探地雷達(dá)在灰?guī)r巖體破碎區(qū)探測中的應(yīng)用

吳青 龔智敏 李曉曉

摘 要：文章介紹了探地雷達(dá)法探測技術(shù)的原理，并依工程實例為背景，重點針對灰?guī)r巖體中破碎區(qū)域在雷達(dá)圖像上的特征進(jìn)行解析。結(jié)果表明，巖石破碎區(qū)在雷達(dá)圖像上特征明顯，具有較明顯的反應(yīng)，探地雷達(dá)法對灰?guī)r巖石破碎區(qū)探測具有較好的實用性。

關(guān)鍵詞：灰?guī)r巖體 探測 探地雷達(dá) 巖石破碎區(qū)

中圖分類號：P631 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）10（a）-0024-02

探地雷達(dá)法作為一種高效、便捷的無損探測手段，在巖土工程和混凝土工程中廣泛應(yīng)用。但其應(yīng)用前景尚存在潛在威脅，即雷達(dá)圖像解釋的準(zhǔn)確性。眾所周知，雷達(dá)圖像的解釋工作具有很大的主觀性，解釋結(jié)果的準(zhǔn)確與否和解釋人員對異常的識別能力有很大關(guān)系。雖然關(guān)于探地雷達(dá)法的測試規(guī)程規(guī)范較多，但多涉及操作層面，尤其在巖體探測方面，關(guān)于各種缺陷體的雷達(dá)圖像特征描述較少，缺少規(guī)范性的條文，造成同樣的圖像，不同的人判讀，結(jié)果存在差異。巖體破碎區(qū)是巖體中常見的不良地質(zhì)體，該文根據(jù)工程經(jīng)驗，對灰?guī)r巖體中破碎區(qū)在雷達(dá)圖像特征進(jìn)行分析總結(jié)，望對提高雷達(dá)解釋的準(zhǔn)確性產(chǎn)生一定的意義。

1 原理

探地雷達(dá)法（Ground Penetrating Radar Method）是利用發(fā)射天線向目標(biāo)體發(fā)射高頻脈沖電磁波，由接收天線接收目標(biāo)體的反射電磁波，探測目標(biāo)體空間位置和分布的一種地球物理探測方法。其實際是利用目標(biāo)體及周圍介質(zhì)的電磁波的反射特性，對目標(biāo)體內(nèi)部的構(gòu)造和缺陷（或其他不均勻體）進(jìn)行探測。

探地雷達(dá)通過雷達(dá)天線對隱蔽目標(biāo)體進(jìn)行全斷面掃描的方式獲得斷面的垂直二維剖面圖像，工作示意圖見圖1。具體工作原理是：當(dāng)雷達(dá)系統(tǒng)利用天線向地下發(fā)射寬頻帶高頻電磁波，電磁波信號在介質(zhì)內(nèi)部傳播時遇到介電差異較大的介質(zhì)界面時，就會發(fā)生反射、透射和折射。兩種介質(zhì)的介電常數(shù)差異越大，反射的電磁波能量也越大；反射回的電磁波被與發(fā)射天線同步移動的接收天線接收后，由雷達(dá)主機精確記錄下反射回的電磁波的運動特征，再通過信號技術(shù)處理，形成全斷面的掃描圖，工程技術(shù)人員通過對雷達(dá)圖像的判讀，判斷出地下目標(biāo)物的實際結(jié)構(gòu)情況。

電磁波的傳播取決于介質(zhì)的電性，介質(zhì)的電性主要有電導(dǎo)率μ和介電常數(shù)ε，前者主要影響電磁波的穿透（探測）深度，在電導(dǎo)率適中的情況下，后者決定電磁波在該物體中的傳播速度。不同的地質(zhì)體（物體）具有不同的電性，因此，在不同電性的地質(zhì)體的分界面上，都會產(chǎn)生回波?；灸繕?biāo)體探測原理見圖2。

2 工程概況

荊門某建筑地基：場區(qū)位于新華夏系第二沉降帶漢江地西北緣與淮陽山字型構(gòu)造前弧西翼的交接地帶，屬于荊山余脈的傾末端，擬建場地為丘陵區(qū)沖溝地貌。場地現(xiàn)為白龍山山坡及溝谷地，場地經(jīng)過清表，地勢呈北高南低的山坡。場地巖土層劃分為三層，第一層為第四系雜填土層，第二層為第四系上更新統(tǒng)粉質(zhì)粘土層，第三層為二疊系石灰?guī)r風(fēng)化層。檢測面為灰白色灰?guī)r，較完整。

