探地雷達(dá)在小學(xué)校區(qū)廢棄防空洞探測(cè)中的應(yīng)用研究

沈方鋁，陳偉，李培

探地雷達(dá)在小學(xué)校區(qū)廢棄防空洞探測(cè)中的應(yīng)用研究

沈方鋁，陳偉，李培

（福建省地震局，福建 福州 350001）

學(xué)校建設(shè)工程安全關(guān)系著廣大師生的身心健康和生命安全，關(guān)系著千家萬(wàn)戶的幸福，影響著社會(huì)的和諧穩(wěn)定。福州鼓山中心小學(xué)地基基礎(chǔ)工程建設(shè)時(shí)發(fā)現(xiàn)了易引起地質(zhì)災(zāi)害的廢棄土質(zhì)防空洞，運(yùn)用探地雷達(dá)方法技術(shù)探明了校區(qū)下伏廢棄防空洞，有效防范了安全生產(chǎn)事故的發(fā)生。通過(guò)探地雷達(dá)對(duì)目標(biāo)體的探測(cè)，分析了地下土質(zhì)防空洞的雷達(dá)波組異常特征，總結(jié)了探地雷達(dá)時(shí)深剖面圖的異常特征，準(zhǔn)確地探測(cè)出了防空洞的具體位置、規(guī)模和可靠的走向延伸方向，為確保小學(xué)建樓地基的穩(wěn)定提供了技術(shù)支持。

探地雷達(dá)；電磁波；防空洞探測(cè)；異常特征

1 引言

學(xué)校建設(shè)工程安全事關(guān)廣大師生的生命和安全，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，校園建筑工程安全問(wèn)題得到廣大學(xué)校的重視。因此，學(xué)校對(duì)校園建筑工程場(chǎng)地地基條件的勘察精度要求也越來(lái)越高。作為建筑場(chǎng)地地基條件勘察的常規(guī)手段之一，工程鉆探成本過(guò)高，不能大面積高密度鋪開(kāi)[1]，很容易遺漏場(chǎng)地鉆孔間的小型土洞、溶洞、防空洞等不良地質(zhì)現(xiàn)象。因此運(yùn)用價(jià)格相對(duì)低廉、工作無(wú)損、結(jié)果相對(duì)準(zhǔn)確快速的物探手段來(lái)對(duì)學(xué)校建筑工程場(chǎng)地的地基條件進(jìn)行調(diào)查和探測(cè)是比較合適的。

隨著物探方法的進(jìn)步，包括探地雷達(dá)[2]、高密度電阻率法、淺層地震反射波法、剪切波速測(cè)試[3-4]等多種物探手段都可以進(jìn)行工程建筑場(chǎng)地地基條件探測(cè)。其中高密度電阻率法對(duì)淺部相對(duì)較深的含水裂隙或空洞的探測(cè)效果好[5]，淺層地震勘探適用探測(cè)淺部相對(duì)深度較深的空洞[6]，這兩種方法在建筑工地上常受到剖面大、干擾源多等客觀因素的制約。探地雷達(dá)是一種利用高頻電磁波在巖體傳播中遇到地質(zhì)界面產(chǎn)生反射的特性探測(cè)異常地質(zhì)體的一種方法，該方法具有精度高、連續(xù)無(wú)損、經(jīng)濟(jì)、快速、抗干擾強(qiáng)、圖像直觀等特點(diǎn)[7]，更適宜在城市建筑工程復(fù)雜條件下快速檢測(cè)和識(shí)別地下不良地質(zhì)體。

經(jīng)初步調(diào)查，福州市鼓山中心小學(xué)教學(xué)辦公綜合樓建設(shè)過(guò)程中某處發(fā)現(xiàn)廢棄土體地下防空洞，其洞體局部下沉，易導(dǎo)致塌陷，給工程建設(shè)帶來(lái)了一定的安全隱患，需要對(duì)其位置、埋深及規(guī)模進(jìn)行探測(cè)，為建筑工程提供參考。該土質(zhì)防空洞相關(guān)資料遺失，揭露為充滿空氣的近水平的不規(guī)則柱狀體或半坍塌狀空洞，洞口埋藏于砂土狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖中，洞深小于3 m，而施測(cè)范圍只能布置在狹窄短小的工地上，探測(cè)難度大。根據(jù)上述的工作條件，選擇探地雷達(dá)方法對(duì)其進(jìn)行探測(cè)。

