地質雷達技術在巖土工程勘察中的應用

彭家陞

（貴州省地質礦產勘查開發局114地質大隊，貴州 遵義 563000）

在巖土工程勘探中，取芯鉆探技術是最為經典的勘探手段之一。它可以識別和描述土層，也可以進行標準貫入試驗和波速試驗以及巖心取樣室內試驗。然而，鉆探方法存在局限性[1]。

由于鉆孔資料充其量只能反映“點”的情況，鉆孔與鉆孔之間的分析與判斷主要依賴經驗和推測，存在著一些不可預見和不確定的因素[2]。

伴隨著各種物探技術的發展應用，鉆探技術和物探技術相結合已顯示出明顯的優勢是創新勘察的發展趨勢，因為后者能彌補前者的不足，其中地質雷達技術就可以克服“一孔之見”和鉆孔之間存在“盲區”的限制。然而目前任何一種物探技術都不能完全取代鉆探技術。取芯鉆孔技術仍需實現細節的確認和驗證。

1 地質雷達技術的原理及特點

地質雷達技術（GPR），也被稱為地探雷達技術，是根據探測目標體利用高頻反射地質界面（1MHz～1GHz）電磁脈沖波。探地雷達利用超高頻電磁波探測地下介質的分布。其基本原理是：發射機通過發射天線與一個12.5M至1200M中心頻率和0.1ns脈沖寬度的電磁波。當信號發生在巖層中時，它會產生反射信號。直接信號和反射信號通過接收天線輸入接收機，然后用示波器放大。

根據示波器是否有反射波數，可以判斷是否有目標，目標的距離可以通過反射信號的到達時間和物體的平均反射波速來粗略計算。這原理與探測雷達基本類似，都是在發射器和接收器傳播電磁波，但電磁波的傳播介質不是空氣而是巖土體。

由于地層巖性或目標體的電性差異，電磁波的反射和折射在介質界面的反射波是不同的，由接收裝置接收信號處理加工，并由技術人員解釋檢測結果，可以推斷地下地層差異的巖體的構成。

電磁波的反射系數及穿透介質時的衰減系數，與介質的介電常數、電導率、導磁系數等相關，例如空氣、水、土壤、灰巖、花崗巖的相對介電常數分別為1～81、2～15、7～8、5～7，它們的電導率（mS/m）分別為0.1～30、0.14～50、10-6～25、10-5～1。

地質雷達技術主要有四個特點。首先，其適應性強，利用無損檢測技術，地質雷達可以安全地應用于城市或者施工現場的工程場地，工作條件較為寬松。二是抗干擾能力強，抗電磁干擾能力強，能在城市各種噪聲環境中工作，受環境影響小。三，定位快速準確。它具有更為良好的檢測深度和分辨率，并可直接提供實時剖面圖，圖像清晰直觀。四，靈活便攜。它使用便攜式計算機控制數據的采集、記錄、存儲和處理，便于攜帶。

2 地質雷達的參數選擇

探地雷達運行時，參數選擇是關乎相關勘探工作成功與否的重要環節。探測深度，雷達分辨率，天線的中心頻率和天線間距是探地雷達的重要參數。探地雷達的探測深度反映了電磁波的能量衰減。它與電磁波的頻率、介質的相對介電常數和電導率有關。

電磁波的頻率越高，相對介電常數和電導率越大，雷達波衰減就會越快，探測深度就會越淺。例如，檢測喀斯特地形，使用100mhz可以檢測12m深度，而400mhz只可以檢測6m深度。再比如，水的相對介電常數大，導致雷達波的衰減也大。

因此，積水的地層和潮濕的土壤層之間的有效距離是比較小的。雷達的分辨率分為水平分辨率和垂直分辨率。他們與雷達波長和地層厚度有關。波長越高，其探測深度較淺，分辨率越高，那么在檢測較淺深度時應該選擇相對較高的頻率，而在較深的土層選擇較低的頻率是有利的，他可以探索更深的深度、獲得更大的信息量。發射和接收天線距離是對回波信號的強度密切相關。它可以通過實驗或經驗選擇。如果沒有數據，對目標體的最大深度20%選擇，或目標體2倍角的接收和發射天線。

