地震映像法和探地雷達法在城市地質勘查中的應用

胡彥軍

摘? 要：地質勘查要面對環境復雜的施工環境，有的復雜地質處在明顯位置，有的處在隱伏狀態。采用地質勘查的方法，對于不能達到施工要求的地質進行提前勘查，并根據地質情況設計施工方案。以幫助工程順利開展。例如為了解決路面塌陷問題，做好地下孔洞的勘查，探明巖溶位置以及空間規模，采用地震映射法和探底雷達法，結合勘查結果分析，對巖溶地質發育取得良好的勘查效果，用以指導施工處理。另外采用地震影響法和探地雷達法結合的方式能夠為地質災害治理提供依據。本文對地震映像法和探地雷達法在城市地質勘查中應用進行分析，希望能夠對提升物探技術水平具有參考價值。

關鍵詞：地震映像法? 探地雷達法? 地質勘查? 工作質量

中圖分類號：P624? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）12（b）-0014-04

Abstract： Geological exploration must face the complex construction environment， some complex geology is in the obvious position， some is in the hidden state. By using the method of geological exploration， the geological exploration can not meet the construction requirements in advance， and according to the geological conditions design construction program. To help with the project. For example， in order to solve the problem of road surface collapse， do a good job in the exploration of underground cavities， and find out the location and spatial scale of karst， the seismic mapping method and the ground penetrating radar method are used， combined with the analysis of the exploration results， to obtain good exploration results for the development of karst geology， to guide the construction process. In addition， the combination of seismic impact method and ground penetrating radar method can provide a basis for geological disaster management. In this paper， the application of seismic imaging method and ground penetrating radar （GPR） method in urban geological exploration is analyzed. It is hoped that it can be of reference value to improve the level of geophysical exploration technology.

Key Words： Seismic imaging method; Ground penetrating radar method; Geological exploration; Quality of work

隨著城市建設步伐的加快，進行城市工程建設中管線鋪設施工和地鐵施工等過程中，由于工程容易受到擾動或塌陷影響，給路段建設造成損失。因此采用物探勘查方法，如運用地震映像法和探地雷達結合的方式，經過實地工程應用驗證二者能夠在勘查中發揮綜合應用效果。

1? 地震映像法和探地雷達法概述

工程建設中常常由于對地質勘查不足，對于地下管線復雜、隱伏地質出沒等問題不能做到預知。因此隨著工程建設的快速推進，諸多影響工程建設進度和引發工程風險的問題，如路面塌陷、空洞坍塌等，對于工程安全管控和人們的出行安全和日常生活都產生威脅。對于不密實等病害體，尤其是位于塌陷管線周邊的位置以及規模性空洞，可以采用物探方法，必須結合工程實際和地形情況進行[1]。地質雷達和地震映像方法常用于城市工程開發建設中。地質勘查依據地球物理勘查規范和城市工程相關標準，對于工期情況和現場條件進行充分了解，采用綜合物探方法，相互結合、充分補充。

1.1 優缺點分析

探地雷達法方法技術成熟、效率高、分辨率高，其缺點是信號探測深度存在有限的問題。探地雷達法對地下金屬物影響和地表的影響有較強的反應;地震映像法獲得信息豐富，相對而言排列短、效率高、探測深度大，但是其缺陷在于受到數據解釋人員的實驗影響較大，產生人工震源能量不穩定。

1.2 工作原理

探地雷達法通過探地雷達發射高頻電磁波對地底介質的分布規律進行探測。通過天線進行電磁波的發射，探查地下目標體。天線形成數百兆赫的電磁波，由媒介進行發射。電磁頻率遇到不同媒介時界面產生反射波，在反射過程中返回電表面又被接收天線所接受，電磁波在地下傳播速度由已知介質測定。探地雷達法勘查，電磁波通常傳播速度在高速介質中會出現均勻平波面，其取決于媒介的相對介電常數，進行媒介的相對介電常數計算時，可由公式得出不同的媒介界面可產生不同的電磁波傳播速度，并運用公式得出反射系數。電磁波的反射系數取決于相對介電常數差異反射系數和差異形成正比。顧名思義地下空洞的存在物性差異，產生較強的反射差異[2]。