2 地質(zhì)概況

鼓山中心小學(xué)教學(xué)辦公綜合樓地處福州市晉安區(qū)鼓山鼓二村，在區(qū)域構(gòu)造單元方面位于閩東火山斷拗帶內(nèi)的次一級(jí)構(gòu)造單元福鼎—云霄斷陷帶和閩東南濱海斷隆帶上，處于閩江下游地域，為鼓山—鼓嶺斷塊低山地形。坐落于一座小山包上，屬剝蝕殘丘地貌類型，下伏地層巖性主要為殘積土、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖。

3 防空洞探測(cè)的原理與方法

3.1 原理

探地雷達(dá)是利用雷達(dá)主機(jī)發(fā)射天線（T）發(fā)射高頻帶短脈沖電磁波，經(jīng)過(guò)地下地層或目標(biāo)體反射后返回地面，為接收天線（R）所接收反射來(lái)探測(cè)目標(biāo)體，探地雷達(dá)工作原理如圖1所示。探地雷達(dá)根據(jù)地下介質(zhì)中的電性差異所得的電磁波在介質(zhì)中傳播的路徑、電磁場(chǎng)強(qiáng)度與波形等圖像剖面，進(jìn)行探地解釋，分析地下介質(zhì)或目標(biāo)體的結(jié)構(gòu)、目標(biāo)體埋藏深度等。

圖1 探地雷達(dá)工作原理

電磁脈沖波從發(fā)射經(jīng)深度為的地層界面或目標(biāo)體反射到接收天線，在地下介質(zhì)中的雙程傳播時(shí)間為：

式（1）中：為地下介質(zhì)界面或目標(biāo)體的深度；為發(fā)射天線與接收天線之間的距離（本文采用一體式屏蔽天線，近似為0）；為反射波在介質(zhì)中的傳播速度。

因此，該式可以進(jìn)一步簡(jiǎn)化為：

電磁波傳播速度與介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)的關(guān)系為：

式（3）中：為真空中電磁波傳播速度（＝0.3 m/ns）；為介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)。

當(dāng)介質(zhì)的傳播速度或介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)已知時(shí)，即可求出地層界面或目的體的深度。在采用的儀器天線為收發(fā)一體，相對(duì)探測(cè)深度很小的情況下，則反射系數(shù)可表示為：

由式（4）可知，反射界面兩側(cè)介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)的差異決定了反射系數(shù)的大小。差異越大反射系數(shù)越大，探測(cè)出的異常越明顯。

3.2 防空洞異常

揭露的防空洞為較為規(guī)則的拱形結(jié)構(gòu)，如圖2所示，設(shè)在介電常數(shù)為1的均勻半無(wú)限空間內(nèi)存在一介電常數(shù)為2的球狀體，反射點(diǎn)埋深為，球狀體半徑為，頂部埋深為=1，底部埋深=2，電磁波的發(fā)射點(diǎn)位，接收點(diǎn)為，天線的中點(diǎn)即為當(dāng)次發(fā)射電磁波由空洞界面反射接收后的記錄點(diǎn)，由于本文采用收發(fā)一體天線，其近似為同一個(gè)點(diǎn)。設(shè)=，=，則（+）2=2+（+）2，整理后可得：

該式即為探地雷達(dá)探測(cè)空洞的雙曲線方程[8]，反映了防空洞異常的基本圖形特征。

電磁波反射出現(xiàn)在兩者交界面上，其反射強(qiáng)弱取決于兩者之間介電常數(shù)的差異大小（介質(zhì)組成、圍巖風(fēng)化程度和含水性質(zhì)等）。

4 定量計(jì)算及異常分析

城市地下土質(zhì)空洞這一地下不良地質(zhì)體的探測(cè)工作采用何種探測(cè)手段和工作方法，是達(dá)到工作目的關(guān)鍵所在[9]。

該防空洞出露洞口位于福州市鼓山中心小學(xué)教學(xué)樓場(chǎng)地西北角，洞口埋藏于強(qiáng)風(fēng)化花崗巖中，洞頂埋深約1 m，洞寬約1 m，洞內(nèi)頂、底、壁為自然狀態(tài)，未經(jīng)人工砌護(hù)。教學(xué)樓場(chǎng)地工程場(chǎng)地處于施工狀態(tài)，工作條件較差，現(xiàn)場(chǎng)金屬干擾較多。由于防空洞的頂?shù)捉缑嬉话銥榛炷痢r石或硬土，內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可以分為完整干燥無(wú)充水和有坍塌充填物兩種。完整干燥無(wú)充水的防空洞頂?shù)捉缑鎯蓚?cè)物性差異大，圖像易于分辨，有坍塌充填的空洞則相對(duì)復(fù)雜，波形較為雜亂。雷達(dá)發(fā)射波的反射系數(shù)的大小取決于探測(cè)目標(biāo)與圍巖間介電常數(shù)的差異，差異越大，反射系數(shù)越大，探測(cè)效果越好。