3 地質雷達技術在巖土工程勘察中的應用

3.1 地質雷達技術應用實例

目前，探地雷達已廣泛應用于巖土工程勘察中，以探測地下洞穴、喀斯特洞穴、構造斷裂帶和地層構造。例如，一個RIS-K2地面耦合雷達用來對住宅建筑進行勘察的項目中，選擇100MHz天線，通過greswin2軟件處理數據。通過對雷達反射剖面的解釋，了解到在4到8m持力層下面存在長2.5m，寬1.5m的喀斯特洞穴，通過與頻譜特性的分析，推測喀斯特洞穴中充滿了飽和的流塑狀紅粘土或充水溶洞。鉆孔后果然得到了證明，施工方通過注漿加固消除了隱患。再如，某體育場位于頁巖和灰巖接觸帶，存在巖溶發育，溶隙、溶洞和頁巖軟化夾層等不良地質條件。

其基礎采用深孔灌注樁基，為查明樁底7m范圍內的巖溶發育情況，施工隊采用了SIR-3000地質雷達儀，使用100MHz和270MHz的發射接收一體化天線，并且設定了點距0.10m的點測方式，在其中一個深約14m的樁位探測到在樁底4m～5m范圍內存在反射異常的波形，推測那里為強溶蝕區，現場開挖證實那里存在1個直徑約0.45m大小的泥質充填型溶洞。

3.2 地質雷達技術與鉆探技術的結合

探地雷達技術具有分辨率高、無損檢測、效率高、抗干擾能力強等突出優點。例如，在5000mh的雷達波下分辨率的誤差可達幾厘米，且檢測過程內不會造成地下結構的破壞。所需人員和檢測時間遠遠小于鉆探作業，并且可以在各種地下環境中工作，適應性強。

然而，高頻電磁波在地下介質中的高衰減的特性限制了其探測深度。目前，低頻可以用來檢測在石灰巖地區的80m深的喀斯特洞，而中低頻率可以用來檢測20～50m。所以探地雷達技術在淺層地下電磁特性的地質表現界面檢測是合適的，但在深層地質中的表現就需要與傳統的鉆井技術相結合。

地質構造復雜，基巖面起伏劇烈，包括喀斯特洞穴、地下洞穴、破碎帶等。將鉆探技術與探地雷達技術相結合，可最大限度地發揮其優勢，在這種情況下，就需要結合鉆探技術和探地雷達技術來揭示勘察區的地質特征。下面將通過案例來加以說明。

某工廠地址的地層為下伏二疊系石灰巖和上覆第四紀沖積層。地形屬于河谷侵蝕階地，地勢相對平坦。在勘察設計階段完成了鉆探工作，并根據鉆探成果繪制了鉆孔柱狀圖和地層剖面圖。

但在施工過程中，勘察報告顯示的與開挖情況和實際地質條件是不同的。主要問題是在勘探鉆孔之間的區域發現了喀斯特巖溶異常情況。因此，再次引入探地雷達技術進行相關廠址的勘探。

探地雷達在除塵器所在區域勘察孔之間發現了未探明的強溶蝕區或未充填的溶洞，現場開挖證實了探地雷達的結論。在煙囪場址下約60m，探地雷達也發現勘察孔之間的幾個喀斯特洞穴，通過對距地表最薄處的溶洞的鉆探也得到了驗證。

實例表明，鉆探技術面對復雜地下結構具有明顯的局限性。與探地雷達技術相結合，鉆井資料以實際鉆孔資料為基礎，再把探地雷達作為一種有用的補充，可以對場地地質條件進行較為全面客觀的分析。

4 結語

總之，地質雷達技術已在各種工程實踐中證明了它的有效性。作為一種新型的勘察手段，它可以彌補鉆探技術的局限性和不足，并將兩者結合起來，解決傳統勘查手段難以解決的問題，成為復雜地層巖體勘察工作的“王道”。希望本文能對讀者有所啟發。

參考文獻

[1]蔣家龍,方必量.地質雷達在巖溶地區巖土工程勘察中的應用[J].安徽地質,2008,18(4)：292-296.

[2]陳昌彥,張在明,張彥峰,等.地質雷達技術在復雜工程地質條件下的巖土工程勘察中的應用[J].工程地質學報,2004,12(z1)：401-405.