地震映像法是地震勘查的方法之一，采用吸納后采集技術，對數據如巖溶內部的彈性差異進行數據分析和處理，得到確定的形態特征。地震映像法的發展是從淺地層勘探方法而來，其對單點地震反射和高密度地震勘測均能進行勘探。地震映像法產生的不包括繞射波和反射波，記錄激發點和接觸點之間的反射波，繞射波形成波形圖予以時間剖面記錄，采集過程中避免叫正對反射波的拉伸，即便對不需要處理的可以進行動態調整，防止高頻成分損失，利用地震波的多種信息進行資料解釋時反射波的動態特征得到完整體現，分辨率不受影響[3]。利用反射波和繞射波地震應設法可以產生明顯的反射波和繞射波，路在空洞頂著的測量室延伸范圍反映出公眾發育范圍，如果空洞頂范圍較小，則溶洞頂產生繞射波，同相軸反射波反映空洞的埋深，雙曲線零點為空洞點的位置，繞首播顯示為同相軸雙曲線。

1.3 應用難點

在實際工作中，地震映像法的難點在于確定最佳偏移句，對剖面上的波的傳播速度、時間，振幅的相互關系進行分析。最佳偏移距離越小，地震映像法的效果就越好。采集數據過程中使用相等的移動數據，對接收點和激發點之間的垂直反應時間進行記錄，避免校正反射波的拉伸機變，測量結果受到影響不大，完整體現反射波特征。

1.4 方法研究

在兩種方法的發展研究中發現，探地雷達法雛形應用在1904年，由德國人首先使用，德國用電磁波信號進行遠距離地面金屬體的探測，后有提出用電磁波技術來探查地下的目標體，首次提出電磁波在節點常數不同的介質界面下會反射電磁波反射，這一原理應用在數據處理技術上得到大大的發展，后在20世紀70年代得到技術的提升，實現了對地下淺層的目標勘查。隨著應用目前土木工程、技術調查、環境監測等方面均有廣泛使用[4]。

2? 探地雷達法和地震映像法在物探中綜合運用

以某工程為例，工程屬于鐵路高速客運主骨架，全線長達1560km，橫跨三省，鐵路沿線熔巖隧道多下方有異常發育的容顏，因此進行工程方案論證時候，運營過程為防止對鐵路安全造成損失，因此在土建工程實施前期，要求進行地質勘查，對于巖溶的位置和規模獲取探測資料，在處理效果上為采集到有效波的最佳數據，進行無損探測，確保地質數據得到完全處理，保證運營安全。

2.1 設置地質雷達參數

首先是用探地雷達法，設置了地質雷達參數，利用高超電磁波信號進行介質探測，使用地質雷達儀進行無損探測。天線中心頻率高，分辨率高，探測深度小，針對這一情況對于雷達天線中心頻率進行深入考慮，充分考慮天線尺寸和分辨率對探測地點的影響，設置了天線的頻率為100mHz，減小雷達天線中心頻率，對分辨率和地點無影響，對采樣窗口設置為400ns采樣點為512，每秒掃描100道，來回掃描20道，使用自動增益的方法設置地址雷達，探測深度為15km。

2.2 側線的布置方案

經過設計之后，對于雙軌隧道左中線和左右中線的中間進行地質雷達測線布置，然后進行數據分析。由于工程所在的巖石體電性差異，小街至均勻沒有明顯的反射面，在進行地質雷達法應用時顯示的剖面圖（見圖1），圖像特征、能量均勻、波形均勻，沒有雜亂反射波，地質雷達圖像特征出現一定規律的多層反射波，高頻變化幅度較大，附近發射波振幅明顯增強[5]。因此對于剖面上的異常點進行分析，發現雷達的反射波同相軸振幅明顯變大，并伴隨有多次反射，可能由于發育較小的溶蝕和裂隙帶，使得波形較為雜亂，推斷巖層為發育帶，并伴有溶腔，弧形反射同相軸，形成大規模的互相反射波，地質雷達線電性差異小，反射波在穿透空洞后，在下底面再次發生反射，出現一定規律的多次反射波。