根據(jù)上述條件，針對(duì)性采用美國(guó)勞雷工業(yè)公司研制的GSSI SIR-20型探地雷達(dá)進(jìn)行探測(cè)，匹配天線選用了中心頻率100 MHz屏蔽式天線。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)及揭露的情況，采用點(diǎn)測(cè)模式，測(cè)點(diǎn)距離為0.2 m，疊加次數(shù)128次。時(shí)窗（）選擇主要取決于最大探測(cè)深度max與地層電磁波速度，根據(jù)公式=1.3*2max/，計(jì)算得到=150。

4.1 速度及介電常數(shù)計(jì)算

探地雷達(dá)資料解釋的重要內(nèi)容即為探地雷達(dá)電磁波速度的產(chǎn)出，其結(jié)果直接關(guān)系時(shí)深轉(zhuǎn)換和解釋結(jié)果的準(zhǔn)確性。常用的電磁波在介質(zhì)中傳播速度的獲取方法有已知目標(biāo)換算方法、幾何刻度法、介電常數(shù)法、CDP速度分析法、反射系數(shù)法等。已知目標(biāo)換算方法簡(jiǎn)單快速準(zhǔn)確，是最常用的方法。由于現(xiàn)場(chǎng)揭露已知地層和目標(biāo)體的深度，因此本文采用目標(biāo)換算方法即可快速得到準(zhǔn)確的速度。

如圖2所示，根據(jù)揭露空洞頂界面埋深和雷達(dá)波的雙程走時(shí)，直接運(yùn)用=2/，即可得到上覆砂土狀花崗巖的電磁波速度為0.15 m/ns。再根據(jù)公式（2）可以求得砂土狀花崗巖的介電常數(shù)。計(jì)算后得出=4.16，因此，本文在時(shí)深轉(zhuǎn)換時(shí)采用的介電常數(shù)為4。根據(jù)=/，計(jì)算可得=0.17 m。遠(yuǎn)小于埋深。由于發(fā)射、接收天線間距離遠(yuǎn)小于防空洞埋深，根據(jù)第一Fresnel帶的直徑的計(jì)算公式可得=0.29 m。由此也驗(yàn)證，采樣的點(diǎn)距0.2 m已充分滿足要求。

4.2 防空洞直徑R的定量計(jì)算

設(shè)雷達(dá)波在防空洞中的傳播速度為光速，在防空洞頂界面點(diǎn)的雙程走時(shí)為1，底界面點(diǎn)的雙程走時(shí)為2，防空洞的縱向直徑為，則=/2=（2－1）/2。頂界面的雷達(dá)波雙程走時(shí)約為：1=17 ns，2=30 ns，代入后計(jì)算可得，=1.45 m。

4.3 雷達(dá)圖像分析

界面反射信號(hào)的強(qiáng)弱和反射波相位與直達(dá)波相位的關(guān)系是判讀空洞依據(jù)[9]。追蹤雷達(dá)波同相軸的連續(xù)性和識(shí)別波阻抗反射界面是探地雷達(dá)剖面圖像解釋的關(guān)鍵[10]。在雷達(dá)圖像上，空洞表現(xiàn)為反射振幅較強(qiáng)、連續(xù)、呈弧狀等特征[11]。實(shí)際探測(cè)所得的探地雷達(dá)圖像顯示，空洞頂?shù)捉缑娴耐噍S相位相反，雷達(dá)波由砂土狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖進(jìn)入防空洞有強(qiáng)烈的反射，防空洞底界面也存在較為強(qiáng)烈的反射波，說(shuō)明了防空洞內(nèi)部與圍巖有較大的介電常數(shù)差異。防空洞頂?shù)捉缑胬走_(dá)單道波形識(shí)別如圖3所示。探地雷達(dá)時(shí)間剖面及解譯如圖4所示。

圖4 探地雷達(dá)時(shí)間剖面及解譯圖

從圖3可以看出，探地雷達(dá)剖面第32道顯示出了較為明顯的電磁波低速到高速，高速到低速的特征，頂?shù)捉缑嫘盘?hào)時(shí)差較大，體現(xiàn)了空洞的雷達(dá)波響應(yīng)特征。

