地質(zhì)雷達(dá)在貴州某高速公路路基塌陷中的應(yīng)用

向先旭

(貴州省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局測(cè)繪院，貴陽 550018)

隨著國家對(duì)基礎(chǔ)建設(shè)投資力度不斷的加大，交通建設(shè)得到快速發(fā)展，尤其是高速公路的發(fā)展尤為迅速。但在公路工程建設(shè)中，不可避免地會(huì)遇到各種路基隱伏病害。路基塌陷是巖溶地區(qū)常見的典型病害之一，嚴(yán)重影響人們的安全出行和財(cái)產(chǎn)損失。因此，路基塌陷的檢測(cè)是高速公路質(zhì)量檢測(cè)和運(yùn)行維護(hù)中重點(diǎn)檢測(cè)的病害之一。在現(xiàn)有的路基勘察手段中，傳統(tǒng)的有鉆探取芯法和釬探法，這兩種方法優(yōu)點(diǎn)在于直觀，但是都會(huì)給檢測(cè)對(duì)象造成一定的破損，且相對(duì)片面。而常用的物探技術(shù)中，高密度電阻率法分辨率較低，淺層地震多波地震映像法對(duì)深度確定有較大的誤差，瞬態(tài)面波法受干擾影響較大。地質(zhì)雷達(dá)作為近年來發(fā)展起來的一門技術(shù)，具有速度快、精度高、連續(xù)性及無損探測(cè)的特點(diǎn)，能夠準(zhǔn)確查清覆蓋層厚度、淺層巖溶發(fā)育特征、土洞及路基不密實(shí)等，被廣泛應(yīng)用于高速公路勘察中。

本文結(jié)合貴州省某高速公路路基工程實(shí)例，探討地質(zhì)雷達(dá)在高速公路路基塌陷中的應(yīng)用。

1 工程概況與地球物理?xiàng)l件

1.1 工程概況

貴州省某高速公路一路段，線路走向246°，設(shè)計(jì)公路等級(jí)為Ⅰ級(jí)。場(chǎng)區(qū)位于貴州高原腹地，區(qū)內(nèi)地勢(shì)起伏較大，地表受剝蝕、溶蝕作用強(qiáng)烈，為剝蝕、溶蝕型低山地貌。路段區(qū)內(nèi)地表未見基巖出露，植被較發(fā)育，均為水田。路段穿過一山脊，通車后路面出現(xiàn)塌陷現(xiàn)象。為查明塌陷發(fā)育范圍及深度，決定采用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行探測(cè)。

根據(jù)場(chǎng)區(qū)工程地質(zhì)勘察報(bào)告，路段區(qū)覆蓋層主要有殘、坡積層粉質(zhì)黏土(Qel+dl)及坡積層(Qel+dl)角礫土。下伏基巖為二疊系上統(tǒng)吳家坪組(P2w)灰?guī)r及志留系中統(tǒng)翁項(xiàng)組(S2w)砂巖。

1.2 地球物理?xiàng)l件

探地雷達(dá)向地下介質(zhì)發(fā)射脈沖電磁波，電磁波經(jīng)過不同介電常數(shù)的介質(zhì)時(shí)，反射回來的電磁參數(shù)不同。而探地雷達(dá)是通過接收到的電磁波參數(shù)來判斷地下目標(biāo)物的，因此需對(duì)有關(guān)介質(zhì)的電性參數(shù)進(jìn)行了解分析。由以上地層可知，所測(cè)區(qū)段主要的地層有粉質(zhì)黏土、角礫土、灰?guī)r和砂巖?，F(xiàn)將各種地層的電性參數(shù)經(jīng)驗(yàn)值列于表1。

表1 介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)、電導(dǎo)率表

從表1中有關(guān)電性參數(shù)可知，空氣、水、粉質(zhì)黏土、角礫土、灰?guī)r及砂巖之間存在明顯的電性差異。當(dāng)路基下存在空洞或不密實(shí)等隱患時(shí),其相應(yīng)部位的電磁波會(huì)產(chǎn)生明顯的異常。由于空洞塌陷后，洞內(nèi)被破碎、松散的堆積物填充。填充物一般較軟，含水量大，對(duì)電磁波的吸收作用較強(qiáng)，容易在該介質(zhì)中產(chǎn)生多次反射形成多次波，記錄道波形相對(duì)兩側(cè)較強(qiáng),同相軸不連續(xù)。根據(jù)上述雷達(dá)反射波特點(diǎn),土洞塌陷形成的松散區(qū)域很容易在雷達(dá)剖面圖中識(shí)別，這為在本區(qū)開展地質(zhì)雷達(dá)勘探提供了較好的物性條件。因此，用反映電性差異的地質(zhì)雷達(dá)法勘探，具有較好的地球物理前提。

2 地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)技術(shù)原理

地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行探測(cè)時(shí)，向地下發(fā)射高頻寬帶脈沖電磁波，由于地下介質(zhì)具有不均一性，所以電磁波在地下傳播過程中，遇到不同巖性、不同完整程度及不同含水量巖土體時(shí)由于電性差異而發(fā)生反射。其次，地下介質(zhì)是一個(gè)復(fù)雜的濾波器，不同的介質(zhì)對(duì)電磁波吸收程度不同，這使得雷達(dá)發(fā)射出去的電磁脈沖波在到達(dá)接收天線時(shí)，綜合了地下不同介質(zhì)的物理信息。通過解譯電磁波波形、振幅、同相軸和幾何形態(tài)，可以推斷介質(zhì)的結(jié)構(gòu)。

