地質雷達方法在城市巖溶塌陷隱患識別中的應用

梁明 張觀長

摘要：我國南方地區頻繁發生巖溶塌陷，嚴重威脅人民的生命和財產安全，查明巖溶塌陷區地下隱伏土洞或溶洞的空間分布形態十分重要。在城市巖溶塌陷區，通過二維地質雷達探測，較準確推斷出隱伏巖溶的分布，但在外在干擾影響較大的情況下，探測精度明顯降低。三維地質雷達探測技術，提高了對外在干擾的分辨能力，較準確地推斷出隱伏土洞的空間分布形態，為巖溶塌陷的監測和防治提供較可靠的依據。

關鍵詞：三維地質雷達；介電常數；巖溶塌陷；隱伏土洞或溶洞

The application of GPR method in the hidden danger identification of urban karst collapse

Liang Ming1，Zhang Guanchang

Guangxi Zhuang Autonomous Region geological environment monitoring station，Guilin 541004，China

Abstract： Karst collapses occur frequently in the south of China，which threaten people’s life and property. It is very important to find out the spatial distribution of underground hidden soil caves or karst caves. In the urban karst collapse area，the distribution of hidden karst can be accurately inferred by two-dimensional geological radar detection，but the detection accuracy is obviously reduced in the case of large external interference. The 3-D GPR detection technology improves the ability to distinguish the external interference and accurately infers the spatial distribution of the hidden soil caves，which provides a more reliable basis for the monitoring and prevention of karst collapse.

Key words： 3D GPR；permittivity；karst collapse；hidden earth cave or karst cave；

1.引言

巖溶塌陷是指在覆蓋型巖溶區，在特定的水文地質條件和其他因素影響下，巖面上的土體遭到流失遷移而形成土洞和洞內塌落堆積物，以致頂板土體失穩產生塌落或沉陷變形的現象。在我國巖溶塌陷已成為南方巖溶地區的主要地質環境問題之一[1-3]。因此，為了減小或避免巖溶塌陷所帶來的破壞，需要對其進行探測研究，從而掌握巖溶塌陷的分布規律以及發展趨勢，為地質災害防治提供一定的科學依據。

近年來，對于巖溶塌陷探測的研究很多，探測方法也一直在發展，從直觀但工作量繁瑣的鉆探方法到方便快捷的地球物理探測方法。在場地條件允許的前提下，高密度電法、地震反射法等都對巖溶有著較好的探測效果。但場地條件有限，無法布設工作排列時，選取靈活方便的地球物理勘探方法[4-5]。地質雷達具有分辨率高、定位準確、快速經濟、靈活方便、剖面直觀等優點，目前已廣泛應用于巖溶勘查領域。本文以城市巖溶塌陷勘查為例，論述二維和三維地質雷達在巖溶塌陷隱患識別中的應用。

2.地質雷達方法概述

三維探地雷達的工作原理[6]與單道雷達一樣，只是它需要很多對天線，進行高密度數據采集，獲得地下空間的高精度圖像。

3.應用實例

以廣西頻發的巖溶塌陷探測為例，研究二維和三維地質雷達方法在巖溶塌陷隱患識別中的應用。塌陷區上覆為黏土，下伏為灰巖。由于溶洞與灰巖、土洞與周圍土體之間存在介電常數差異（表1），因此利用地質雷達方法探測隱伏土洞或溶洞的空間分布形態具備物理前提條件。

3.1二維地質雷達方法在巖溶塌陷隱患識別中的應用

塌陷區位于廣西桂林市臨桂區人民路附近，使用地質雷達方法探測，布設2條測線，其中測線1-1′沿道路中心布設，地下管道、周圍用電等干擾源較少；測線2-2′地下管道密集，附近存在變壓器、高壓電線等干擾源（圖1）。使用瑞典MALA公司生產的地質雷達ProEx主機，選擇中心頻率為100MHz屏蔽天線進行探測。測量數據使用Reflexw軟件處理，包括以下步驟：①一維濾波，去直流漂移；②靜校正，移動開始時間；③增益，能量衰減；④二維濾波，抽取平均道；⑤一維濾波，巴特沃斯帶通濾波；⑥二維濾波，滑動平均。

