探地雷達在全風(fēng)化花崗巖地層中的探測技術(shù)

上海市基礎(chǔ)工程集團有限公司 上海 200002

1 工程概況

1.1 工作區(qū)的工況及地質(zhì)特征

工作區(qū)域位于福州市地鐵1號線上藤站—三叉街站區(qū)間，上、下行線線路均自三叉街站北端頭井出站，沿六一南路一路向北，在下穿龍津河、大坪路后至上藤站南端頭井，區(qū)間上行線長約892.95 m，下行線長約895.48 m。上、下行線共計1 788.43 m，本次探測上、下行線沿盾構(gòu)中心軸線左右各4 m的范圍。

探測區(qū)間范圍內(nèi)的土層分布主要為：④粉質(zhì)黏土、⑤1淤泥質(zhì)軟土、⑤2中砂、a黏土、b砂質(zhì)黏土、a殘積粉質(zhì)黏土、b殘積砂質(zhì)黏土、c殘積礫質(zhì)黏土、全風(fēng)化花崗巖、散體狀強風(fēng)化花巖崗。

本次地球物理勘探探測的目標體盾構(gòu)通過層中的孤石，其成分以殘積礫質(zhì)黏土、全風(fēng)化花崗巖、散體狀強風(fēng)化花崗巖為主，與下部土層間存在不太明顯的電導(dǎo)率特性差異，再加上探地雷達在探測深度上的限制，所以開展地質(zhì)雷達探測工作有較大的難度。

1.2 工作方法技術(shù)[1-4]

1.2.1 方法技術(shù)選擇

根據(jù)本次的工作任務(wù)及測區(qū)地形、地質(zhì)特征和工作條件，以及工區(qū)介質(zhì)的地球物理特征，考慮本次探測結(jié)果是為施工提供可靠的依據(jù)，探測精度要求高，因此地球物理勘探工作選用精度極高的地質(zhì)雷達方法。

地質(zhì)雷達方法是利用廣譜電磁波技術(shù)確定地下介質(zhì)分布情況。在雷達主機控制下，脈沖源產(chǎn)生周期性的納秒（10-9s）信號，由地質(zhì)雷達系統(tǒng)中的窄脈沖發(fā)射源通過發(fā)射天線向地下發(fā)射高頻寬頻域單脈沖，該電磁波在探測物體內(nèi)部傳播過程中，遇到不同電性介質(zhì)界面產(chǎn)生反射電磁波信號。位于地面上的接收天線在接收到反射波后，直接傳輸?shù)浇邮諜C。

1.2.2 野外工作方法

本次探測工作，在整個測區(qū)內(nèi)共布置地質(zhì)雷達探測線222 條，總計7 590 m。探測儀器為瑞典MALA公司生產(chǎn)的X3M型探地雷達，及與其配套的100 MHz地面屏蔽天線，該天線在同等探測精度情況下具有穿透能力強、探測深度大等特點。根據(jù)現(xiàn)場情況，通過現(xiàn)場試驗，確定測試參數(shù)如下：

天線主頻為100 MHz（屏蔽天線），時窗為400 ns，采樣點數(shù)為1 500 點，測量方式為點測（6 cm/點），疊加次數(shù)為8 次。

1.3 土層成分厚度的檢測

地下0～2 m主要成分為路基，地下2～7 m主要成分為殘積礫質(zhì)黏土；地下7～12 m主要成分為殘積礫質(zhì)黏土、全風(fēng)化花崗巖；地下12～18 m主要成分為全風(fēng)化花崗巖、散體狀強風(fēng)化花崗巖。

鑒于以上介質(zhì)的介電常數(shù)都比較接近，用探地雷達來探測地下指定目標體半風(fēng)化花崗巖體存在著多解性。所以如何成功判斷出指定目標體的正確位置是本次探測工作的一個重要的前提。

1.4 周圍土壤條件

（a）土壤成分。決定周圍土壤的介電常數(shù)和電導(dǎo)率，進而決定反射系數(shù)和反射波振幅，同時也決定電磁波波速以及波形。特定介質(zhì)中的波速和相對介電常數(shù)隨介質(zhì)含水量不同發(fā)生較大變化，較大的波速值對應(yīng)于不飽和介質(zhì)。

