高密度-地質(zhì)雷達綜合法在探測地下不良地質(zhì)體中的應(yīng)用

龔 俊

（中大檢測（湖南）股份有限公司，長沙 410205）

城市地下隱蔽工程施工，施工環(huán)境復(fù)雜，周圍管線錯綜復(fù)雜，地面極易出現(xiàn)下沉、塌方等應(yīng)急事故，涉及周圍建筑安全、交通安全，為快速有效地查找病害原因及病害分布特征，及時采取相關(guān)措施，做到事前防范與事中控制尤為重要，城市地下工程不良地質(zhì)體查找分為物探和鉆心，其中物探主要以高密度電法和地質(zhì)雷達法，物探法具有快速高效，經(jīng)濟性好，對周圍環(huán)境干擾小，對場地檢測環(huán)境有一定要求。鉆心法效率低，耗時較長，檢測費用高，對周圍環(huán)境影響較大，對場地檢測環(huán)境有一定要求，芯樣直觀，一般作為物探的補充，進行驗證。

1 工程概況

桐溪站—大王山站區(qū)間位于長沙市岳麓區(qū)坪塘街道，區(qū)間線路出清風(fēng)路站后，沿譚州大道向東北方向偏轉(zhuǎn)，側(cè)穿坪塘集鎮(zhèn)安置性住宅片區(qū)后，進入山塘站。

本區(qū)間起訖里程如下。

左線XHNDK36+254.411—左XHNDK37+085.711，全長831.352 m，含長鏈0.052 m。

右線XHNDK36+298.411—右XHNDK37+085.711，全長794.3 m。

左右線線間距14～15 m。

區(qū)間水平曲線最小半徑為R1 200 m，最大坡度為15‰。

左線位于市政道路中間，右線位于非機動車道右側(cè)花園里，隧洞平均埋深15 m，本次探測主要在右線正上方和右線左側(cè)非機動車道上布置測線，右線右側(cè)不具備探測條件。

2 高密度法探測

2.1 測線布置

根據(jù)勘查任務(wù)要求，測線應(yīng)盡量覆蓋勘查區(qū)域，并盡可能避免或減小地形和其他干擾因素影響的原則，探測區(qū)域地勢平坦，根據(jù)任務(wù)及工作現(xiàn)場情況在場地內(nèi)右線上方布設(shè)1條高密度測線，電極距均為2 m，用卷尺測量保證距離精度，盡量減少每根電極的接地電阻差，布設(shè)28個電極，所有電極在同一條直線上，測線長為52 m，并減少接地電阻，并確保接地良好。

2.2 探測原理

（1）本次高密度法主要是探查測線范圍內(nèi)地下是否存在巖溶，是以巖土體的電性差異為基礎(chǔ)的電探方法。由于原狀地層是層間結(jié)構(gòu)，一般地層是有一定規(guī)律的結(jié)構(gòu)分布，當(dāng)?shù)叵率强斩磿r，會與周圍的巖土體存在明顯的電阻率差值。由于空氣和水的導(dǎo)電性兩極差異：空氣不具備導(dǎo)電性，是高電阻體；水具備高導(dǎo)電性，是低電阻體。當(dāng)這些空洞、溶洞里面是充填水、泥沙和其他低電阻體時，在數(shù)據(jù)分析軟件里面高密度電阻率法反演圖上表現(xiàn)為封閉的低阻異常，也會以“V”字型的低阻異常形態(tài)特征展現(xiàn)，在圖上表現(xiàn)為藍色-深藍色，顏色越深表明與周圍的巖土體電阻差異越大。當(dāng)空洞、溶洞的充填物為空氣時，在數(shù)據(jù)分析軟件里面高密度電阻率法反演圖上表現(xiàn)為封閉的高阻異常，在圖上表現(xiàn)為紫色-深紫色，2種電性層位界面反映為視電阻率梯度大等異常特征；巖土體不存在不良地質(zhì)的情況下，完整地層層位在視電阻率剖面上表現(xiàn)為顏色均勻平緩變化，這是高密度法開展工作的原理，也是在此區(qū)開展高密度法探測的地理條件。

