施維修處治。

2.2. 應(yīng)用范圍

由于地層對(duì)電磁波的衰減隨工作頻率的升高而增大，因此低頻段多用于探測(cè)衰減較大的地下目標(biāo)或遠(yuǎn)距離目標(biāo)，高頻段多用于探測(cè)衰減較小的地層、淺部或表面勘測(cè)。中間頻段既有較大的探測(cè)距離又兼顧了分辨率，所以多用于普查勘探，而高頻段和低頻段儀器多用于詳查、精查勘探或針對(duì)性較強(qiáng)的探測(cè)。

同時(shí)，由于雷達(dá)波對(duì)物體的電磁特性敏感，因此其主要用途在于探測(cè)結(jié)構(gòu)組成、內(nèi)部缺陷等，例如可采用雷達(dá)波技術(shù)探查地下管線、電纜、光纖等分布情況，也可探測(cè)地面下的孔洞和淺層的地層結(jié)構(gòu)，以及探測(cè)混凝土結(jié)構(gòu)中的孔洞和裂縫等缺陷損傷的位置和范圍，多用于質(zhì)量驗(yàn)收和日常維護(hù)等。

2.3. 工作流程

通常，地質(zhì)雷達(dá)的工作流程分如下5 步：1) 對(duì)目標(biāo)體特征與所處環(huán)境進(jìn)行分析，建立測(cè)區(qū)坐標(biāo)，布置測(cè)網(wǎng)；2) 選擇測(cè)量參數(shù)，包括設(shè)置天線中心頻率、采樣率等；3) 建立測(cè)區(qū)目標(biāo)體的地質(zhì)雷達(dá)圖像特征； 4) 確定地層的電磁波速度；5) 完成實(shí)地測(cè)量，整理報(bào)告[3]。

2.4. GRP 數(shù)據(jù)收集和處理

地質(zhì)雷達(dá)涉及大量信息的收集，但并非所有收集到的信息都具有工程意義。數(shù)據(jù)分析前先要了解被調(diào)查地層的主要介質(zhì)情況并確定其基本條件特征，然后識(shí)別其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和條件的變化，有條件的話還要與其他區(qū)域調(diào)查的類似結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較，從而才能夠繪制出準(zhǔn)確的重要特征。

通過(guò)組合分析地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)中下面三個(gè)主要變量，可以確定地下介質(zhì)的分布情況：

· 從介質(zhì)內(nèi)部和分界面反射的信號(hào)的振幅、相位和速度，可獲得介質(zhì)材料類型的信息；

· 從收集到的信號(hào)的連續(xù)性可分析出介質(zhì)形狀；

· 從電磁波通過(guò)介質(zhì)的傳播時(shí)間可獲得介質(zhì)層厚度或深度信息。

GRP 數(shù)據(jù)處理旨在優(yōu)化數(shù)據(jù)資料、突出目標(biāo)體、最大限度地減少外界干擾，為進(jìn)一步解釋提供清晰可辨的圖像，經(jīng)處理后的雷達(dá)反射波剖面圖可進(jìn)一步用于地質(zhì)現(xiàn)象解釋。

對(duì)所記錄下來(lái)的數(shù)據(jù)分析處理主要有下表2 所示的幾個(gè)階段：

· 初始校正

· 信號(hào)修復(fù)

· 動(dòng)態(tài)修正

· 噪點(diǎn)消除

· 繪制頻譜圖

Table 2. The phases of GRP data analysis 表2. GRP 數(shù)據(jù)處理階段示例

3. 工程實(shí)例

3.1. 項(xiàng)目概況

阿曼拉斯瑪卡茲原油儲(chǔ)罐項(xiàng)目的建設(shè)場(chǎng)區(qū)位于阿曼中部省的東南部，東臨阿拉伯海，屬于海岸階地地貌。臨近海岸線附近存在明顯的陡崖，海拔相對(duì)于高程基準(zhǔn)面約105 m。罐區(qū)及主要建筑單體均位于階地上部，地表可見(jiàn)孤立的溶蝕和風(fēng)蝕殘丘，屬于典型的喀斯特地形，如下圖1 所示。喀斯特地形區(qū)域沉積巖(通常是石灰?guī)r、白云巖或大理石)在地下水的作用下溶解，易形成地下洞穴和裂隙等，大的空洞可能導(dǎo)致突然災(zāi)難性的地面破壞，也可能造成漸進(jìn)的地面沉降，對(duì)于工程建設(shè)來(lái)說(shuō)是重大安全風(fēng)險(xiǎn)和質(zhì)量隱患。

