地質(zhì)雷達(dá)在基坑勘查中的應(yīng)用

孟云霞

（山西省煤炭地質(zhì)115勘查院，山西大同037003）

1 概述

地質(zhì)雷達(dá)（Georadar）也叫探地雷達(dá)（Ground ene?trating Radar），地質(zhì)雷達(dá)主要用于無損檢測以及淺層隱蔽物調(diào)查。隨著理論研究、正演模擬、處理解釋技術(shù)的不斷提高，地質(zhì)雷達(dá)的應(yīng)用效果不斷得到證實。主要有可連續(xù)、無損地、高效探測，儀器操作以及處理流程簡單、精度高等優(yōu)點[1]。在隧洞超前探測方面，通過歸納地質(zhì)等效介電常數(shù)，可以更清晰地識別隧洞掌子面[2-3]；同樣，在調(diào)查機(jī)場地基加固厚度的變化情況和其他人類硬化工程隱患中地質(zhì)雷達(dá)的探測效果也取得很好的效果[4]；在隱蔽性管線、暗道暗渠等方面的調(diào)查應(yīng)用較多，效果較好[5-6]。此外，地質(zhì)雷達(dá)也可以用于在地下工程中地下水發(fā)育情況、土壤濕度測定、垃圾場調(diào)查、采空區(qū)及熔巖裂隙調(diào)查、古建筑保護(hù)及考古等的調(diào)查等。

在地基處理前，需要勘查基坑情況。長治市某建筑的地基選在以前開挖的雙層地洞上部。為排除潛在危險，給地基處理提供依據(jù)，需要查清楚地洞的分布情況。選擇地質(zhì)雷達(dá)對洞體的展布進(jìn)行調(diào)查。本文基于地質(zhì)雷達(dá)對地洞展布情況調(diào)查，針對金屬干擾進(jìn)行濾波，取得良好效果。并對地質(zhì)雷達(dá)參數(shù)選取、采集、數(shù)據(jù)處理解釋等進(jìn)行分析。由于地質(zhì)情況復(fù)雜，干擾嚴(yán)重，加大了數(shù)據(jù)的處理解釋的難度。

2 實驗準(zhǔn)備

2.1 地質(zhì)概況

調(diào)查區(qū)屬于市區(qū)邊緣，位于某政府建筑旁邊，民宅零散分布，地下遺留有2層人工地洞。洞體寬0.8～1.2m不等，高度1.4m左右，沒有固定走向和埋深，叉洞多，總體上縱橫交錯。2層洞大致深度分別為3m與6m，最深處可達(dá)8m，其中3m以上的洞體基本挖除，第二層洞體從探查基準(zhǔn)面（基坑底面）開始，深度在3m左右。調(diào)查區(qū)地下潛水位較淺，主要在2～4m左右，基坑開挖2m之后，部分區(qū)域地下水出露，基坑表有積水。這不僅給采集帶來困難，還因電性不均勻造成干擾。另外，基坑內(nèi)挖掘機(jī)、抽水車、鉆機(jī)以及金屬堆積分布較多，對天線造成嚴(yán)重干擾，給數(shù)據(jù)處理帶來困難。本次調(diào)查目的在于查清洞體在平面上的分布情況，為地基處理提供依據(jù)。

2.2 采集參數(shù)

本次探測使用俄羅斯OKO-2地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，配屬50MHZ的蛇形屏蔽天線進(jìn)行探測。本儀器掃描樣點數(shù)Samples/Scan有128、256、512可供選；時窗有50、100、200、400、800、1600ns可選擇。參數(shù)的選取主要依據(jù)介電常數(shù)、電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率以及探測深度。試驗對比50和150MHz的2種天線采集效果，150MHz天線分辨率高但探測深度滿足不了需求，因此50MHz蛇形天線效果較好。時窗范圍：800ns，采樣率：512樣點/掃描，疊加次數(shù)：20次，探測深度可達(dá)0～8.0m。

