高密度-地質雷達綜合法在探測地下不良地質體中的應用

龔 俊

（中大檢測（湖南）股份有限公司，長沙 410205）

城市地下隱蔽工程施工，施工環境復雜，周圍管線錯綜復雜，地面極易出現下沉、塌方等應急事故，涉及周圍建筑安全、交通安全，為快速有效地查找病害原因及病害分布特征，及時采取相關措施，做到事前防范與事中控制尤為重要，城市地下工程不良地質體查找分為物探和鉆心，其中物探主要以高密度電法和地質雷達法，物探法具有快速高效，經濟性好，對周圍環境干擾小，對場地檢測環境有一定要求。鉆心法效率低，耗時較長，檢測費用高，對周圍環境影響較大，對場地檢測環境有一定要求，芯樣直觀，一般作為物探的補充，進行驗證。

1 工程概況

桐溪站—大王山站區間位于長沙市岳麓區坪塘街道，區間線路出清風路站后，沿譚州大道向東北方向偏轉，側穿坪塘集鎮安置性住宅片區后，進入山塘站。

本區間起訖里程如下。

左線XHNDK36+254.411—左XHNDK37+085.711，全長831.352 m，含長鏈0.052 m。

右線XHNDK36+298.411—右XHNDK37+085.711，全長794.3 m。

左右線線間距14～15 m。

區間水平曲線最小半徑為R1 200 m，最大坡度為15‰。

左線位于市政道路中間，右線位于非機動車道右側花園里，隧洞平均埋深15 m，本次探測主要在右線正上方和右線左側非機動車道上布置測線，右線右側不具備探測條件。

2 高密度法探測

2.1 測線布置

根據勘查任務要求，測線應盡量覆蓋勘查區域，并盡可能避免或減小地形和其他干擾因素影響的原則，探測區域地勢平坦，根據任務及工作現場情況在場地內右線上方布設1條高密度測線，電極距均為2 m，用卷尺測量保證距離精度，盡量減少每根電極的接地電阻差，布設28個電極，所有電極在同一條直線上，測線長為52 m，并減少接地電阻，并確保接地良好。

2.2 探測原理

（1）本次高密度法主要是探查測線范圍內地下是否存在巖溶，是以巖土體的電性差異為基礎的電探方法。由于原狀地層是層間結構，一般地層是有一定規律的結構分布，當地下是空洞時，會與周圍的巖土體存在明顯的電阻率差值。由于空氣和水的導電性兩極差異：空氣不具備導電性，是高電阻體；水具備高導電性，是低電阻體。當這些空洞、溶洞里面是充填水、泥沙和其他低電阻體時，在數據分析軟件里面高密度電阻率法反演圖上表現為封閉的低阻異常，也會以“V”字型的低阻異常形態特征展現，在圖上表現為藍色-深藍色，顏色越深表明與周圍的巖土體電阻差異越大。當空洞、溶洞的充填物為空氣時，在數據分析軟件里面高密度電阻率法反演圖上表現為封閉的高阻異常，在圖上表現為紫色-深紫色，2種電性層位界面反映為視電阻率梯度大等異常特征；巖土體不存在不良地質的情況下，完整地層層位在視電阻率剖面上表現為顏色均勻平緩變化，這是高密度法開展工作的原理，也是在此區開展高密度法探測的地理條件。

2.3 探測數據處理及結論分析

2022年2月28 日將野外采集的數據導入計算機，與野外記錄仔細核對后，應用專業軟件（2D RES）經刪除壞點、收斂極限及滑動平均反演生成Y坐標為深度、X坐標為點距的反演圖，通過本次物探勘查，在XHNDK35+499—XHNDK35+447里程區間9.6 m深度范圍內視電阻率ρs等值線分層清晰且均勻平緩變化，其中測線方向XHNDK35+486—XHNDK35+484范圍內出現低阻封閉圈異常，圖示上顯示為深藍色，深度區間約6～7 m，推測為巖溶異常反應，巖溶體內部為高導電體，推斷空腔里面有水，泥沙填充，如圖1所示。

圖1 測線反演成果圖

3 地質雷達法探測

3.1 測線布置

使用SⅠR-4000地質雷達配合100 MHz天線在長株潭城際軌道交通西環線一期工程桐溪站—大王山站右線盾構區間上方共布置2條測線，測線1位于右線左側偏2 m，位于右側非機動車道內，靠近右側圍擋，長度39 m，現場對應位置5 m做一個標記，具備連續采集條件，樁號范圍XHNDK35+497—XHNDK35+458；測線2位于右線中線管片654—658環上方花園內，沿著縱向已清出1 m左右寬度，長度7 m，在測線中間點做好標記，樁號范圍XHNDK35+488.5—XHNDK35+481.5。

