花曉鳴， 盧　松， 吳豐收

(中鐵西南科學(xué)研究院有限公司，成都　61000)

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探地雷達(dá)用于城市淺表層勘察的可行性研究及實(shí)例分析

花曉鳴， 盧松， 吳豐收

(中鐵西南科學(xué)研究院有限公司，成都61000)

摘要：探地雷達(dá)(Ground Penetrating Radar，GPR)是一種有效的城市淺表層探測(cè)方法。這里簡要敘述了探地雷達(dá)的工作原理及其應(yīng)用于城市淺表層地層劃分和缺陷地質(zhì)體勘察中的可行性,通過現(xiàn)有的工程實(shí)例分析，展示其可作為一種便捷、經(jīng)濟(jì)和高效的城市淺表層勘察技術(shù)。

關(guān)鍵詞：探地雷達(dá)； 城市淺表層； 地層劃分； 地質(zhì)災(zāi)害

0引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，城市建設(shè)也得到了空前的發(fā)展，但隨之而來的工程地質(zhì)問題也日益突出。在過去大范圍的地表調(diào)查工作為工程建設(shè)提供了基本的技術(shù)保障，但現(xiàn)代的城市建設(shè)和擴(kuò)張使原本裸露的地表增加了許多覆蓋層(路面、管線、綠化和堆積物等)，給城市的地質(zhì)勘察帶來了極大的困難，另外由于地勘鉆孔需要臨時(shí)占地，也存在很大的局限性。因此如何選擇更加便捷、經(jīng)濟(jì)和高效的新技術(shù)(方法)對(duì)城市淺表層進(jìn)行深入和迅速的勘察，是地質(zhì)工程界不斷探索的課題。這里以探地雷達(dá)在城市淺表層勘察中的實(shí)際工程為依托，闡述了其在淺層地質(zhì)勘察中所起的重要作用。

1探地雷達(dá)簡介

探地雷達(dá)[1]是一種探測(cè)地下結(jié)構(gòu)和埋藏物的新型無損探測(cè)儀器，它是穿過介質(zhì)對(duì)其中的目標(biāo)體進(jìn)行探測(cè)的。探地雷達(dá)在地表上向地下發(fā)射某種形式的電磁波，電磁波在地下介質(zhì)特性發(fā)生變化的界面上發(fā)生反射并返回地面。由于電磁波在傳播過程中，其路徑、電磁場(chǎng)強(qiáng)度與波形將隨所通過介質(zhì)的介電性質(zhì)及幾何形態(tài)的變化而產(chǎn)生不同程度的變化。所以，根據(jù)回波信號(hào)的時(shí)延、形狀及頻譜特性等參數(shù)，可以解譯出地下目的體的深度、介質(zhì)結(jié)構(gòu)及性質(zhì)[4-5](圖1)。

圖1　探地雷達(dá)工作原理圖Fig．1　GPR works figure

探地雷達(dá)天線的選擇至關(guān)重要，通常需要考慮三個(gè)主要因素：①設(shè)計(jì)的空間分辨率；②雜波的干擾；③深度測(cè)量。它關(guān)系到雷達(dá)的探測(cè)能力，在滿足分辨率且場(chǎng)地條件又許可時(shí)，應(yīng)盡量使用中心頻率較低的天線?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試多采用連測(cè)模式，并在數(shù)據(jù)采集過程中應(yīng)重視增益的設(shè)置、濾波設(shè)置和天線的極化方向等。

根據(jù)探地雷達(dá)的探測(cè)原理及天線選擇的因素，可見它具有效率高、對(duì)探測(cè)場(chǎng)地和目標(biāo)無破壞性、較高的分辨率及較強(qiáng)的抗干擾能力等特點(diǎn)。目前隨著信號(hào)處理技術(shù)和電子技術(shù)的發(fā)展，探地雷達(dá)技術(shù)不斷進(jìn)步，應(yīng)用范圍也不斷擴(kuò)大。

2探地雷達(dá)應(yīng)用于城市淺表層勘察中的可行性分析

城市淺表層主要由粘土、砂、覆蓋層(堆積物和淤積物等)、破碎巖石(卵石)、地下水和完整巖石等組成，它們的吸收系數(shù)β存在差異，而吸收系數(shù)β決定了場(chǎng)強(qiáng)在傳播過程中的衰減速率，對(duì)以位移電流為主的介質(zhì)，β的近似值為式(1)。

(1)

在式(1)中，β與導(dǎo)電率成正比，與介電常數(shù)的平方根成正比。因此電磁波在不同介質(zhì)中，其傳播過程中傳播速度、能量衰減、頻率變化等明顯不同(表1)。

表1　城市淺表層常見物質(zhì)介電常數(shù)表

根據(jù)表1可知，用于城市淺表層的材料具有較明顯的電性差異。這種差異表現(xiàn)在探地雷達(dá)剖面上，主要為存在明顯的波譜變化。根據(jù)它們的波譜差異以及雷達(dá)波在不同介質(zhì)層的傳播特性，能很好地確定它們的空間分布。由此可見，探地雷達(dá)應(yīng)用于城市淺表層勘察是可行的。