Figure 1. Typical drawing of karst topography 圖1. 阿曼現(xiàn)場(chǎng)卡斯特地形典型圖

在工程前期利用鉆孔方式進(jìn)行地質(zhì)勘察時(shí)，鉆孔過(guò)程中有不同程度的鉆桿突然快速下落以及鉆孔泥漿丟失現(xiàn)象，已證實(shí)了部分地下洞穴或裂隙的存在，但由于巖溶分布沒(méi)有規(guī)律，鉆探布孔較難掌握，且受鉆探工作量和成本的制約，單靠鉆探這種單一手段探測(cè)地下巖溶情況，從效率和經(jīng)濟(jì)上都難盡人意?？紤]到地下可能會(huì)有更多的溶洞(尤其是隱伏溶洞)會(huì)引起設(shè)施坍塌或地基沉降，遂決定采用地質(zhì)雷達(dá)物探技術(shù)進(jìn)行溶洞探測(cè)，以快速有效地查明巖溶發(fā)育帶，較準(zhǔn)確地判斷巖溶空洞的規(guī)模和分布情況，并采取相應(yīng)的處理措施。

根據(jù)本工程關(guān)鍵設(shè)施的坐標(biāo)位置，共測(cè)繪出分散分布的14 處主要位置，共約43,565 m2的面積大小，采用地質(zhì)雷達(dá)對(duì)其進(jìn)行淺層地表下可能存在的空洞進(jìn)行探測(cè)和記錄。

3.2. 現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)

3.2.1. 探測(cè)設(shè)備選擇

采用美國(guó)地球物理探測(cè)設(shè)備公司(GSSI)所生產(chǎn)的儀器，型號(hào)為SIR3000 數(shù)字雷達(dá)探測(cè)儀，工作主頻為200 MHz，時(shí)窗寬度為100 ns，有效探測(cè)深度為8 m。主要配件由筆記本電腦、控制面板、發(fā)射機(jī)、發(fā)射天線、接收天線、接收機(jī)、電纜及附件等。

3.2.2. 探測(cè)準(zhǔn)備及測(cè)線布置

地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)前必須首先建立測(cè)區(qū)坐標(biāo)系統(tǒng)，以確定測(cè)線的平面位置，其測(cè)網(wǎng)和測(cè)線布置應(yīng)符合以下原則：

· 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地形地物條件情況，使空氣中反射波盡量不影響要探測(cè)的目標(biāo)；

· 在探測(cè)之前，首先要對(duì)所探目標(biāo)區(qū)域的基本情況進(jìn)行充分調(diào)查，對(duì)目標(biāo)區(qū)域附近的地下埋設(shè)物(如電纜、管線、暗溝等)也要有較全面的了解，以便于與雷達(dá)探測(cè)的結(jié)果對(duì)比，以排除其他因素產(chǎn)生的影響；

· 應(yīng)盡量避開(kāi)高壓電線、變電站等高頻電磁干擾較大的區(qū)域；

· 對(duì)于未知探測(cè)目標(biāo)走向，可采用布置正交的網(wǎng)格測(cè)線，測(cè)線間距由所需探測(cè)對(duì)象的大小而定；

· 根據(jù)分辨率要求確定測(cè)線或測(cè)網(wǎng)的密度；

· 如已知探測(cè)目標(biāo)的走向，可采用測(cè)線垂直目標(biāo)體的長(zhǎng)軸的探測(cè)方式。

3.2.3. GPR 現(xiàn)場(chǎng)操作

本工程現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行雷達(dá)探測(cè)時(shí)，場(chǎng)地完成回填并已平整至設(shè)計(jì)標(biāo)高，上部覆蓋層已挖除，地面較平整，這為雷達(dá)探測(cè)提供了有利條件。

