探地雷達(dá)在高速公路巖溶路基勘察中的應(yīng)用

馬強(qiáng) 王彥琪

（遵義水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 貴州遵義 563000）

0 引言

近年來(lái)，貴州省各項(xiàng)事業(yè)發(fā)展迅速，尤其是在高速公路建設(shè)方面，貴州一躍成為了“領(lǐng)頭羊”“排頭兵”。各地新建、擴(kuò)建高速公路，實(shí)現(xiàn)了縣縣通高速，給當(dāng)?shù)貛?lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益。然而，由于貴州位于西南喀斯特的斜坡和腹心地帶，巖溶十分發(fā)育。在這些工程建設(shè)過(guò)程中，常常會(huì)遇到巖溶塌陷、突水、突泥等現(xiàn)象，給現(xiàn)場(chǎng)施工帶來(lái)了嚴(yán)重影響，甚至威脅到人的生命財(cái)產(chǎn)安全。因此，查明這些巖溶的位置、埋深、分布情況等特征，對(duì)整個(gè)工程的建設(shè)至關(guān)重要。

1 方法原理

探地雷達(dá)是利用探測(cè)目標(biāo)體與周?chē)橘|(zhì)的導(dǎo)電性、介電性的差異，通過(guò)高頻脈沖電磁波（106～109Hz）在電性界面上的反射來(lái)探測(cè)有關(guān)的目標(biāo)體［1-2］。電磁波在傳播過(guò)程中，其傳播路徑、電磁場(chǎng)強(qiáng)度、波形特征將隨著所通過(guò)介質(zhì)的電學(xué)性質(zhì)、幾何形狀而變化。故通過(guò)時(shí)域波形的處理和分析，可確定地下界面或目標(biāo)體的空間位置及地下介質(zhì)的結(jié)構(gòu)［3-4］，見(jiàn)圖1。

圖1 探地雷達(dá)剖面記錄示意圖

2 應(yīng)用實(shí)例

2.1 工程概況

重遵復(fù)線高速公路K73+100～K73+550 段挖方路基位于板橋鎮(zhèn)柏楊村，路線走向方位角143°左右。路線沿山間斜坡而建設(shè)，呈直線展布。路基西側(cè)高邊坡在開(kāi)挖時(shí)，揭露一處小型溶洞，溶洞規(guī)模1.5 m×1.0 m。該溶洞正處于路基上緣坡腳某處，距離路基較近。為了保證施工和運(yùn)行安全，需要進(jìn)一步查明路基下方巖溶發(fā)育情況。

本次工作采用探地雷達(dá)法查明路基下方淺部（10 m 以內(nèi)）的巖溶分布及發(fā)育情況。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地形地質(zhì)條件，布設(shè)5 條探地雷達(dá)剖面，分別編號(hào)為L(zhǎng)1、L2、L3、L4、L5，見(jiàn)圖2。

圖2 探地雷達(dá)測(cè)線布置示意圖

2.2 地球物理特征

路基區(qū)覆蓋層由第四系（Q4）碎石、含礫粉質(zhì)粘土組成；下伏基巖為二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M（P3l）灰?guī)r。完整灰?guī)r與目標(biāo)體（溶洞、裂隙、破碎帶）之間介電常數(shù)不同，存在明顯的電性差異。電磁波在傳播過(guò)程中，其傳播路徑、電磁場(chǎng)強(qiáng)度、波形特征等將隨所通過(guò)介質(zhì)的電學(xué)性質(zhì)、幾何形狀而變化。因此，可以根據(jù)接收到的電磁波的波形特征，識(shí)別出目標(biāo)體的深度、規(guī)模、形狀等信息。

常見(jiàn)的異常判斷特征如下：①溶洞：電磁波反射信號(hào)幅值較強(qiáng)，呈典型的孤立體相位特征，通常為規(guī)整或非規(guī)整的雙曲線波形特征，三振相明顯，在其下部仍有強(qiáng)反射界面信號(hào)；②裂隙：電磁波信號(hào)同相軸斷開(kāi)呈尖波狀或斜向帶狀發(fā)育，信號(hào)幅值較強(qiáng)；③破碎帶：電磁波反射信號(hào)幅值較強(qiáng)，同相軸雜亂無(wú)章，雷達(dá)波形頻率較低［5-10］。