在儀器選取時必須要考慮的是分辨率。水平及垂直分辨率與相對電介質(zhì)常數(shù)（介電常數(shù)）及磁導(dǎo)率有關(guān)，但主要取決于天線中心頻率。垂直分辨率在相對電介質(zhì)常數(shù)為0～5之間時增加劇烈，在10～50之間增加小并且趨于平穩(wěn)；水平分辨率取決于第一菲涅爾半徑，它隨深度增加而降低，隨電介質(zhì)增加先快速增大，后趨平穩(wěn)。電磁波在大多數(shù)情況下都可以以水平面波形式疊加。電磁波與地震波傳播機(jī)制雖然存在差別，但它們對異常情況的響應(yīng)一致，并且均滿足snail定理，因此地質(zhì)雷達(dá)資料處理方式總體與地震資料處理相似。但由于地質(zhì)雷達(dá)極高頻、短波場發(fā)射，因此衰減快，探深淺，處理與解釋精度要求高，因此難度也大。帶寬計算依據(jù)最大功率對應(yīng)的中心頻率衰減3dB后最大與最小頻率差[7]。探測深度與頻率的選?。侯l率提高，點介質(zhì)常數(shù)磁導(dǎo)率加大，衰減增大，探深變小。

探測深度依據(jù)電場、磁場和電磁波三者在傳播方向上總是相互垂直的特點來選擇中心頻率，依據(jù)探測深度與分辨要求，滿足分辨的情況下盡量選擇低頻[8-9]。時窗選取過小則采樣不全，太大則降低垂向分辨率。一般選取探測深度H為目標(biāo)深度的1.5倍。根據(jù)探測深度H和介電常數(shù)ε確定采樣時窗長度Range（ns）：

表1是常見地表介質(zhì)的介質(zhì)屬性。

表1 不同介質(zhì)電磁波傳播速度

3 數(shù)據(jù)采集

3.1 試驗

3.1.1 時窗試驗

時窗即對比是2種不同頻率的天線的采集效果對比。地質(zhì)雷達(dá)具有高效高頻高分辨率的特點，同時其衰減也十分迅速，要求調(diào)查中對勘探深度、分辨率和激發(fā)頻率和時窗四者匹配。在采集之前，依據(jù)探測目標(biāo)地洞大致深度進(jìn)行不同時窗范圍調(diào)試，在800ns時，天線對5～8m的異常體識別較清晰，洞體頂?shù)捉缑婺墚a(chǎn)生清晰的反射波，兩壁側(cè)面干擾波明顯。為查明防空洞的平面展布情況，將測線分為東西和南北2種走向，測量定點后，在測線之間以麻繩作為引導(dǎo)天線拖曳發(fā)方向并確保其不偏移。

從試驗資料可以看出150MHz的天線對薄層顯示明顯，同相軸較細(xì)，對于1.5m內(nèi)的淺層目標(biāo)，選取150MHz的***天線可以清晰調(diào)查出地下異常，能滿足工程目的。50MHz的天線原始記錄對于淺層和深層反映均較明顯，但分辨率明顯低于150MHz天線。選取50MHz天線，對5m探測深度以內(nèi)的地質(zhì)情況進(jìn)行探測。150MHz和50MHz兩種可選雷達(dá)進(jìn)行實驗對比，具體如圖1、圖2所示。

圖1 150MHz天線原始數(shù)據(jù)

圖2 50MHz天線原始記錄

3.1.2 目標(biāo)異常和金屬堆干擾特征

地震波對不同地質(zhì)構(gòu)造響應(yīng)不同，干地質(zhì)雷達(dá)電磁波對不同洞體響應(yīng)也不同。為了解各種異常特征，為處理過程中消除擾波做鋪墊，在正式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集之前，選擇洞體出露、存在多種干擾的地方進(jìn)行試驗，對洞體異常以及各種干擾的響應(yīng)進(jìn)行識別。工區(qū)需要了解洞體異常響應(yīng)、基坑開挖壁響應(yīng)以及地表堆積金屬的異常響應(yīng)，具體見圖3。