2.3 地震映像法的應用

使用地震映像法進行參數設置，采用地震波信息勘探的方法，對地理介質變化進行勘查（見圖2）。完整的巖層發生裂隙或者破碎會出現高頻同相軸的不連續吸收，如果同相軸有斷面波則可能為斷裂，如果出現低頻振蕩則為空洞。運用全數字化信號增強淺層地震儀，測得偏移距為5m，514到524處顯示距離為0.1ms，測量長度為200ms，到間距為1.5m。測線的布置，首先對于雙線軌道左右和左右出現中間映像測線路。使用地震映像法進行數據分析，得到的數據波長顯示為不連續，發生破碎和裂隙的可能性較大[6]。

對該段使用地震映像法進行剖面探測，縱波的波形較高，出現散射波同向軸逐步連接，出現了4個異常點，初步接論為巖溶發育帶有裂隙，隧道存在裂隙發育并伴有無填充小溶洞。

2.4 數據處理

通過地震映像法和探地雷達法獲得數據經過處理軟件處理，使用帶通濾波、繞舍偏移和反褶積濾波、頻率波數濾波等的方法對背景干擾進行消除，提取速度、頻率、相位，突出地質異常。采用雙曲線擬合和目標深度對電磁波速度進行準確計算。探地雷達圖像反應的同相軸起伏大且伴有層間裂隙弧形，電磁波振幅強烈[7]。地震映像上振幅增強，根據褶皺破碎帶響應介質波速推斷，對地段的發育可解釋為有裂隙水填充溶洞/兩種物探方法克服物探異常多解性問題，經過鉆探取芯，結果與物探結果一致，驗證了運用地震映像法和探地雷達法對巖溶勘查的可靠性。

3? 結語

（1）經過探地雷達和地震映像法的結合，對于巖溶勘查的方法是有效的。鉆孔驗證與物探結果基本一致。

（2）探地雷達和地震映像法的使用應結合地質特征，能夠為巖溶勘查工作提供參考，解決物探異常多解性問題。

（3）在進行地質物探過程中，使用探地雷達法和地震影響法綜合方法，結合工程地質情況，在施工前期獲得空洞、管道探測資料和相應的數據，為工程實際提出指導意見。確保施工現場地形施工條件較好，能夠確保地質風險降低到最小。選取最佳施工參數，提高勘查精度、提供復測材料，實踐證明采用地震映像法和探地雷達法結合進行工程地質勘查能夠提供強有力依據。

參考文獻

[1] 郭都城，邵繼喜.探地雷達法在早期人防坑道檢測中的應用研究[J].建材與裝飾，2020（21）：40-41.

[2] Kirill Sokolov，Larisa Fedorova，Maksim Fedorov. Prospecting and Evaluation of Underground Massive Ice by Ground-Penetrating Radar[J]. Geosciences，2020，10（7）.

[3] 呂明，王永剛，楊明瑞.綜合物探方法在輸電線路樁基巖溶探測中的應用[J].工程地球物理學報，2020，17（3）：386-392.

[4] 李俊，王杰.探地雷達法在水工隧洞超前地質預報中的應用[J].天津職業院校聯合學報，2020，22（5）：85-89.

[5] 吳怡潔，王慧，詹少全，等.地震映像法和探地雷達法在城市地質勘查中的應用[J].工程地球物理學報，2019，16（6）：910-914.

[6] 吳衛.綜合物探方法在隧道巖溶水害探測中的應用[J].中國科技信息，2019（21）：48-50.

[7] 楊力.高密度電法和地震映像法在巖溶勘察中的應用研究[D].成都：成都理工大學，2018.

[8] 李興迪.應用探地雷達測定淺表土體含水率的機理與實驗研究[D].綿陽：西南科技大學，2016.