探地雷达在地下岩溶探测中的应用

胡安顺

摘要：岩溶是一种发育于碳酸盐地层中较为常见的一种自然灾害，岩溶产生后，造成地表塌陷、地面变形、地面开裂，对地表建筑物造成一定的破坏，会造成房屋墙壁裂缝、屋内地面裂缝下沉，严重的直接导致建筑物倒塌。因此，在碳酸鹽地层进行工程建设，岩溶对地基稳定性的影响是不容忽略的因素，要处理好岩溶地基，首先要查明地基以下岩溶的分布情况，故加强岩溶地基探测方法的应用研究，采用合理有效的探测方法，有着重大的技术价值和经济意义。在岩溶探测中，探地雷达具有抗干扰能力强、分辨率较高等优势，被较多的应用于岩溶区的调查。本文以某建设工程场地为例，采用探地雷达对拟建工地基础进行了岩溶调查，通过对获得的雷达剖面资料进行处理和解释，取得了较好的探测效果，其技术方法可为同类岩溶的探测提供借鉴和指导。

关键词：探地雷达;岩溶;电磁波

1.引言

探地雷达具有分辨率高、定位准确、快速经济、灵活方便、剖面直观、实时图像显示等优点，在岩土工程勘察、工业与民用建筑场地岩溶探测、隧道超前探测、塔桥桥基等众多浅层勘察领域得到较广泛应用，并取得较好的效果。在浅层岩溶探测中，也显示出探地雷达技术的优越性和准确性。

2.地质概况

工作区基坑开挖约2.OOm-5.OOm，基础持力层为中风化石灰岩，测区内地表为第四系山前冲积，附近区域构造较为发育，受其影响，场区裂隙较为发育，围岩较为破碎。根据钻孔揭露，工作区地层由上到下主要为：

第四系素填土：棕黄色，松散，稍湿。以粘性土为主，局部含碎石。该层在场区多数钻孔分布，厚度：0.20m-1.20m，平均0.55m;层底标高：117.58m-119.89m，平均118.60m;层底埋深：0.20m-1.20m，平均0.55m。

奥陶系石灰岩：场区石灰岩分为两层，上层石灰岩青灰色，破碎，隐晶质结构，块状构造，矿物成分以方解石为主，溶蚀现象较发育，局部可见粘土及碎石充填物，岩芯多呈块状，取芯率低。该层在场区普遍分布，厚度：l.OOm-4.80m，平均2.59m;层底标高：114.12m-118.69m，平均115.85m;层底埋深：1.50m-4.80m，平均3.28m。

下层石灰岩呈青灰色，较完整，隐晶质结构，中厚层状构造，矿物成分以方解石为主，属较硬岩，稍有溶蚀现象，岩体较完整，基本质量等级为Ⅲ类，岩芯多呈柱状，取芯率80%。该层在场区普遍分布，厚度未穿透。

3.地球物理条件

探地雷达探测技术是利用介质的介电性质和导电性质差异进行探测，从物理性质上分析，雷达电磁波在不同地层或物质之间存在着不同的传播速度和频率，完整岩石与破碎带、裂隙、风化层等存在一定的物理性质差异，具体表现在：电磁波经过完整岩层时传播速率几乎不变，而经过破碎带、裂隙、风化层时电磁波速发生改变，反映在雷达波形图上，雷达波经过完整岩石或土层时雷达图像反射同相轴较为连续水平;经过裂隙破碎带及空洞时，岩体节理面对雷达波反射，使雷达图像出现强反射，形成反射同向轴的“错段”现象。这些地球物理性质的差异构成了开展探地雷达工作的前提。测区内岩溶发育位置与完整基岩存在较为明显的电性差异，所以利用探地雷达反射波法查明不良地质空间分布情况是可行的和有效的。

4.探地雷达勘探原理

探地雷达是将高频电磁波以短脉冲形式由地面通过天线T送人地下，经地下目的层或地质异常体（溶洞、断裂、空隙）反射后返回地面，为另一天线S所接收，电磁波信桩号为监视器所显示和存贮，以便室内资料处理时调用。