50MHz天線能很好識別該區(qū)洞體，而且各種干擾的響應(yīng)特征也十分明顯。從圖3可以看出，該試驗線第二層洞體主要在基坑以下3～4m處。洞體的異常響應(yīng)有2個特點：（1）洞頂電磁波反射曲線向上彎曲；（2）洞壁兩側(cè)有洞壁側(cè)面波，主要呈“V”形分布于洞體兩側(cè)。原始數(shù)據(jù)上，干擾波種類較多，能量較強。主要有規(guī)則干擾（單頻干擾外）波、側(cè)面干擾波以及金屬堆積物的干擾波。規(guī)則干擾的特征為平行而短小的同相軸，自上而下出現(xiàn)；側(cè)面波主要來自洞體側(cè)面以及基坑施工壁，主要呈傾斜同相軸的形式出現(xiàn)；金屬堆積物的干擾在測線方向上表現(xiàn)為較強能量的同相軸，若沿測線分布的金屬延伸較長，則同相軸平行分布，自上而下能量較強。試驗對了解異常以及后期針對性的消除干擾波存在較大意義。

圖3 干擾波及洞體異常特征

3.2 數(shù)據(jù)處理分析解釋

圖4 異常區(qū)原始（上）和處理剖面（下）

在采集之前，必須對測線兩端進(jìn)行定點測量，以保證測線兩端的位置。測線中間用測繩連接，以保證雷達(dá)不偏離測線。為保證剖面長度的準(zhǔn)確性，采用測距輪進(jìn)行測量。

對于洞體異常十分突出的資料只需簡單歸位，洞體異常難以識別的資料則需消除各種干擾波，突出信號才能準(zhǔn)確找到洞體位置。為此，針對本區(qū)地下水位淺、金屬干擾強以及基坑側(cè)面波干擾嚴(yán)重等特點，對資料進(jìn)行如下處理：靜校切除、振幅增益、減背景、減均值、濾波、反褶積。在處理過程中，為使處理資料更好，可以對部分流程重復(fù)操作。經(jīng)過處理后洞體異常區(qū)得以突出，側(cè)面波大部分消除，如圖4所示。

采集分析結(jié)束后，對所有剖面進(jìn)行處理后，將各測線異常（空洞）區(qū)解釋出來，標(biāo)出空洞位置和深度。在已繪制成的測線分布圖上，將異常區(qū)附到測線上，生成空洞平面分布圖，如圖5所示。由圖5可知，地下洞體具有一定展布規(guī)律，相互連續(xù)。不足之處在于測線密度不高，不能精細(xì)測出洞體展布情況。

4 結(jié)論

（1）在滿足分辨率和探測深度的前提下，地質(zhì)雷達(dá)在地下雙洞體調(diào)查中可取得效果。在用地質(zhì)雷達(dá)調(diào)查地下隱蔽物體時，先找到異常體出露位置進(jìn)行試驗，了解其信號響應(yīng)特點；其次應(yīng)該在干饒區(qū)進(jìn)行試驗，了解干擾特點。這在數(shù)據(jù)處理和解釋中具有較大意義。

（2）地質(zhì)雷達(dá)調(diào)查過程中需要注意幾個問題是：洞體異常的響應(yīng)特點；洞體深度和于激發(fā)頻率的匹配，即激發(fā)頻率應(yīng)當(dāng)滿足分辨率和探測深度的要求；覆蓋次數(shù)和采樣率的匹配；對測線方向的把控以及測量起始點的準(zhǔn)確性對于處理解釋異常體的位置歸位十分重要。

（3）對地下水位淺、金屬干擾嚴(yán)重的地質(zhì)雷達(dá)資料，進(jìn)行靜校切除—振幅增益—減背景—減均值—濾波—反褶積等處理，可以很好消除干擾信號，突出洞體反射信息。為達(dá)到良好處理結(jié)果，可以重復(fù)上述某些步驟。