（b）含鹽度。土壤含鹽度越高，其介電常數(shù)和電導(dǎo)率越大。

（c）含水率。地下水位越高，土壤含水率越高，其介電常數(shù)和電導(dǎo)率越大。

（d）土壤均勻性與土壤密實度。影響電磁波的衰減程度以及波形明顯程度?；靥钔寥莱煞植痪鶆颉⒚軐嵍刃?，易產(chǎn)生漫反射且吸收系數(shù)大，異常波形不明顯；而均勻性和密實度較好的土壤，異常波形較為明顯。

（e）管線管材。決定目標體的介電常數(shù)。金屬管的波形更為清晰，表明與非金屬體相比，金屬體與周圍介質(zhì)的電性差異較大，反射波振幅更強。管線反射波振幅強弱依次為：金屬管線＞水泥管＞塑料管。

2 遇到的問題及應(yīng)對方法

2.1 遇到問題的種類

2.1.1 低電導(dǎo)率土壤（砂質(zhì)土壤，含水少的土壤）

介質(zhì)特征為低吸收+高波速，波形特征為粗寬而明顯，如圖1所示。

圖1 低電導(dǎo)率土壤反射波波形

2.1.2 地面干擾

接觸網(wǎng)立柱如路燈、架空電纜等引起的干擾現(xiàn)象，這種有規(guī)律的強大反射多是地面或空中的電磁源引起的。如圖2所示，通過斜率計算波速為3 000 m/ns判斷為環(huán)境干擾。

2.1.3 周邊地下管線反射波

如電纜線的強反射波等，這種現(xiàn)象造成的多層反射波，如圖3所示。

圖2 地面干擾反射波波形

圖3 周邊地下管線發(fā)射波波形

2.2 應(yīng)對方法

2.2.1 對地質(zhì)雷達探測效果影響較大的另一個物性參數(shù)是電導(dǎo)率

電導(dǎo)率是介質(zhì)電阻率的倒數(shù)，反映介質(zhì)的導(dǎo)電能力。因我們探測目標周圍的介質(zhì)電阻率是各不相同的，所以不同介質(zhì)的電導(dǎo)率差異較大，總的來說，介質(zhì)的電導(dǎo)率越高衰減越大，電磁波傳播距離越近。

地下介質(zhì)電導(dǎo)率的變化范圍為10-9～4 s/m，主要受地下介質(zhì)的含水率及黏土含量的影響。由于電磁波在導(dǎo)電介質(zhì)中的衰減，電磁波難以在高電導(dǎo)率介質(zhì)中傳播，一般的，如果地下介質(zhì)的電導(dǎo)率高于0.01 s/m時，不宜使用地質(zhì)雷達。

電導(dǎo)率在不同地段差別往往很大，通過電導(dǎo)率把常見介質(zhì)的地質(zhì)雷達探測應(yīng)用效果進行分類：

有線電視網(wǎng)絡(luò)資源管理系統(tǒng)的建設(shè)是一項長期的工程，且建設(shè)過程中涉及各方面的問題，而網(wǎng)絡(luò)普查和數(shù)據(jù)錄入作為系統(tǒng)建設(shè)的關(guān)鍵因素，需要在設(shè)計系統(tǒng)前來完成，從而對網(wǎng)絡(luò)資源的類型、規(guī)模、數(shù)量以及使用情況有基本調(diào)查。通常選擇代表性較強的網(wǎng)絡(luò)資源作為普查試點，其目的是對普查工作在裝備、成本等方面有足夠的了解，做好普查工作的協(xié)調(diào)分工，從而有效發(fā)揮公司內(nèi)部工作的職能，促進有線電視網(wǎng)絡(luò)資源普查的科學(xué)性和可靠性。

