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

龔 俊

（中大檢測(cè)（湖南）股份有限公司，長(zhǎng)沙 410205）

城市地下隱蔽工程施工，施工環(huán)境復(fù)雜，周?chē)芫€錯(cuò)綜復(fù)雜，地面極易出現(xiàn)下沉、塌方等應(yīng)急事故，涉及周?chē)ㄖ踩?、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(shí)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(dá)法，物探法具有快速高效，經(jīng)濟(jì)性好，對(duì)周?chē)h(huán)境干擾小，對(duì)場(chǎng)地檢測(cè)環(huán)境有一定要求。鉆心法效率低，耗時(shí)較長(zhǎng)，檢測(cè)費(fèi)用高，對(duì)周?chē)h(huán)境影響較大，對(duì)場(chǎng)地檢測(cè)環(huán)境有一定要求，芯樣直觀，一般作為物探的補(bǔ)充，進(jìn)行驗(yàn)證。

1 工程概況

桐溪站—大王山站區(qū)間位于長(zhǎng)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(jìn)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(zhǎng)831.352 m，含長(zhǎng)鏈0.052 m。

右線XHNDK36+298.411—右XHNDK37+085.711，全長(zhǎng)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(jī)動(dòng)車(chē)道右側(cè)花園里，隧洞平均埋深15 m，本次探測(cè)主要在右線正上方和右線左側(cè)非機(jī)動(dòng)車(chē)道上布置測(cè)線，右線右側(cè)不具備探測(cè)條件。

2 高密度法探測(cè)

2.1 測(cè)線布置

根據(jù)勘查任務(wù)要求，測(cè)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(cè)區(qū)域地勢(shì)平坦，根據(jù)任務(wù)及工作現(xiàn)場(chǎng)情況在場(chǎng)地內(nèi)右線上方布設(shè)1條高密度測(cè)線，電極距均為2 m，用卷尺測(cè)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(gè)電極，所有電極在同一條直線上，測(cè)線長(zhǎng)為52 m，并減少接地電阻，并確保接地良好。

2.2 探測(cè)原理

（1）本次高密度法主要是探查測(cè)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(shí)，會(huì)與周?chē)膸r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(shí)，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(huì)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(lán)色-深藍(lán)色，顏色越深表明與周?chē)膸r土體電阻差異越大。當(dāng)空洞、溶洞的充填物為空氣時(shí)，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(kāi)展工作的原理，也是在此區(qū)開(kāi)展高密度法探測(cè)的地理?xiàng)l件。

2.3 探測(cè)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(jì)算機(jī)，與野外記錄仔細(xì)核對(duì)后，應(yīng)用專(zhuān)業(yè)軟件（2D RES）經(jīng)刪除壞點(diǎn)、收斂極限及滑動(dòng)平均反演生成Y坐標(biāo)為深度、X坐標(biāo)為點(diǎn)距的反演圖，通過(guò)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(cè)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(lán)色，深度區(qū)間約6～7 m，推測(cè)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(cè)線反演成果圖

3 地質(zhì)雷達(dá)法探測(cè)

3.1 測(cè)線布置

使用SⅠR-4000地質(zhì)雷達(dá)配合100 MHz天線在長(zhǎng)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(cè)線，測(cè)線1位于右線左側(cè)偏2 m，位于右側(cè)非機(jī)動(dòng)車(chē)道內(nèi)，靠近右側(cè)圍擋，長(zhǎng)度39 m，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)應(yīng)位置5 m做一個(gè)標(biāo)記，具備連續(xù)采集條件，樁號(hào)范圍XHNDK35+497—XHNDK35+458；測(cè)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(zhǎng)度7 m，在測(cè)線中間點(diǎn)做好標(biāo)記，樁號(hào)范圍XHNDK35+488.5—XHNDK35+481.5。