探測結果表明，在測線1-1′上，地質雷達時域波形剖面影像出現4處明顯雙曲線異常（圖2），推測為溶洞發育，后經鉆探驗證與地質雷達推斷溶洞位置基本吻合；測線2-2′由于受地下管線和周圍用電干擾影響，使得地質雷達探測難以識別地下隱伏溶洞產生的有效信號（圖3）。

實踐證明，二維地質雷達在外在干擾較少的情況下，往往取得較好的效果。但在城市巖溶塌陷區，探測地段經常存在各種地下管線，或附近存在高壓電線，此時外在干擾信號異常強烈，且干擾信號與有效信號處于同一頻率范圍內，現有數據處理技術難以消除外在干擾的影響，使得地質雷達探測難以識別地下隱伏土洞或溶洞的有效反射信號，探測成果精度大大降低。因此，在城市巖溶塌陷區，選擇一種能有效識別干擾信號，具有更高精度的探測方法尤為重要。

3.2三維地質雷達方法在巖溶塌陷隱患識別中的應用

巖溶塌陷區位于廣西貴港市港北區北環新村，使用瑞典MALA公司生產的MIRA三維雷達系統，采用天線中心頻率為200MHz進行探測。利用三維探地雷達系統處理解釋軟件對數據進行預處理、三維偏移處理、地形校正、屬性處理等操作，獲得三維雷達圖譜。

圖4為測線通過地下管線密集區的三維雷達圖譜，可見地下管線在三維雷達圖譜中顯示為形狀規則的異常信號，能較好地識別。在測線的87m～95m段、深度1.09m～ 3.36m區域內存在反射波繞射現象，推測為管道滲水使周圍土體飽水呈松散形態。

圖5為三維地質雷達不同深度剖面圖，顯示在里程樁號42m～52m段，深度0.52m～2.22m區域內反射信號能量強，存在繞射現象，推測為空洞異常區，后經釬探證實了地質雷達的推斷。在里程樁號87m～92m段，反射信號能量強，異常信號形態規則，且地表處存在井蓋，較輕易判斷出為地下方形排水設施。

實踐證明，三維雷達在城市巖溶塌陷區探測中，地下管線在三維雷達圖譜中顯示為形狀規則的異常信號，能較好地識別；在各種外在干擾影響下，三維雷達仍然能有效識別隱伏土洞的異常信號，應用前景廣闊。

3.結論

地質雷達在城市巖溶塌陷探測中，由于被探測對象存在介電常數差異，使地質雷達成功探測具備物理前提條件。地質雷達應用于廣西桂林市臨桂區人民路附近巖溶塌陷探測實例證明，在外由于干擾影響較小，二維地質雷達往往能取得較好的探測效果。但在城市巖溶塌陷區，經常存在各種外在干擾，使得二維地質雷達探測精度降低。三維地質雷達在廣西貴港市港北區北環新村巖溶塌陷區探測結果表明，三維雷達圖譜能有效識別各種外在干擾異常信號，準確推斷出隱伏土洞的空間分布形態，對異常的分辨能力和探測精度明顯提高，應用前景廣闊。

參考文獻：

[1]袁道先.新形勢下我國巖溶研究面臨的機遇和挑戰[J].中國巖溶， 2009， 28（4）：329-331.

[2]雷明堂.揭開巖溶塌陷地質災害的面紗[J].國土資源科普與文化， 2015（4）：16-19.

[3]潘宗源，賈龍，劉寶臣.基于AHP和ArcGIS技術的巖溶塌陷風險評價—以遵義永樂鎮為例[J].桂林理工大學學報， 2016， 36（3）：464-470.

[4]牛之璉.時間域電磁法原理[M].長沙：中南大學出版社， 2007.

[5]安徽省煤田地質物探隊，中國礦業大學物探室.煤田電法勘探[M].北京：煤炭工業出版社， 1976：82-124.

[6]倪新輝.三維探地雷達在探測城市地下病害中的應用研究[J].中國煤炭地質， 2018， 30（7）：1674～1803.