探地雷達在地下空洞探測中的應用

朱金彪

(新疆水利水電勘測設計研究院物探隊，新疆昌吉831100))

探地雷達在地下空洞探測中的應用

朱金彪

(新疆水利水電勘測設計研究院物探隊，新疆昌吉831100))

以三一西北重工廠區地下空洞探測為例，簡要介紹了探地雷達的工作原理、應用范圍及其探測地下空洞的方法、技術，分析了地下空洞在雷達波上反映的波阻特征，介紹了空洞異常在雷達時深剖面中的異常反映。通過在工程中實際應用效果說明了探地雷達探測在一定深度范圍內對于空洞探測有著良好的效果，對淺層或超淺層的工程地基空洞調查探測中有著十分廣闊的應用前景。

探地雷達;地下空洞;雷達波;電磁特性;波阻特征;異常反映;應用效果

1 基本原理

地質雷達是利用高頻電磁波(主頻為數十數百乃至數千兆赫)以寬頻帶短脈沖的形式，由地面通過發射天線(T)向地下發射，當它遇到地下地質體或介質分界面時發生反射，并返回地面，被放置在地表的接收天線(R)接收，并由主機記錄下來，形成雷達剖面圖。

由于電磁波在介質中傳播時，其路徑、電磁波場強度以及波形將隨所通過介質的電磁特性及其幾何形態而發生變化。

因此，根據接收到的波的旅行時間、幅度與波形等資料，經反演計算，可獲得目標體的性質、平面位置、埋藏深度及其規模等資料［1］。

2 概況

三一西北重工工業園區位于烏魯木齊104團二連，由于在南廠區進行地基開挖過程中，發現個別基礎下有類似人防工程的空洞，洞頂埋深距開挖建基面1.7 ～2.5 m，洞高 1.5 ～1.8 m，空洞上部呈楔形，寬度約0.4 m，下部寬度約0.8 m。為查明廠區其他區域是否存在空洞，排除工程隱患，需對廠區重點部位進行空洞調查。測區出露覆蓋層主要以第四系(Q4)沖洪積塊石、砂礫石以及粉土為主，基巖埋深＞30 m，地表覆蓋層介電常數為10～12。

3 測試方法、技術與資料處理

根據現場情況在南區廠房北部(重點調查區域)約占廠區1/3處邊界布置四條雷達測試閉合剖面，剖面長度總計約1 140 m;在測試廠房區均勻布置一橫五縱“井”字狀雷達測試剖面并與外圍閉合圈相交，剖面總計約1 070 m。

工作儀器采用中國電波傳播研究所生產的LTD2000型探地雷達，儀器工作頻率可選用50、100、200、500、900 mHz天線，可通過掛接不同型號的天線，完成針對不同深度目標的探測。本次勘察目標深度3 m左右，根據測區現場地質條件及探測目的和現場試驗，本次采用200 mHz天線，連續采集方式進行數據采集。時窗設置由探測深度決定，一般采取探測深度為目標深度的1.5倍，根據介電常數確定時窗選擇80 ns。

雷達資料的數據處理主要分為預處理和數據處理，預處理包括:①道內重采樣，②道間重采樣，③到標準化。

數據處理:①振幅處理即增減振幅，②頻譜分析，③帶通濾波，④垂直濾波、水平濾波等，處理目的旨在優化數據資料，突出目的體、最大限度地減少外界干擾，為進一步解釋提供清晰可辨的圖像［2］。

4 資料解釋

雷達圖形常以脈沖反射波的波形來記錄，以波形或灰度來顯示探地雷達的探測剖面圖。雷達資料解釋即對雷達測試剖面圖的異常識別。根據在已知空洞上反復試驗，空洞對單一頻率(200 mHz)的雷達圖像上表現為:在時間標尺25～30 ns處出現同相軸呈現錯斷、缺失、不連續或弧狀強反射段等現象，這些特征為識別此次空洞的主要依據。圖1為已知空洞雷達測試剖面圖，綠圈為空洞異常反映。

5 成果分析

圖2是所測試W1段(0～50 m)的雷達圖像，在圖像的8～10 m段，電磁波旅行時為24～33 ns對應的深度，反射波形呈雙曲線，反射波組同相軸不連續，有疑似空洞異常反映，異常頂部離地面深1.9 m左右，異常部位見綠色線圈內強反射處，與已知空洞異常情況吻合，推測為空洞引起的異常反應。

圖3是在所測試N6段(80～150 m)雷達圖像，在圖像87～88 m段電磁波旅行時為28～35 ns對應的深度，反射波形呈雙曲線，反射波組同相軸不連續，有疑似空洞異常反映，異常頂部離地面深1.9 m左右，異常部位見綠色線圈內強反射處，推測為空洞引起的異常反應。

圖1 已知空洞雷達測試剖面圖

圖2 W1段(0～50m)雷達圖像

圖3 N6段(80～150mm)雷達圖像

圖4 WI段驗證照片

圖5 N6段驗證照片

6 結語

通過工程實踐，說明探地雷達能夠探測在一定深度范圍(勘探深度與介質條件及天線主頻有密切關系)的地下空洞，且可取得良好的應用效果。探地雷達以其高效快速、高精度工程地基勘探中能夠發揮重要作用，且對淺層或超淺層的工程地基空洞調查探測中有著十分廣闊的應用前景。

［1］陳仲侯，王興泰，杜世漢.工程環境與物探教程［M］.北京:地質出版社，1993:173-178.

［2］李大心.探地雷達方法及應用［M］.北京:地質出版社，1994:27-63.

TN959

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1007-7596(2014)07-0229-02

2014-01-17

朱金彪(1980-)，男，新疆石河子人，工程師。