地質雷達在地鐵巖溶探測中的應用

楊冠宇

江蘇省地質工程勘察院 江蘇 南京 210012

正文：

一 地質雷達工作原理

地質雷達是以超高頻電磁波作為場源，由一個發射天線向地下發射一定中心頻率的無載波電磁脈沖波，另一天線接收由地下不同電性介質界面產生的反射回波(圖1-1)。電磁波在介質中傳播時，其傳播時間、電磁場強度與波形將隨所通過介質的電學性質（如介電常數）及測試目標體幾何形態的差異而產生變化，根據接收的回波旅行時間、幅度、頻率和波形等信息，可探測地下目的體的結構和位置信息[1]。地質雷達接收天線所接收的反射回波旅行時間為：

圖1 -1 地質雷達工作原理示意圖

通過對地質雷達接收數據的轉換處理，形成雷達時距圖像，通過對雷達反射波形的同相軸追蹤，尋找有無同相軸的不連續、錯斷、繞射等異常信號，根據電磁波旅行時間，并結合雷達波形的振幅、頻率以及地質資料加以識別，經過認真的分析計算，達到確定目標體的位置、規模、分布等信息。

二 工作技術方法

為更好地開展地質雷達巖溶探測工作，保證其探測的精度和準確性，需要在工作開始準備階段，采集數據和成果解譯中遵循一些要求[2]。

（1）開展工作前要先了解探測目標體的深度、大小和介電常數，以便給儀器設置合理的采集參數。目標體的深度是設置采集時窗長度的關鍵，大小和介電常數是目標探測體異常特征是否明顯的關鍵。

（2）數據采集時要注意避開周圍高壓線、變電站、汽車、建筑物等帶來的干擾線號，對發現的巖溶區域適當加密橫、縱網狀測線。

（3）數據處理過程中，要合理突出有效信號，壓制干擾信號。在濾波處理時，不能使處理后的信號失真。在成果解譯時要結合現場地質調查結果和鉆探資料，綜合分析不同巖溶形態在地質雷達剖面上的信號特征，作出合理解釋。

三 應用實例

現結合南京某地鐵項目巖溶探測實例進行闡述。

既有鉆探資料表明南京地鐵某項目下伏基巖為灰巖和泥巖，灰巖內部巖溶較發育，基巖面至地表基為填土和粉質黏土。土層與灰巖、泥巖之間，灰巖與泥巖之間，完整的灰巖與破碎的灰巖以及有溶蝕現象的灰巖之間，電性、密度差異均較大，電磁反射和彈性波法應用條件較好，為地質雷達工作探測巖溶提供了較好的地球物理前提。

探測儀器采用瑞典MALA公司生產的MALA Pro三代數字式主機（ProEx)系統地質雷達，天線選擇50M低頻天線。根據現場試驗選擇數據采集參數為：采樣步長：0.2m；采樣時窗：1000nsec；采樣點數：1024；疊加數：64次；分辨率：5psec。

表3 -1 幾種常見介質的電性參數

雜填土、素填土層地質雷達圖像基本特征：雷達反射波形頻率較高、振幅較小；粉質粘土層地質雷達圖像基本特征：頻率相對較低、振幅相對較大，界面同相軸具有一定的連續性特征；基巖層地質雷達圖像基本特征：由于其埋深較大，雷達反射波形頻率高、振幅則較小，其分界面雖具一定能量，連續性較好，但部分地段受多次反射信號和其它干擾因素影響，基巖分界面的雷達同相軸也會出現不連續的特征；灰巖溶洞地質雷達圖像基本特征：由于其規模小且孤立，多以低阻形式存在，雷達反射波形頻率明顯變低、振幅變強，其雷達圖像與周邊存在明顯的能量差異，由于異常邊界不規則，推測溶洞會比實際溶洞略大。

圖3-1（B6測線）為南京某地鐵項目巖溶探測的一段典型波形圖，測線長165m，近南北向布置。雷達測線圖像在標高14～24m見一組具一定能量、連續性較好的同相軸，推斷為粉質粘土與灰巖的界面。測線上灰巖頂界面表現為中間淺、向兩側逐漸變深的形態。在測線135m處，見一巖相分界線，兩側雷達圖像存在一定的差異，推測為泥巖和灰巖的接觸帶，接觸帶北傾，傾角較陡。此外，在測線53～74m、標高8～14m和測線114～133m、標高9～18m處，電磁波反射能量變化較大，雷達圖像與周邊存在明顯差異，推測為基巖較破碎。

測線共推斷6處巖溶異常，編號①～⑥，異常中心點平面投影位置位于測線20、39.5、57、73、98和133.5m處，異常中心標高在-6m至22m之間，雷達圖像上反映的巖溶異常規模寬度最大為4m，高度最大為2.5m。

南京某地鐵項目結構底板在剖面上自南向北分別處于灰巖及砂巖地層中，推測的③、④號巖溶異常位于設計的結構底板下方1～2m處，①、②、和⑤、⑥號巖溶異常則位于設計的結構底板上方，距離最近的⑥號巖溶異常僅1m左右，①、②號巖溶異常距結構底板上方2～3m，⑤號巖溶異常距結構底板上方約12m。

圖3 -1 B6測線地質雷達解釋剖面圖

四 結論

應用地質雷達探測淺層巖溶和傳統鉆探方法相比具有應用范圍廣、速度快、效率高、精度準、成本低的顯著優勢。但是對埋藏深、體積小、與圍巖電性差異小的目標體不容易探到?？傊谑褂美走_探測目標異常體時必須充分了解該區域的地質分布情況，調整合適的工作參數以提高探測精度，以達到理想的解譯效果。