（a）在低電導(dǎo)率（小于10-7s/m）介質(zhì)中，應(yīng)用效果較好，如空氣、干的花崗巖、灰?guī)r、混凝土、瀝青等；

（b）在中電導(dǎo)率（10-7～10-2s/m）介質(zhì)中，應(yīng)用效果一般，如純凈水、純凈水冰、雪、砂、泥砂、干黏土、干的玄武巖、海冰等；

（c）在高電導(dǎo)率（大于10-2s/m）介質(zhì)中，應(yīng)用效果較差，如濕黏土、濕頁巖、海水等。

對于低電導(dǎo)率土壤可以通過更換不同頻率的天線并采用合適的采樣頻率來調(diào)整探地雷達的波速，從而獲取精確的雷達解析圖像。

2.2.2 對于地面干擾所造成的雷達解析圖像

對于地面干擾所造成的雷達解析圖像產(chǎn)生的大面積干擾波，探地雷達地面干擾波特征非常明顯，在雷達波面上很容易識別出來，它主要有以下幾個特點：

（b）存在多次反射。由于電磁波在空氣中的衰減小、傳播速度快，再加上反射系數(shù)大、能力強，往往會形成多次反射波。這種特征在采集時窗時比較明顯。

（c）幾何形體特殊。由于地面干擾物一般有三種類型，即點狀、線狀和面狀，這三種形狀的物體在雷達剖面上無非形成兩種集合形態(tài)的干擾波，點狀、線狀物體一般都形成雙曲線形態(tài)反射波，而面狀物體往往形成與剖面有一定夾角的直線形態(tài)。

雖然探地雷達地面干擾波的外表特征非常明顯，但是頻率特征和地下反射波并沒有區(qū)別，采用一般頻率域濾波無法將其消除，由于地面干擾波是在空氣中傳播的，其傳播速度和地下反射波在地下的傳播速度差別很大，因此其二維頻譜的差異就比較大，采用二維濾波可以很好地將其消除。

2.2.3 對于周邊地下管線造成的強反射波造成的無法正常識別圖像

對于周邊地下管線造成的強反射波造成的無法正常識別圖像，可在圖上標注管線位置以方便業(yè)內(nèi)分析時明確為管線反射波造成的問題。

3 正常圖像的解析

3.1 現(xiàn)場采集的花崗巖孤石的雷達圖像

從現(xiàn)場采集的孤石圖例（圖4）看，孤石呈雙拋物線形，深度在地下14～16 m范圍，已鉆孔驗證。但從波形上很難準確判斷出是否孤石。因為經(jīng)計算其介電常數(shù)與周邊介質(zhì)的介電常數(shù)比較相近。存在著多解性。只能試圖從圖形上大致判斷出孤石的存在可能性。

圖4 花崗巖孤石反射波波形

3.2 盾構(gòu)區(qū)間內(nèi)探地雷達探測的圖形

依據(jù)已采集的雷達圖形（圖5），判定其圖形呈雙拋物線形，處于地下12～13 m范圍內(nèi)。存在孤石的可能性。

圖5 盾構(gòu)區(qū)間雷達圖形

4 結(jié)語

目前探地雷達在我公司施工前期探測障礙物已作了大量的工作，并受到施工方及業(yè)主方的重視，但其應(yīng)用技術(shù)水平仍處于初級階段，還有許多問題值得總結(jié)、提高、研究、解決。

在用探地雷達作障礙物探測時，探測人員有必要學(xué)習(xí)、熟悉探測對象的基本情況、施工技術(shù)、規(guī)范及有問題段的處理辦法（或不需處理的原因和規(guī)定），對這些越熟悉，就越不容易出錯，探測水平會更高。例如，作盾構(gòu)區(qū)間探測時，有必要搞清概念、出現(xiàn)原因、工程處理（或不處理）的原則。

在實施探測的同時，可對采集到的雷達波形進行粗略判斷，如發(fā)現(xiàn)異常狀況，應(yīng)反復(fù)探測并采用不同的探測方式（點測和連續(xù)探測），從而確保探測的準確性。

采用100 MHz天線可對土層下方15～20 m范圍內(nèi)的地質(zhì)狀況作出較好的判斷，不同的不良地質(zhì)狀況，可能有相似的雷達圖像，因此，結(jié)合地質(zhì)報告，可以提高判斷的準確性。

地質(zhì)雷達是一種正在不斷發(fā)展的無損探測技術(shù)，對不良地質(zhì)狀況的探測效果良好，與其他物探方法一樣，資料都有多解性，準確率不可能達到百分之百。對其資料的定性解釋應(yīng)當慎重、多思，從而積累大量的實際經(jīng)驗，有必要考慮用其他方法作輔助。