桐木園隧道：隧址區(qū)位于我國東部的新華夏系第三隆起帶的中南段和長江中下游東西向構(gòu)造西段的延伸部分，二者彼此干擾，構(gòu)造格局較復(fù)雜。隧道穿越山體山勢總體呈中間高，兩端逐漸低緩趨勢，隧道走向呈北西～南東向，沿線地形復(fù)雜，所經(jīng)之處山巒疊嶂，地形起伏較大，地勢陡峻。本隧道為長隧道，穿越山體地層情況較復(fù)雜，穿越煤系地層、斷層破碎帶（寬約20 m）、巖溶區(qū)。隧道掌子面由塊狀孤石的堆積而成，灰?guī)r，土黃色，孤石間存在較大的空隙；掌子面左部由泥土填充，較濕潤。

3 現(xiàn)場檢測

檢測前清理檢測面，使檢測面為平整且裸露的巖體；清除探測范圍內(nèi)高電導(dǎo)性物體，盡量減少干擾信號源。

選擇合適天線型號，保證天線發(fā)射的電磁波的穿透能力能滿足探測深度的要求。本檢測項目中，選用250 MHz屏蔽天線對荊門某地基進(jìn)行探測，選用100 MHz屏蔽天線對桐木園隧道進(jìn)行探測。主機采用瑞典MALA ProEx型主機。其設(shè)備參數(shù)見下表1。

注：以上參數(shù)在低電導(dǎo)率的介質(zhì)中測定，部分介質(zhì)電導(dǎo)率見表2。

c為電磁波在介質(zhì)中的電磁波速，不同介質(zhì)中的電磁波速見表2。

4 結(jié)果及分析

4.1 荊門某建筑地基

圖3為雷達(dá)檢測結(jié)果灰度圖，從雷達(dá)圖像上可看出：水平向0.6～6.0 m，豎直向4～44 ns范圍內(nèi)反射信號振幅強，頻率集中為中低頻，同向軸不連續(xù)，呈孤立體形狀，推測該區(qū)巖體破碎。開挖驗證表明該區(qū)域范圍內(nèi)巖石破碎、存在少量夾泥，開挖后地質(zhì)情況見圖4。

圖5為雷達(dá)檢測結(jié)果灰度圖，從雷達(dá)圖像上可看出：水平向0.4～4.0 m，豎直向32～108 ns范圍內(nèi)反射信號振幅強，頻率為低頻，同向軸連續(xù)，呈層面體，有多次反射，推測該區(qū)域夾泥或巖體含水。開挖驗證表明該區(qū)域范圍內(nèi)為碎石，碎石間填充淤泥，淤泥含水偏大，開挖后地質(zhì)情況見圖6。

4.2 桐木園隧道

圖7為雷達(dá)檢測結(jié)果波列圖，從雷達(dá)圖像上可看出：水平向0～8 m，豎直向0～300 ns范圍內(nèi)反射信號振幅強，頻率為中低頻，同向軸整體不連續(xù)，局部較連續(xù)，呈層面體，有多次反射，推測掌子面前方巖體破碎，有較大空隙，巖體可能較潮濕。開挖驗證表明該區(qū)域為溶洞洞底，由于洞頂塌陷，洞底堆積較大多石塊，開挖后地質(zhì)情況見圖8。

5 結(jié)論

（1）由于破碎區(qū)巖體存在較多空隙，電磁波在巖體與空隙的交界面處容易發(fā)生反射。因此地質(zhì)雷達(dá)法可用于灰?guī)r巖體破碎區(qū)域的探測，且具有較好的實用性。

（2）雷達(dá)圖像上，巖石破碎區(qū)表現(xiàn)為強振幅，信號頻率為中低頻，同向軸形狀與破碎區(qū)域形態(tài)有關(guān)，一般區(qū)域化分布。破碎區(qū)域與周圍完整巖體有明顯差異。若破碎區(qū)域填充較多淤泥或含水率偏大時，信號頻率以低頻為主，且存在多次反射。

（3）雷達(dá)圖像對尺寸較小的破碎區(qū)域不敏感，不易被發(fā)覺。當(dāng)破碎區(qū)域沿測線方向的長度小于所設(shè)置的道間距時，無法對其進(jìn)行雷達(dá)成像。

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