2.3 探測數(shù)據(jù)處理及結(jié)論分析

2022年2月28 日將野外采集的數(shù)據(jù)導(dǎo)入計算機，與野外記錄仔細核對后，應(yīng)用專業(yè)軟件（2D RES）經(jīng)刪除壞點、收斂極限及滑動平均反演生成Y坐標(biāo)為深度、X坐標(biāo)為點距的反演圖，通過本次物探勘查，在XHNDK35+499—XHNDK35+447里程區(qū)間9.6 m深度范圍內(nèi)視電阻率ρs等值線分層清晰且均勻平緩變化，其中測線方向XHNDK35+486—XHNDK35+484范圍內(nèi)出現(xiàn)低阻封閉圈異常，圖示上顯示為深藍色，深度區(qū)間約6～7 m，推測為巖溶異常反應(yīng)，巖溶體內(nèi)部為高導(dǎo)電體，推斷空腔里面有水，泥沙填充，如圖1所示。

圖1 測線反演成果圖

3 地質(zhì)雷達法探測

3.1 測線布置

使用SⅠR-4000地質(zhì)雷達配合100 MHz天線在長株潭城際軌道交通西環(huán)線一期工程桐溪站—大王山站右線盾構(gòu)區(qū)間上方共布置2條測線，測線1位于右線左側(cè)偏2 m，位于右側(cè)非機動車道內(nèi)，靠近右側(cè)圍擋，長度39 m，現(xiàn)場對應(yīng)位置5 m做一個標(biāo)記，具備連續(xù)采集條件，樁號范圍XHNDK35+497—XHNDK35+458；測線2位于右線中線管片654—658環(huán)上方花園內(nèi)，沿著縱向已清出1 m左右寬度，長度7 m，在測線中間點做好標(biāo)記，樁號范圍XHNDK35+488.5—XHNDK35+481.5。

3.2 探測方法與參數(shù)設(shè)置

測線1采用時間模式，從大里程往小里程方向探測；探測前，先在探測周邊區(qū)域，盡量在測線范圍外，調(diào)試好雷達參數(shù)，先在輸出里面把垂直刻度調(diào)試成深度模式，點進雷達把深度范圍（m）調(diào)至現(xiàn)場需要的探測深度范圍，在處理里面把FⅠR疊加設(shè)置在3～9范圍內(nèi)，在雷達信號位置一欄先自動，后手動，調(diào)整表面位置（一般設(shè)置0.0），調(diào)整延時至首波（負波）到合適位置（圖2），采樣/掃描設(shè)置為1 024，在處理里面把增益方式調(diào)整為自動，后手動，在編輯增益曲線中，適當(dāng)增減增益點數(shù)，調(diào)整增益曲線至波形在左右黑線范圍內(nèi)，并盡量保證2/3線寬的振幅寬度（圖3）。

圖2 調(diào)整首波位置

圖3 調(diào)整增益曲線

測線2采用點測模式，從大里程往小里程方向探測，點測模式按時間模式調(diào)試?yán)走_參數(shù)，然后點進雷達把采集模式調(diào)成點測模式。點測模式下，同樣在探測周邊區(qū)域，在受影響區(qū)域外調(diào)整雷達增益（尤其是應(yīng)急搶險工程，在隱患位置外調(diào)整增益），為保證采集質(zhì)量，盡量讓天線橫向沿測線方向按步距10～20 cm推進，每測點采集4～10道數(shù)據(jù)。

3.3 探測分析原理

地質(zhì)雷達是1種以高頻寬頻帶短脈沖電磁波由地面通過發(fā)射天線定向送入地下，經(jīng)地下不連續(xù)體或目標(biāo)體反射后返回地面被接收天線所接收，根據(jù)波的傳播特性原理，隨著深度的增加，波幅逐漸衰減。電磁波在同一種介質(zhì)中傳播時，其反射波信號較弱，向下傳播的過程中，遇到不同介質(zhì)面時發(fā)生反射，其反射波振幅大小與上下2層的電性差成正比（同時頻率與同相軸會出現(xiàn)明顯的差異），即與地質(zhì)的介電常數(shù)差成正比。由于空氣的介電常數(shù)是1，水的介電常數(shù)是81，當(dāng)?shù)貙又杏兴缮?、溶腔（里面可能是空氣或者是水及泥質(zhì)體），其腔體上下面存在較大的介電常數(shù)差，發(fā)生明顯的強反射信號，以此來確定地下存在不良地質(zhì)體，根據(jù)相鄰道上反射波的對比分析，不同道上同一相位的各個相似的反射波連起來組成同相軸再結(jié)合反射波的波幅突然出現(xiàn)的增大或衰減，就可以判斷缺陷的位置與范圍。