2.3 儀器參數(shù)設(shè)置

本次工作選用瑞典MALA 公司的Pro EX 主機(jī)和250 MHz的屏蔽天線，探測(cè)深度一般為5 m～10 m，主要用于中深部的管線探測(cè)、不明物體及空洞探測(cè)，壩體質(zhì)量和鐵路公路路基檢測(cè)等。數(shù)據(jù)采集過(guò)程中使用Ground Vision 軟件實(shí)時(shí)成像和監(jiān)測(cè)。采集參數(shù)詳見(jiàn)表1。

表1 剖面采集參數(shù)設(shè)置表

2.4 資料處理與解釋

（1）數(shù)據(jù)處理。探地雷達(dá)資料處理的目的是為了壓制干擾。采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)信號(hào)校正、信號(hào)增益、濾波、偏移成像等步驟，最終得到清晰的雷達(dá)圖像。根據(jù)雷達(dá)圖像中反射波組的波形與強(qiáng)度特征，追蹤同相軸，以此確定反射波組的地質(zhì)含義。

（2）資料解釋。5 條測(cè)線數(shù)據(jù)采集質(zhì)量較高，經(jīng)過(guò)資料處理，發(fā)現(xiàn)僅L2-L2＇、L5-L5＇ 兩條測(cè)線出現(xiàn)明顯的異常，其余測(cè)線均未發(fā)現(xiàn)明顯異?！，F(xiàn)就此兩條測(cè)線做詳細(xì)的地質(zhì)解釋。

L2-L2＇ 測(cè)線長(zhǎng)約48 m，方位角139°。根據(jù)圖3 所示，距離測(cè)線起點(diǎn)位置22 m～26 m，埋深約4.0 m～7.5 m 處，存在一處異常。該異常區(qū)域電磁波組反射強(qiáng)烈，同相軸錯(cuò)斷雜亂，根據(jù)周?chē)刭|(zhì)情況，推斷為巖溶發(fā)育。

圖3 L2-L2＇ 剖面探地雷達(dá)成果圖

L5-L5＇ 測(cè)線長(zhǎng)約48 m，方位角139°，根據(jù)圖4 所示，距離測(cè)線起點(diǎn)位置20 m～25 m，埋深約3.0 m～6.5 m 處，存在一處異常。該異常區(qū)域電磁波組反射強(qiáng)烈，同相軸錯(cuò)斷雜亂，根據(jù)周?chē)刭|(zhì)情況，推斷為巖溶發(fā)育。

圖4 L5-L5＇ 剖面探地雷達(dá)成果圖

2.5 異常驗(yàn)證

為了進(jìn)一步查明與證實(shí)地下巖溶發(fā)育的深度、規(guī)模等信息，采用現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖的方式對(duì)本次物探異常進(jìn)行驗(yàn)證（見(jiàn)圖5）。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖，在兩處物探異常的位置均揭露出溶洞，與物探推測(cè)結(jié)果一直，溶洞的規(guī)模、深度與探測(cè)結(jié)果基本吻合。根據(jù)開(kāi)挖情況，對(duì)溶洞進(jìn)行了相應(yīng)的工程處理。

圖5 現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖驗(yàn)證

3 結(jié)論

通過(guò)上述實(shí)地應(yīng)用及現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖情況，證實(shí)了探地雷達(dá)在巖溶路基勘察中的有效性，經(jīng)過(guò)研究分析，總結(jié)出4 點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)與建議。

（1）探地雷達(dá)對(duì)溶洞的反映較為靈敏，在淺部的巖溶勘察中往往能取得較好的效果。

（2）由于地下溶洞的形態(tài)各異，探地雷達(dá)反映的異常形態(tài)也不盡相同，但都表現(xiàn)出反射波組強(qiáng)烈、同相軸雜亂等特征。

（3）探地雷達(dá)數(shù)據(jù)采集效率高，操作輕便，適合淺地表巖溶勘察。對(duì)于較大深度的勘察，建議使用其他物探方法。如：高密度電法、淺層地震法等。

（4）對(duì)于推斷的異常應(yīng)加強(qiáng)驗(yàn)證，以便利用驗(yàn)證資料進(jìn)一步指導(dǎo)物探的解釋工作。