3.2 探測(cè)方法與參數(shù)設(shè)置

測(cè)線1采用時(shí)間模式，從大里程往小里程方向探測(cè)；探測(cè)前，先在探測(cè)周邊區(qū)域，盡量在測(cè)線范圍外，調(diào)試好雷達(dá)參數(shù)，先在輸出里面把垂直刻度調(diào)試成深度模式，點(diǎn)進(jìn)雷達(dá)把深度范圍（m）調(diào)至現(xiàn)場(chǎng)需要的探測(cè)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(dá)信號(hào)位置一欄先自動(dòng)，后手動(dòng)，調(diào)整表面位置（一般設(shè)置0.0），調(diào)整延時(shí)至首波（負(fù)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(dòng)，后手動(dòng)，在編輯增益曲線中，適當(dāng)增減增益點(diǎn)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(cè)線2采用點(diǎn)測(cè)模式，從大里程往小里程方向探測(cè)，點(diǎn)測(cè)模式按時(shí)間模式調(diào)試?yán)走_(dá)參數(shù)，然后點(diǎn)進(jìn)雷達(dá)把采集模式調(diào)成點(diǎn)測(cè)模式。點(diǎn)測(cè)模式下，同樣在探測(cè)周邊區(qū)域，在受影響區(qū)域外調(diào)整雷達(dá)增益（尤其是應(yīng)急搶險(xiǎn)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(cè)線方向按步距10～20 cm推進(jìn)，每測(cè)點(diǎn)采集4～10道數(shù)據(jù)。

3.3 探測(cè)分析原理

地質(zhì)雷達(dá)是1種以高頻寬頻帶短脈沖電磁波由地面通過(guò)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(shí)，其反射波信號(hào)較弱，向下傳播的過(guò)程中，遇到不同介質(zhì)面時(shí)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(shí)頻率與同相軸會(huì)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(qiáng)反射信號(hào)，以此來(lái)確定地下存在不良地質(zhì)體，根據(jù)相鄰道上反射波的對(duì)比分析，不同道上同一相位的各個(gè)相似的反射波連起來(lái)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(duì)介電常數(shù)；t為雙程走時(shí)，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(shí)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(cè)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(jì)算機(jī)，應(yīng)用專(zhuān)業(yè)軟件RADAN7經(jīng)過(guò)時(shí)間零點(diǎn)、背景去除和濾波處理，并進(jìn)行介電常數(shù)（運(yùn)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(duì)該數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析后在檢測(cè)區(qū)域內(nèi)發(fā)現(xiàn)2處異常，根據(jù)雷達(dá)探測(cè)原理，結(jié)合同相軸及灰度圖上異常點(diǎn)信息，在點(diǎn)測(cè)模式中，6～9.5 m范圍有極黑與極白處，與周?chē)嬖诿黠@差異，同時(shí)根據(jù)波幅特征（左負(fù)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)比上下層小）確定此處的介電常數(shù)比上下層大，推斷此處為空腔，里面有水，含泥沙，雷達(dá)數(shù)據(jù)分析圖如圖4和圖5所示，具體缺陷見(jiàn)表1。

表1 桐溪站—大王山站區(qū)間地面雷達(dá)掃描情況檢測(cè)結(jié)果表

圖4 測(cè)線1雷達(dá)掃描圖（時(shí)間模式）

圖5 測(cè)線2雷達(dá)掃描圖（點(diǎn)測(cè)模式）

4 鉆芯驗(yàn)證

鑒于高密度法與地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)右線上方樁號(hào)XHNDK35+485前后存在空腔，施工單位于3月8日對(duì)此處進(jìn)行鉆芯驗(yàn)證，共鉆取2組芯樣，第一組芯樣位于XHNDK35+485樁號(hào)右線正上方，第二組芯樣位于XHNDK35+490樁號(hào)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(guò)對(duì)長(zhǎng)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(dá)法都能夠很好地探測(cè)出地下不良體，尤其是對(duì)空腔反應(yīng)異常明顯。

（2）高密度法測(cè)線越長(zhǎng)，點(diǎn)間距越大，測(cè)深越大，測(cè)點(diǎn)越多，點(diǎn)間距越小，精度越大，測(cè)線長(zhǎng)度受場(chǎng)地限制，測(cè)深與精度存在相互制約。

（3）地質(zhì)雷達(dá)法受場(chǎng)地限制較小，可以采用時(shí)間模式與點(diǎn)測(cè)模式，測(cè)線可以靈活布置，主要應(yīng)用在短距離探測(cè)中。

（4）高密度法與地質(zhì)雷達(dá)法兩者結(jié)合，取長(zhǎng)補(bǔ)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(dá)中（短距離探測(cè)）推導(dǎo)出地層綜合介電常數(shù)，運(yùn)動(dòng)地質(zhì)雷達(dá)能探測(cè)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(dá)推導(dǎo)XHNDK35+488.5—XHNDK35+481.5巖溶埋深6 m，在XHNDK35+485處芯樣長(zhǎng)度缺陷處埋深6 m，同一個(gè)位置三者高度吻合。

（6）高密度法與地質(zhì)雷達(dá)法兩者結(jié)合能省去鉆心驗(yàn)證，及時(shí)采取措施，對(duì)不良地質(zhì)體進(jìn)行綜合分析評(píng)判，做到高效并減少成本。