在探地雷達(dá)進(jìn)行工作之前必須首先建立測(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[2-3]：

1)根據(jù)勘察目標(biāo)的幾何大小與空間位置，確定測(cè)線或測(cè)網(wǎng)的密度。

2)測(cè)線應(yīng)盡量垂直目標(biāo)體的長軸。

3)在基巖面等二維目標(biāo)體調(diào)查時(shí)，測(cè)線應(yīng)沿二維體的走向，線路取決于目的體沿走向方向的變化程度。

4)在精細(xì)了解地下地質(zhì)構(gòu)造時(shí)，可采用三維探測(cè)方式，獲得地下三維圖像。

5)盡量避開或減少各種不利的干擾因素，并對(duì)測(cè)線周邊可疑干擾源做詳細(xì)記錄。

只有建立坐標(biāo)系統(tǒng)后，才能使探測(cè)的目標(biāo)以平面化、網(wǎng)格化和立體化的形式顯示在平面圖或者立體圖上，為下步進(jìn)行深入的工作奠定良好基礎(chǔ)。

3探地雷達(dá)用于城市淺表層勘察的實(shí)例分析

3.1劃分城市淺表層的地層

3.1.1測(cè)區(qū)概況及測(cè)線布置

在西南某城市建設(shè)中，綠地公園頂部車行道路(車流量較大)出現(xiàn)裂縫，裂縫寬度達(dá)到5 cm左右，下部為溝谷，且雨季來臨時(shí)有大量積水，可能造成路面承載能力顯著降低，甚至局部滑坡。為了節(jié)約時(shí)間和工程量，并保證頂部道路暢通，需要迅速探明覆蓋層的厚度，為進(jìn)一步開展填修工程提供保障?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)線布置按照平行溝谷方向布置(垂直溝谷方向高度差過大)。

3.1.2淺表層地層劃分的圖像解釋

測(cè)試采用的是GSSI的SIR-3000型探地雷達(dá)，配置100 MHz天線，探測(cè)深度在10 m～30 m之間。根據(jù)地質(zhì)調(diào)查，測(cè)區(qū)內(nèi)坡積層及強(qiáng)風(fēng)化層厚度約為15 m，因此選擇100 MHz天線可以滿足適用需求。測(cè)試時(shí)采用與溝谷平行的方式進(jìn)行，水平高度差較小便于測(cè)試，采用連續(xù)測(cè)試的方式進(jìn)行。

探地雷達(dá)探測(cè)連續(xù)剖面長度達(dá)200 m，這里僅選擇其中一段(圖2)進(jìn)行典型分析。測(cè)線的地面比較平整，所以雷達(dá)的板式天線可以很好地貼近地面，使測(cè)得的雷達(dá)波形的規(guī)律性很強(qiáng)。該段測(cè)線在0 m～6.8 m范圍內(nèi)，波形斷續(xù)受到干涉(已濾波),呈典型的復(fù)合波特征，分析認(rèn)為這是由覆蓋層中的不均勻體(地表主要為坡積層，局部為雜填土，干擾因素復(fù)雜，更重要的是坡面上下坡積層及強(qiáng)風(fēng)化層的電性差異很小，給圖像識(shí)別帶來一定的困難)引起；在6.8 m～15 m范圍內(nèi)，同相軸連續(xù)性好,波組清晰,反射信號(hào)強(qiáng),結(jié)合地質(zhì)資料推斷6.8 m為強(qiáng)風(fēng)化基巖面的反射；在埋深15 m～25 m范圍內(nèi)，波形連續(xù)且無明顯的強(qiáng)波組出現(xiàn)，反映該剖面巖體內(nèi)部物質(zhì)均勻，結(jié)合地質(zhì)資料推斷15 m為中風(fēng)化的基巖。

圖2　城市地層劃分成果圖Fig．2　City stratigraphic division achievement chart(a)雷達(dá)測(cè)試圖;(b)成果解釋圖

根據(jù)雷達(dá)反演得到的剖面圖形，選取典型(在里程033處)位置進(jìn)行鉆孔。經(jīng)驗(yàn)證，證明探地雷達(dá)成果準(zhǔn)確。

3.2探測(cè)城市淺表層的地質(zhì)災(zāi)害

3.2.1測(cè)區(qū)概況及測(cè)線布置

西北(黃土區(qū))某城市地鐵建設(shè)中，線路位于城市道路主干道上(平行方向)，但在盾構(gòu)機(jī)開挖過程中，遇到滲水、坍塌和地面沉陷等災(zāi)害，給地面交通帶來擁堵。施工方為了確保施工安全，需要迅速查明盾構(gòu)機(jī)前方的地質(zhì)災(zāi)害(缺陷)[4]范圍及地質(zhì)狀況。因此，采用了探地雷達(dá)進(jìn)行淺表層的探測(cè)。為了保證正常交通，測(cè)線沿行車方向進(jìn)行布置(圖3)。