從圖3可以看出，測(cè)線里程為6～8 m，縱向時(shí)深17～30 ns附近存在一能量很強(qiáng)的波組界面，伴隨多次強(qiáng)反射，存在繞射現(xiàn)象，總體呈較為對(duì)稱的雙曲線同相軸形態(tài)。根據(jù)雷達(dá)圖像識(shí)別并參考揭露空洞等資料，推測(cè)該處存在一下埋防空洞，經(jīng)時(shí)深轉(zhuǎn)換后頂?shù)捉缑媛裆顬?.3～2.7 m，橫向界面大約在測(cè)線6.5～8 m位置，寬1.2 m；在測(cè)線12～17 m，縱向時(shí)深1.3～2.7 m位置附近存在兩處呈雙曲線型的雷達(dá)電磁波強(qiáng)反射。該處寬幅反射雷達(dá)電磁波能量強(qiáng)有規(guī)律，伴隨多次強(qiáng)反射疊加，總體呈雙峰雙曲線，推測(cè)該位置存在兩處下埋防空洞，位置分別在測(cè)線12～13.5 m附近和測(cè)線15.5～17 m附近，寬1.3 m；在埋深大約3.5～4.0 m處存在一反射能量分布較均勻、同相軸連續(xù)好、圖像清晰穩(wěn)定的波組界面，其反射波的首波相位與入射波同相，且上層反射波呈現(xiàn)低頻大振幅連續(xù)反射，下層呈現(xiàn)高頻弱振幅反射。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查推測(cè)該界面為強(qiáng)風(fēng)化花崗巖與中風(fēng)化花崗巖間的土體層位分界面，強(qiáng)風(fēng)化層中礦物按深度分布，垂向電磁參數(shù)差異較大，呈現(xiàn)低頻大振幅連續(xù)反射；其下的新鮮基巖中呈現(xiàn)高頻弱振幅反射，從頻率特性中可較為清楚地將兩層分開(kāi)。

針對(duì)探地雷達(dá)探測(cè)所發(fā)現(xiàn)的地下異常目標(biāo)，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了開(kāi)挖驗(yàn)證，直接驗(yàn)證解釋結(jié)果的正確性，如圖5所示。該防空洞埋藏深度約為地表以下1.5 m，洞寬1.2 m，底界面為地表下2.8 m，基本完好，部分有少量坍塌。開(kāi)挖結(jié)果與雷達(dá)數(shù)據(jù)解譯結(jié)果相比，探地雷達(dá)所解譯的地下防空洞頂界面深度為1.4 m，洞寬底界面埋深2.9 m，頂?shù)捉缑鎺缀跻恢?，僅相差0.1 m，效果較為理想；防空洞橫向解譯寬度為1.2～1.3 m，開(kāi)挖實(shí)際寬度為1.0～1.2 m，誤差最大0.2 m，位置中心點(diǎn)與開(kāi)挖結(jié)果吻合較好。

圖5 防空洞開(kāi)挖驗(yàn)證照片

5 結(jié)語(yǔ)

探地雷達(dá)方法是一項(xiàng)應(yīng)用十分廣泛的近地表地球物理探測(cè)方法。與其他物探手段相比，設(shè)備便攜、速度快、探測(cè)精度高、實(shí)時(shí)顯示圖像、無(wú)損探測(cè)及剖面連續(xù)等是探地雷達(dá)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。但是實(shí)際工作中，需要根據(jù)探測(cè)目的體、周邊工作環(huán)境與探地雷達(dá)自身的優(yōu)劣特性有機(jī)結(jié)合來(lái)針對(duì)性地選擇天線頻率和工作參數(shù)。

探地雷達(dá)的數(shù)據(jù)采集直接影響雷達(dá)圖像的質(zhì)量。探地雷達(dá)的雷達(dá)波同相軸變化、反射界面的識(shí)別、圖譜幅值和相位情況是判斷防空洞特征的重要信息。通過(guò)對(duì)探地雷達(dá)實(shí)測(cè)資料的處理和圖像分析，表明在城市校園建筑工程場(chǎng)地使用探地雷達(dá)探測(cè)可以較為快速、準(zhǔn)確得到淺部土質(zhì)防空洞的空間位置、規(guī)模、延伸方向，減少因工程探地條件不佳引起的工程質(zhì)量問(wèn)題。配置100 M天線的探地雷達(dá)，可探測(cè)深度10 m以內(nèi)保存相對(duì)完好的土質(zhì)防空洞，效果較好，空洞異常表現(xiàn)為反射波頻率較低，波幅變大，異常形態(tài)通常為相對(duì)對(duì)稱的雙曲線同相軸形態(tài)。根據(jù)本次探地雷達(dá)實(shí)測(cè)，鼓山小學(xué)附近砂土狀花崗巖的電磁波速度為0.15 m/ns，介電常數(shù)為4.16，可被參考使用在周邊相似條件工程的電磁波速度預(yù)測(cè)。

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P631.83

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.16.004

2095－6835（2019）16－0010－04

沈方鋁（1983—），男，工學(xué)碩士，工程師，主要從事工程地震及地球物理探測(cè)工作。

〔編輯：嚴(yán)麗琴〕