地質(zhì)雷達(dá)波的反射系數(shù)計(jì)算公式為：

(1)

式中：εi，εi-1分別為上下層的相對(duì)介電常數(shù)。

顯然，電磁波的反射信號(hào)強(qiáng)弱只與介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)有關(guān)，上下兩層介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)差異越大，雷達(dá)波形圖上的異常越明顯。

介質(zhì)對(duì)電磁波的吸收系數(shù)計(jì)算公式為：

(2)

式中：σ為介質(zhì)電導(dǎo)率；εi為相對(duì)介電常數(shù)。

由式(2)可知，各層介質(zhì)對(duì)電磁波的吸收程度與介質(zhì)的電導(dǎo)率成正比，與相對(duì)介電常數(shù)成反比。

由于路基底部巖體構(gòu)成的復(fù)雜性及各種介質(zhì)對(duì)電磁波反射和吸收程度的差異，同時(shí)受到外界的各種干擾，使得接收天線接收到雷達(dá)波后，振幅降低、波形雜亂，難以直接從圖像中識(shí)別異常的形態(tài)，因此要對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理[2]。在對(duì)采集的地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，可以根據(jù)反射波的幅度、波形、強(qiáng)度、旅行時(shí)間等判斷路基中的病害類型、空間位置、結(jié)構(gòu)大小、幾何形態(tài)等信息。其工作原理見圖1。

圖1 地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)原理示意圖

3 數(shù)據(jù)采集、處理及成果分析

3.1 數(shù)據(jù)采集

本次探測(cè)使用的儀器為瑞典瑪拉公司(MALA GEOSCIENCE)生產(chǎn)的RAMAC系列雷達(dá)，主機(jī)型號(hào)ProEx，使用100 MHz屏蔽天線非連續(xù)檢測(cè)(點(diǎn)測(cè))，間隔0.5 m，工作時(shí)窗700 ns，自動(dòng)疊加，探測(cè)深度10～15 m。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，分別布置兩條測(cè)線(圖2)：

圖2 雷達(dá)測(cè)線布置圖

LD1-LD1＇(測(cè)線1)，里程樁號(hào)：K8+900～K8+995，橫向右5 m；LD2-LD2＇(測(cè)線2)，里程樁號(hào)：K8+910～K9+005，橫向右10 m。

3.2 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理包括消除隨機(jī)噪聲壓制干擾，改善背景；進(jìn)行自動(dòng)時(shí)變?cè)鲆婊蚩刂圃鲆嬉匝a(bǔ)償介質(zhì)吸收和抑制雜波，進(jìn)行濾波處理除去高頻，突出目標(biāo)體，降低背景噪聲和余振影響。本次數(shù)據(jù)處理步驟如下：

去除飄移→零線設(shè)定→信號(hào)增益→背景去除→一維濾波→二維濾波→滑動(dòng)平均

以上處理步驟并不是適用于每一條雷達(dá)測(cè)線，實(shí)際處理過程中應(yīng)根據(jù)原始數(shù)據(jù)情況而定。如原始數(shù)據(jù)異常較為明顯時(shí)，盡量減少原始數(shù)據(jù)的處理，以免造成雷達(dá)圖像異常的缺失，應(yīng)以突出所檢測(cè)的異常為最終目的。且因物探在數(shù)據(jù)解釋中存在多解現(xiàn)象，為了提高雷達(dá)數(shù)據(jù)解釋的準(zhǔn)確性，在雷達(dá)數(shù)據(jù)采集時(shí)應(yīng)將可見的對(duì)數(shù)據(jù)解釋可能存在干擾的因素進(jìn)行詳細(xì)記錄，并在數(shù)據(jù)解釋中給予排除。

3.3 成果分析

測(cè)線1的地質(zhì)雷達(dá)成果見圖3。從圖3上可以看出，測(cè)線約50 m處有明顯強(qiáng)反射，波形雜亂，同相軸不連續(xù)，異?？v向?qū)挾燃s12 m，底板埋深約8～10 m，推測(cè)該異常為塌陷區(qū)域。

測(cè)線2的地質(zhì)雷達(dá)成果見圖4。此測(cè)線約45～50 m之間有明顯異常反射，縱向?qū)挾燃s5 m，底板埋深約8 m，推測(cè)該異常為塌陷區(qū)域。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件及雷達(dá)探測(cè)顯示，推測(cè)該處塌陷異常為地下水侵蝕后形成的土洞塌陷，建議開挖后做塊石土回填，壓實(shí)，并做注漿固結(jié)處理。

圖3 測(cè)線1雷達(dá)成果圖

4 結(jié) 論

本次高速公路路基檢探測(cè)結(jié)果表明，地質(zhì)雷達(dá)可以較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)路基塌陷的影響范圍及深度等，可以為路基工程的綜合治理、加固等建設(shè)提供科學(xué)有效的依據(jù)，極大地減少了公路路基病害造成的經(jīng)濟(jì)損失，且由于地質(zhì)雷達(dá)具有快速、高效、無損的特點(diǎn)，是大范圍公路路基檢測(cè)的有效途徑。但是地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)也存在局限性，在預(yù)測(cè)病害的規(guī)模上還存在一定偏差，同時(shí)易受到電線、金屬物、地形地貌等的影響。為了提高檢測(cè)的準(zhǔn)確度，可以使用多種頻率天線同時(shí)檢測(cè)，并采用其他方法加以輔助。