圖3　探地雷達(dá)測(cè)線布置圖Fig．3　GPR survey line layout

3.2.2地質(zhì)災(zāi)害(缺陷)的圖像解釋

測(cè)試采用的是GSSI的SIR-20型探地雷達(dá)，配置100 MHz天線對(duì)，探測(cè)深度在10 m～30 m(滿足測(cè)深要求)。測(cè)試時(shí)按照?qǐng)D3的測(cè)線布置進(jìn)行連續(xù)測(cè)試。

圖4　淺層地質(zhì)災(zāi)害(缺陷)探測(cè)成果Fig．4　Detection results of shallow geological 　　　disasters(Defects)(a)雷達(dá)測(cè)試圖;(b)成果解釋圖

探地雷達(dá)探測(cè)區(qū)域剖面長度達(dá)640 m，選擇6-3測(cè)線位置進(jìn)行典型分析。測(cè)線的地面比較平整，測(cè)得的雷達(dá)波形的規(guī)律性很強(qiáng)。從探地雷達(dá)測(cè)量剖面(圖4)來看，該段測(cè)線450 m～470 m處，存在明顯的異常區(qū)域。異常區(qū)域反射波組出現(xiàn)在4 m～15 m深度范圍內(nèi)，覆蓋層中有清晰的反射波組出現(xiàn)，推斷為道路表層及路基層面引起。值得注意的是在460 m附近，埋深約4 m位置，形成雙曲線型波組異常區(qū)域[5]，推斷在該處存在土洞，埋深約4 m，高度約1 m；在埋深5 m～15 m范圍內(nèi)，回波能量反射強(qiáng)烈，振幅變化明顯，反射波同相軸存在明顯的錯(cuò)斷和不平整現(xiàn)象，且相鄰測(cè)線雷達(dá)圖像均存在相似現(xiàn)象，分析認(rèn)為該層為土洞在外力或地下水的作用下形成的塌陷。由于該地質(zhì)災(zāi)害(缺陷)橫穿路面，其余測(cè)線均有反映，且地表已經(jīng)發(fā)現(xiàn)明顯裂痕，因此建議該段進(jìn)行加固處理。后經(jīng)開挖證實(shí)，該段為抗戰(zhàn)時(shí)期的人防通道，在外力、地下水和周邊管線滲漏的共同作用下已經(jīng)發(fā)生坍塌，且充填地下水。

4結(jié)論

探地雷達(dá)作為一種無損、便捷、迅速和準(zhǔn)確的高新探測(cè)技術(shù)，在城市淺表層探測(cè)領(lǐng)域中的作用日益顯著，并且隨著對(duì)電磁波研究的日益深入,其應(yīng)用前景將日益寬廣[6]。根據(jù)多次探測(cè)結(jié)果綜合分析，兩介質(zhì)物性差異越大，其界面也越容易分辨，因此在城市淺表層探測(cè)中，地層差異、地質(zhì)災(zāi)害(缺陷)幾何屬性越明顯，探測(cè)效果越好。

針對(duì)城市淺表層地層劃分和地質(zhì)體災(zāi)害(缺陷)方面進(jìn)行了討論，但未詳細(xì)展開，具體有以下兩方面：① 雖然在城市淺表層地層劃分方面取得一定成果，但未深入分析在淤泥、凍土和砂土等探測(cè)效果；② 除了坍塌、空洞等災(zāi)害外，城市淺表層存在的其它地質(zhì)災(zāi)害的雷達(dá)檢測(cè)可行性有待進(jìn)一步研究。

總之采用探地雷達(dá)探測(cè)城市淺表層是可行的，但需要根據(jù)探測(cè)深度、精度和周邊環(huán)境等因素適時(shí)調(diào)整，針對(duì)不同的問題，采用適當(dāng)?shù)脑O(shè)備和方法。

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The feasibility study for the GPR using in city shallow survey and the nalysis of examples

HUA Xiao-ming, LU Song, WU Feng-shou

(China Southwest Research Institute Of China Railway Engieering Company Limited, Chengdu610000,China)

Abstract:GPR is an effective methods of urban shallow exploration. This paper briefly describes the principle of GPR and its feasibility, which used in urban shallow stratigraphic division and geological reconnaissance defects.Through the analysis of existing project examples, the paper shows that it can be used as a convenient, economical and efficient urban shallow survey techniques.

Key words:GPR； city shallow； geological strata； geological disasters

中圖分類號(hào)：P 631.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.3969/j.issn.1001-1749.2016.01.07

文章編號(hào)：1001-1749(2016)01-0048-04

作者簡介：花曉鳴(1983-)，男，工程師，主要從事工程地質(zhì)和物探等相關(guān)工作，E-mail：6153452@qq.com。

基金項(xiàng)目:中鐵西南院項(xiàng)目(2013-Z002-KJB02-DZ)

收稿日期：2015-03-12改回日期：2015-06-07