根據(jù)公式

式中：εr為相對介電常數(shù)；t為雙程走時，ns；確定了地層介質(zhì)的介電常數(shù)，從發(fā)射經(jīng)巖體界面反射回到接收天線的雙程走時t，可以精確求得式中d，“d”為標(biāo)定目標(biāo)體厚度或距離，m。

3.4 探測數(shù)據(jù)處理及結(jié)論分析

2022年2月28 日將采集的數(shù)據(jù)導(dǎo)入計算機，應(yīng)用專業(yè)軟件RADAN7經(jīng)過時間零點、背景去除和濾波處理，并進行介電常數(shù)（運用高密度推導(dǎo)結(jié)論，確定地層綜合介電常數(shù)為7）、增益等調(diào)整，對該數(shù)據(jù)進行處理分析后在檢測區(qū)域內(nèi)發(fā)現(xiàn)2處異常，根據(jù)雷達探測原理，結(jié)合同相軸及灰度圖上異常點信息，在點測模式中，6～9.5 m范圍有極黑與極白處，與周圍存在明顯差異，同時根據(jù)波幅特征（左負表現(xiàn)為黑色，右正表現(xiàn)為白色），在圖像上按順序出現(xiàn)黑—白—黑（表明此處介電常數(shù)比上下層大）與白—黑—白（表明此處介電常數(shù)比上下層?。┐_定此處的介電常數(shù)比上下層大，推斷此處為空腔，里面有水，含泥沙，雷達數(shù)據(jù)分析圖如圖4和圖5所示，具體缺陷見表1。

表1 桐溪站—大王山站區(qū)間地面雷達掃描情況檢測結(jié)果表

圖4 測線1雷達掃描圖（時間模式）

圖5 測線2雷達掃描圖（點測模式）

4 鉆芯驗證

鑒于高密度法與地質(zhì)雷達探測右線上方樁號XHNDK35+485前后存在空腔，施工單位于3月8日對此處進行鉆芯驗證，共鉆取2組芯樣，第一組芯樣位于XHNDK35+485樁號右線正上方，第二組芯樣位于XHNDK35+490樁號右線正上方，第一組芯樣存在明顯的空腔，且空腔埋深為6～8.5 m（芯樣槽里面每節(jié)芯樣1 m），如圖6和圖7所示。

圖6 2組芯樣排列圖

圖7 第一組芯樣第2盒6～8.5 m缺陷圖

5 結(jié)論

通過對長株潭城際軌道交通西環(huán)線一期工程桐溪站—大王山站右線盾構(gòu)區(qū)間上方物探數(shù)據(jù)分析得出如下結(jié)論。

（1）高密度法和地質(zhì)雷達法都能夠很好地探測出地下不良體，尤其是對空腔反應(yīng)異常明顯。

（2）高密度法測線越長，點間距越大，測深越大，測點越多，點間距越小，精度越大，測線長度受場地限制，測深與精度存在相互制約。

（3）地質(zhì)雷達法受場地限制較小，可以采用時間模式與點測模式，測線可以靈活布置，主要應(yīng)用在短距離探測中。

（4）高密度法與地質(zhì)雷達法兩者結(jié)合，取長補短，高密度數(shù)據(jù)能有效確定地下不良體埋深，同樣的地層巖性，在地質(zhì)雷達中（短距離探測）推導(dǎo)出地層綜合介電常數(shù)，運動地質(zhì)雷達能探測地下不良地質(zhì)體的分布范圍和埋深。

（5）高密度法推導(dǎo)XHNDK35+486—XHNDK35+484巖溶埋深6 m，地質(zhì)雷達推導(dǎo)XHNDK35+488.5—XHNDK35+481.5巖溶埋深6 m，在XHNDK35+485處芯樣長度缺陷處埋深6 m，同一個位置三者高度吻合。

（6）高密度法與地質(zhì)雷達法兩者結(jié)合能省去鉆心驗證，及時采取措施，對不良地質(zhì)體進行綜合分析評判，做到高效并減少成本。