因?yàn)槔走_(dá)探測(cè)其剖面時(shí)速度有所變化，為確保采樣的一致性，選擇用圖2 所示的測(cè)量輪車模式來(lái)控制采集地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)的速度，此舉也可實(shí)時(shí)定位所探測(cè)到的信號(hào)特征。測(cè)量輪車在測(cè)量開(kāi)始前進(jìn)需行校準(zhǔn)。

雷達(dá)設(shè)備以每米20 次掃描的速度工作，以確保在較短的測(cè)量長(zhǎng)度內(nèi)也能提供足夠的數(shù)據(jù)密度。

Figure 2. GRP field operation 圖2. 地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)現(xiàn)場(chǎng)操作

傳感器(包括天線發(fā)射機(jī)和接收機(jī))在地面上以受控的速度通過(guò)。短脈沖的無(wú)線電能量被傳輸?shù)降孛嬉韵虏⒃诮橘|(zhì)分界面處反射，如遇到空洞等異常，信號(hào)將被接收器檢測(cè)并記錄。這種方式的采樣非常迅速，收集到的數(shù)據(jù)實(shí)際上是一個(gè)連續(xù)的截面圖，能夠快速評(píng)估地下介質(zhì)的大致厚度和狀況。

3.3. GPR 結(jié)果釋義及影響效果因素分析

經(jīng)過(guò)地質(zhì)雷達(dá)對(duì)整個(gè)場(chǎng)地共14 處區(qū)域進(jìn)行測(cè)量，詳細(xì)記錄了測(cè)量范圍內(nèi)地下介質(zhì)的詳情，包括各異常點(diǎn)的坐標(biāo)、深度等。受篇幅所限，本文僅以第11 處位置的測(cè)量數(shù)據(jù)為例進(jìn)行分析，數(shù)據(jù)分析詳見(jiàn)圖3 所示。

地下介質(zhì)介電常數(shù)與周圍巖土層差異較大時(shí)，雷達(dá)波反射強(qiáng)烈，特征明顯，易于識(shí)別。地質(zhì)雷達(dá)在探測(cè)到地下空洞時(shí)，由于介質(zhì)為空氣，反射波形態(tài)垂向分辨性好，雷達(dá)圖像在空洞上下表面特征顯示較為明顯。為了更直觀的確定不良地質(zhì)條件的位置，地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)處理時(shí)對(duì)高振幅反射信號(hào)的位置進(jìn)行更加突出的顯示。所以，當(dāng)發(fā)現(xiàn)反射振幅顯著增加的區(qū)域可以被解讀為該處地面以下可能有空洞或有介質(zhì)材料的明顯變化。這些點(diǎn)在圖3 中以網(wǎng)紋線形式標(biāo)示了出來(lái)，不同的顏色和圖案類型標(biāo)示該異常點(diǎn)的不同深度。

需要注意，標(biāo)記為黑色網(wǎng)格線的這些高振幅反射區(qū)域，根據(jù)分析并不是由于空洞原因，而是其他因素造成的。這主要因?yàn)榈刭|(zhì)雷達(dá)技術(shù)所基于的電磁波理論實(shí)際上比較復(fù)雜，實(shí)際探測(cè)中會(huì)受到介質(zhì)性質(zhì)、目標(biāo)體性質(zhì)和尺寸、探測(cè)環(huán)境、儀器性能和技術(shù)經(jīng)驗(yàn)等因素的影響，尤其是當(dāng)巖體本身不均勻性比較嚴(yán)重或結(jié)構(gòu)面較發(fā)育，以及探測(cè)環(huán)境受干擾較大時(shí)，會(huì)嚴(yán)重影響其探測(cè)效果的準(zhǔn)確性。

Figure 3. GRP data analysis figure 圖3. 地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)分析圖

