探地雷達在灰巖巖體破碎區探測中的應用

吳青 龔智敏 李曉曉

摘 要：文章介紹了探地雷達法探測技術的原理，并依工程實例為背景，重點針對灰巖巖體中破碎區域在雷達圖像上的特征進行解析。結果表明，巖石破碎區在雷達圖像上特征明顯，具有較明顯的反應，探地雷達法對灰巖巖石破碎區探測具有較好的實用性。

關鍵詞：灰巖巖體 探測 探地雷達 巖石破碎區

中圖分類號：P631 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）10（a）-0024-02

探地雷達法作為一種高效、便捷的無損探測手段，在巖土工程和混凝土工程中廣泛應用。但其應用前景尚存在潛在威脅，即雷達圖像解釋的準確性。眾所周知，雷達圖像的解釋工作具有很大的主觀性，解釋結果的準確與否和解釋人員對異常的識別能力有很大關系。雖然關于探地雷達法的測試規程規范較多，但多涉及操作層面，尤其在巖體探測方面，關于各種缺陷體的雷達圖像特征描述較少，缺少規范性的條文，造成同樣的圖像，不同的人判讀，結果存在差異。巖體破碎區是巖體中常見的不良地質體，該文根據工程經驗，對灰巖巖體中破碎區在雷達圖像特征進行分析總結，望對提高雷達解釋的準確性產生一定的意義。

1 原理

探地雷達法（Ground Penetrating Radar Method）是利用發射天線向目標體發射高頻脈沖電磁波，由接收天線接收目標體的反射電磁波，探測目標體空間位置和分布的一種地球物理探測方法。其實際是利用目標體及周圍介質的電磁波的反射特性，對目標體內部的構造和缺陷（或其他不均勻體）進行探測。

探地雷達通過雷達天線對隱蔽目標體進行全斷面掃描的方式獲得斷面的垂直二維剖面圖像，工作示意圖見圖1。具體工作原理是：當雷達系統利用天線向地下發射寬頻帶高頻電磁波，電磁波信號在介質內部傳播時遇到介電差異較大的介質界面時，就會發生反射、透射和折射。兩種介質的介電常數差異越大，反射的電磁波能量也越大；反射回的電磁波被與發射天線同步移動的接收天線接收后，由雷達主機精確記錄下反射回的電磁波的運動特征，再通過信號技術處理，形成全斷面的掃描圖，工程技術人員通過對雷達圖像的判讀，判斷出地下目標物的實際結構情況。

電磁波的傳播取決于介質的電性，介質的電性主要有電導率μ和介電常數ε，前者主要影響電磁波的穿透（探測）深度，在電導率適中的情況下，后者決定電磁波在該物體中的傳播速度。不同的地質體（物體）具有不同的電性，因此，在不同電性的地質體的分界面上，都會產生回波。基本目標體探測原理見圖2。

2 工程概況

荊門某建筑地基：場區位于新華夏系第二沉降帶漢江地西北緣與淮陽山字型構造前弧西翼的交接地帶，屬于荊山余脈的傾末端，擬建場地為丘陵區沖溝地貌。場地現為白龍山山坡及溝谷地，場地經過清表，地勢呈北高南低的山坡。場地巖土層劃分為三層，第一層為第四系雜填土層，第二層為第四系上更新統粉質粘土層，第三層為二疊系石灰巖風化層。檢測面為灰白色灰巖，較完整。

桐木園隧道：隧址區位于我國東部的新華夏系第三隆起帶的中南段和長江中下游東西向構造西段的延伸部分，二者彼此干擾，構造格局較復雜。隧道穿越山體山勢總體呈中間高，兩端逐漸低緩趨勢，隧道走向呈北西～南東向，沿線地形復雜，所經之處山巒疊嶂，地形起伏較大，地勢陡峻。本隧道為長隧道，穿越山體地層情況較復雜，穿越煤系地層、斷層破碎帶（寬約20 m）、巖溶區。隧道掌子面由塊狀孤石的堆積而成，灰巖，土黃色，孤石間存在較大的空隙；掌子面左部由泥土填充，較濕潤。

3 現場檢測

檢測前清理檢測面，使檢測面為平整且裸露的巖體；清除探測范圍內高電導性物體，盡量減少干擾信號源。

選擇合適天線型號，保證天線發射的電磁波的穿透能力能滿足探測深度的要求。本檢測項目中，選用250 MHz屏蔽天線對荊門某地基進行探測，選用100 MHz屏蔽天線對桐木園隧道進行探測。主機采用瑞典MALA ProEx型主機。其設備參數見下表1。

注：以上參數在低電導率的介質中測定，部分介質電導率見表2。

c為電磁波在介質中的電磁波速，不同介質中的電磁波速見表2。

4 結果及分析

4.1 荊門某建筑地基

圖3為雷達檢測結果灰度圖，從雷達圖像上可看出：水平向0.6～6.0 m，豎直向4～44 ns范圍內反射信號振幅強，頻率集中為中低頻，同向軸不連續，呈孤立體形狀，推測該區巖體破碎。開挖驗證表明該區域范圍內巖石破碎、存在少量夾泥，開挖后地質情況見圖4。

圖5為雷達檢測結果灰度圖，從雷達圖像上可看出：水平向0.4～4.0 m，豎直向32～108 ns范圍內反射信號振幅強，頻率為低頻，同向軸連續，呈層面體，有多次反射，推測該區域夾泥或巖體含水。開挖驗證表明該區域范圍內為碎石，碎石間填充淤泥，淤泥含水偏大，開挖后地質情況見圖6。

4.2 桐木園隧道

圖7為雷達檢測結果波列圖，從雷達圖像上可看出：水平向0～8 m，豎直向0～300 ns范圍內反射信號振幅強，頻率為中低頻，同向軸整體不連續，局部較連續，呈層面體，有多次反射，推測掌子面前方巖體破碎，有較大空隙，巖體可能較潮濕。開挖驗證表明該區域為溶洞洞底，由于洞頂塌陷，洞底堆積較大多石塊，開挖后地質情況見圖8。

5 結論

（1）由于破碎區巖體存在較多空隙，電磁波在巖體與空隙的交界面處容易發生反射。因此地質雷達法可用于灰巖巖體破碎區域的探測，且具有較好的實用性。

（2）雷達圖像上，巖石破碎區表現為強振幅，信號頻率為中低頻，同向軸形狀與破碎區域形態有關，一般區域化分布。破碎區域與周圍完整巖體有明顯差異。若破碎區域填充較多淤泥或含水率偏大時，信號頻率以低頻為主，且存在多次反射。

（3）雷達圖像對尺寸較小的破碎區域不敏感，不易被發覺。當破碎區域沿測線方向的長度小于所設置的道間距時，無法對其進行雷達成像。

參考文獻

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