3.2 探測方法與參數設置

測線1采用時間模式，從大里程往小里程方向探測；探測前，先在探測周邊區域，盡量在測線范圍外，調試好雷達參數，先在輸出里面把垂直刻度調試成深度模式，點進雷達把深度范圍（m）調至現場需要的探測深度范圍，在處理里面把FⅠR疊加設置在3～9范圍內，在雷達信號位置一欄先自動，后手動，調整表面位置（一般設置0.0），調整延時至首波（負波）到合適位置（圖2），采樣/掃描設置為1 024，在處理里面把增益方式調整為自動，后手動，在編輯增益曲線中，適當增減增益點數，調整增益曲線至波形在左右黑線范圍內，并盡量保證2/3線寬的振幅寬度（圖3）。

圖2 調整首波位置

圖3 調整增益曲線

測線2采用點測模式，從大里程往小里程方向探測，點測模式按時間模式調試雷達參數，然后點進雷達把采集模式調成點測模式。點測模式下，同樣在探測周邊區域，在受影響區域外調整雷達增益（尤其是應急搶險工程，在隱患位置外調整增益），為保證采集質量，盡量讓天線橫向沿測線方向按步距10～20 cm推進，每測點采集4～10道數據。

3.3 探測分析原理

地質雷達是1種以高頻寬頻帶短脈沖電磁波由地面通過發射天線定向送入地下，經地下不連續體或目標體反射后返回地面被接收天線所接收，根據波的傳播特性原理，隨著深度的增加，波幅逐漸衰減。電磁波在同一種介質中傳播時，其反射波信號較弱，向下傳播的過程中，遇到不同介質面時發生反射，其反射波振幅大小與上下2層的電性差成正比（同時頻率與同相軸會出現明顯的差異），即與地質的介電常數差成正比。由于空氣的介電常數是1，水的介電常數是81，當地層中有松散、溶腔（里面可能是空氣或者是水及泥質體），其腔體上下面存在較大的介電常數差，發生明顯的強反射信號，以此來確定地下存在不良地質體，根據相鄰道上反射波的對比分析，不同道上同一相位的各個相似的反射波連起來組成同相軸再結合反射波的波幅突然出現的增大或衰減，就可以判斷缺陷的位置與范圍。

根據公式

式中：εr為相對介電常數；t為雙程走時，ns；確定了地層介質的介電常數，從發射經巖體界面反射回到接收天線的雙程走時t，可以精確求得式中d，“d”為標定目標體厚度或距離，m。

3.4 探測數據處理及結論分析

2022年2月28 日將采集的數據導入計算機，應用專業軟件RADAN7經過時間零點、背景去除和濾波處理，并進行介電常數（運用高密度推導結論，確定地層綜合介電常數為7）、增益等調整，對該數據進行處理分析后在檢測區域內發現2處異常，根據雷達探測原理，結合同相軸及灰度圖上異常點信息，在點測模式中，6～9.5 m范圍有極黑與極白處，與周圍存在明顯差異，同時根據波幅特征（左負表現為黑色，右正表現為白色），在圖像上按順序出現黑—白—黑（表明此處介電常數比上下層大）與白—黑—白（表明此處介電常數比上下層小）確定此處的介電常數比上下層大，推斷此處為空腔，里面有水，含泥沙，雷達數據分析圖如圖4和圖5所示，具體缺陷見表1。

表1 桐溪站—大王山站區間地面雷達掃描情況檢測結果表

圖4 測線1雷達掃描圖（時間模式）

圖5 測線2雷達掃描圖（點測模式）

4 鉆芯驗證

鑒于高密度法與地質雷達探測右線上方樁號XHNDK35+485前后存在空腔，施工單位于3月8日對此處進行鉆芯驗證，共鉆取2組芯樣，第一組芯樣位于XHNDK35+485樁號右線正上方，第二組芯樣位于XHNDK35+490樁號右線正上方，第一組芯樣存在明顯的空腔，且空腔埋深為6～8.5 m（芯樣槽里面每節芯樣1 m），如圖6和圖7所示。

圖6 2組芯樣排列圖

圖7 第一組芯樣第2盒6～8.5 m缺陷圖

5 結論

通過對長株潭城際軌道交通西環線一期工程桐溪站—大王山站右線盾構區間上方物探數據分析得出如下結論。

（1）高密度法和地質雷達法都能夠很好地探測出地下不良體，尤其是對空腔反應異常明顯。

（2）高密度法測線越長，點間距越大，測深越大，測點越多，點間距越小，精度越大，測線長度受場地限制，測深與精度存在相互制約。

（3）地質雷達法受場地限制較小，可以采用時間模式與點測模式，測線可以靈活布置，主要應用在短距離探測中。

（4）高密度法與地質雷達法兩者結合，取長補短，高密度數據能有效確定地下不良體埋深，同樣的地層巖性，在地質雷達中（短距離探測）推導出地層綜合介電常數，運動地質雷達能探測地下不良地質體的分布范圍和埋深。

（5）高密度法推導XHNDK35+486—XHNDK35+484巖溶埋深6 m，地質雷達推導XHNDK35+488.5—XHNDK35+481.5巖溶埋深6 m，在XHNDK35+485處芯樣長度缺陷處埋深6 m，同一個位置三者高度吻合。

（6）高密度法與地質雷達法兩者結合能省去鉆心驗證，及時采取措施，對不良地質體進行綜合分析評判，做到高效并減少成本。