通过脉冲波行程需时的精确测定，可准确求出地下反射体深度。脉冲波行程需时：t=√4z22+x2/v，当地下介质中的波速v为已知时，可根据测到的精确t（ns）值（lns=10-9s），由上式求出反射体的深度z（m）。式中X（m）值在剖面探测中是固定的，V值（ m/ns）可以用宽角方式直接测量，也可以根据v一c√s近似算出（当介质的导电率很低时），式中C为光速（ C=0.3m/ns），ε为地下介质的相对介电常数，可利用已知数据或测定获得。

5.资料采集

野外数据采集使用中国电波传播研究所生产使用LTD2100型数字化探测雷达仪，野外探测时，根据探测目的体的不同深度可选择不同中心频率的天线以及不同的测点间距进行探测，表1是LTD2100型数字化探地雷达针对不同目的体尺寸与深度选用不同中心频率的天线：根据探测深度要求、现场试验和以往在本工作区经验，本次工作采用中心工作频率为270MHz的天线进行探测。本次工作根据拟建建筑物基础实际情况，采用南北向布设测线，测线间距2m，局部地段加密至Im，测点间距lOcm。采样点数1024samp/scan，采样频率32scans/sec，根据灰岩岩性中电磁波速度为0. lOm/ns-0. 12m/ns，取采样时窗为lOOns-120ns。

6.资料处理解释

当采用地质雷达对基岩进行探测时，发射的电磁波在地下传播。当地下介质（灰岩）完整时，雷达波反射能量很均匀;当地下介质（灰岩）内部存在溶洞、软弱夹层、裂隙、破碎带等地质现象时，雷达波会在溶洞、软弱夹层、裂隙、破碎带等的界面上发生强反射，反射波形态与上述不良地质现象的形态、大小、深度等因素有密切的关系。因此，从探测到的雷达反射波的曲线形态、振幅强度、相位等特征可以判断灰岩一定深度内上述地质现象的形态、性质及空间分布等。根据本次勘探结果，不同性质雷达剖面表现为不同的特征。

由于溶洞及裂隙的存在，会对电磁波有很强的吸收频散衰减作用，使雷达波频率降低，并且破碎围岩及裂隙还会引起雷达波波形紊乱甚至产生畸变，在雷达剖面上表现为雷达波组的中断或消失，溶洞上方则由于岩层相对完整而变化不明显。对于溶蚀后被黏土填充的溶洞，由于黏土与岩石电磁波速相差较大，所以在溶洞区内雷达波的波速常常会由于这些充填物的存在而降低，导致溶洞内部的雷达波会与围岩的雷达波存在一个较为明显的走时差。此外，由于溶洞内部充填物的杂乱堆积会造成雷达波的同相轴发生能量减弱、连续性降低等现象，也会在雷达图像上出现与围岩图像不同的明显标志。图1为15线雷达探测图像，由图1可以看出，在浅部雷达波形稳定，振幅较强，可连续追踪的似水平层状反射同向轴，该特征为均质岩性在雷达图上的反映，在探地雷达剖面水平方向K0+5.Om-K0+7.Om，深度在1.3m-2.7m，出现明显的雷达波同向轴缺失，推断为裂隙或岩石破碎。

本次利用探地雷达勘探技术在建设场地内共圈定地下岩溶及裂隙发育地段7处，结合场地工程勘察资料，本次工作圈定的岩溶裂隙区分布范围及深度与钻孔揭露基本一致。岩溶裂隙区分布深浅不一，深度多分布在建设场地基坑底部1m-3m，在雷达断面图上，呈现出不同深度的雷达波同向轴不连续或缺失。

7.结语

（1）通过探地雷达进行岩溶勘察，提高了勘察精度，加快了勘察速度，达到了预期勘察效果;探地雷达探测中需要探测目的体与周围岩石存在明显的介电常数差异，且电性稳定，电磁波反射信号明显，探测目的体埋藏不宜过深，并与埋深相对比要有一定规模;探地雷达直接利用基岩表面探测岩溶，探测精度较高。

（2）由于岩溶裂隙发育规模、深度、充填物等复杂多样，使得岩溶探测图像没有一个通用的标准处理解释，工作前，应结合场区已有勘探孔地质资料进行多参数现场试验。工作中通过不同频率参数组合来处理不同大小、不同深度的目标体，同时结合工程钻探等地质资料来相互对比印证，可以更有效的提高勘探的准确性。

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