上圖3 給出了該探測(cè)區(qū)域(第11 區(qū))地質(zhì)雷達(dá)顯示異常的一個(gè)例子，其反射振幅的深度可按不同顏色分類如下：

· 深度小于2 米(洋紅色)

· 深度2～3 米(深藍(lán)色)

· 深度3 至4 米(淺藍(lán)色)

· 深度4～5 米(青色)

· 深度大于5 米(黑色)

下圖4 給出了一個(gè)高振幅反射數(shù)據(jù)的例子，表明可能有空洞存在，或者地下介質(zhì)層完整性較低。

Figure 4. Example of high amplitude reflection due to voiding 圖4. 空洞原因引起的高輻射反射示例圖

在分析地質(zhì)雷達(dá)異常特征時(shí)，需排除因近地表介質(zhì)不均勻產(chǎn)生的“假異?！?。如當(dāng)近地表介質(zhì)疏松、孔隙較大或含有其他積雜物時(shí)，會(huì)引起雷達(dá)電磁波的散射，使圖像信號(hào)變亂。在這些情況下，要想準(zhǔn)確分辨出目標(biāo)點(diǎn)是否真正異常，需對(duì)異常點(diǎn)逐個(gè)分析篩選，確定每個(gè)異常點(diǎn)的地質(zhì)含義，對(duì)情況復(fù)雜的地段，要采用多次重復(fù)探測(cè)、調(diào)試多種參數(shù)、平移探測(cè)剖面等手段，進(jìn)一步確認(rèn)是否屬于空洞。下圖5 給出了此類高振幅反射的例子，是由明顯的巖體不均勻性造成的，而非空洞。

Figure 5. Example of high amplitude reflection due to factors other than voiding 圖5. 非空洞原因引起的高輻射反射示例圖

3.4. 開(kāi)挖驗(yàn)證及處理措施

根據(jù)探測(cè)報(bào)告中確定的異常位置和深度，可選擇部分典型的區(qū)域進(jìn)行開(kāi)挖或鉆孔驗(yàn)證。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖發(fā)現(xiàn)，雷達(dá)探測(cè)的結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況基本符合。經(jīng)挖掘后發(fā)現(xiàn)巖溶空洞穩(wěn)定性較好，洞內(nèi)無(wú)滴水、漏水，洞體比較干燥，無(wú)近期崩塌痕跡，底板表面無(wú)大塊崩塌物。如圖6 所示。

Figure 6. GRP result verification through excavation 圖6. 現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖驗(yàn)證GRP 探測(cè)結(jié)果

通常油氣工程建設(shè)中常見(jiàn)的對(duì)于在巖溶地區(qū)施工進(jìn)行地基處理所采用的處理措施主要有填充法、跨接法、注漿法、褥墊層法和樁基穿越法等。結(jié)合本項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，主要適用于填充法和注漿法進(jìn)行處理。詳細(xì)的處理方法不在本文的討論范圍。

4. 結(jié)論

1) 通過(guò)上述利用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行地下溶洞勘察的介紹可知，作為一種先進(jìn)的探測(cè)手段，地質(zhì)雷達(dá)方法采用的全方位無(wú)損探測(cè)是普通鉆孔物探的有力補(bǔ)充，運(yùn)用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行地下溶洞勘察不僅工作方法簡(jiǎn)便、靈活，且圖像直觀，效果比較理想。

2) 地質(zhì)雷達(dá)具有淺層探測(cè)的優(yōu)勢(shì)，分辨率較高，在探測(cè)現(xiàn)場(chǎng)即可以對(duì)探測(cè)成果進(jìn)行初步的分析，便于及時(shí)驗(yàn)證。對(duì)作業(yè)場(chǎng)地條件要求也不高，既可以點(diǎn)測(cè)，又可以連續(xù)測(cè)量。

3) 數(shù)據(jù)在后期處理時(shí)，需要充分考慮探測(cè)區(qū)域的地質(zhì)環(huán)境因素，以便做出正確的解讀。

4) 地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)只作為勘察的一種方法，有條件的話，應(yīng)以其他手段為輔，多手段、多方法的有效配合，才有可能最大程度地提高準(zhǔn)確度和精確度。