探地雷達在巖溶區高速公路下方不良地質體探測中的應用

鄧亮

(湖南省高速集團城龍高速公路建設開發有限公司，湖南 長沙 410000)

0 引言

巖溶又稱喀斯特，是碳酸鹽類等可溶性巖石在水的溶蝕作用下形成空洞、裂隙等不良地質體現象的總稱[1]。巖溶地貌在我國分布廣泛，約占國土總面積的1/3[2]。巖溶發育形成的不良地質體會導致地表穩定性下降，進而影響高速公路的修建，因此在高速公路修建之初查明路基下方不良地質體情況，對道路后續施工具有重要意義。

目前用于探測道路路基隱伏巖溶的方法有很多。鉆探法[3-6]最為直接，獲得的結果直觀準確，但應用于大面積工程時的效率低、成本高，會對研究區域造成破壞。相比之下，地球物理方法更高效便捷，能夠在不破壞巖土體的情況下完成對地下不良地質體的探測。綜合考慮工程需求的探測深度及各種地球物理方法的優缺點，優選探地雷達法[7-13]，該方面的探測精度和效率都非常高，通過對其結果進行分析能夠準確地查明路基范圍內巖溶等不良地質體的走向、規模、形狀等相關地質情況。本文就探地雷達在湖南某高速公路下方不良地質體探測中的應用進行介紹。

1 工程地質概況

1.1 工程概況

某高速公路北接衡炎高速，向南延伸，終于湘粵兩省交界處大麻溪，線路總體呈由北向南的走向。公路沿線地形地貌復雜，巖溶等不良地質體發育。進行探測前，路基已完成至精加工層頂面，兩側排水邊溝已施工完成，在K104+419、K104+470左側邊溝處分別出現巖溶塌洞，邊溝底部脫空，塌洞直徑2～3m，可見深度1m左右。路基開挖過程中揭露多處溶蝕裂隙，局部位置灰巖層夾砂頁巖層。

1.2 地層巖性

根據前期勘察資料，結合地表地質調查結果可知探測區域地層從上至下依次為：

（1）第四系的素填土，土壤主要為褐黃色，部分地區為雜色，主要成分為粉質粘土夾少量碎石，因路基超挖換填形成，厚度約1m。

（2）第四系的粉質黏土，土壤呈褐黃色，主要為硬塑狀，稍濕，含少量灰巖碎屑，該層主要分布于基巖表層，分布厚度不一，溶蝕溝槽內厚度變化較大，厚度約1～3m。

（3）泥盆系上統錫礦山組的灰巖，呈現灰色，為隱晶質結構，厚層狀構造，方解石脈、節理裂隙、溶蝕裂隙、溶洞發育，局部夾砂頁巖層，砂頁巖淺部巖石強風化。

2 探地雷達的工作原理

探地雷達通過發射天線(T)向地下發射高頻電磁波短脈沖，當電磁波遇到地下地質介質體或介質分界面時，部分能量反射回地表被布設在地表的接收天線(R)接收。電磁波在介質中傳播時，其路徑、電磁波場強度及波形將隨所通過介質的電磁特性與幾何形態而發生變化，接收記錄到的電磁波特征，即波的旅行時間(雙程走時)、幅度、頻率、波形等圖，形成反映這些特性的雷達波剖面圖，通過對雷達波場資料分析處理，可推測地下目標介質的空間位置、電性、結構與幾何形態，達到對隱伏地下目標物探測目的[14]。其工作原理圖見圖1所示。

圖1 探地雷達探測原理圖

3 探地雷達工程應用與成果分析

3.1 數據采集及處理

探測采用地球物理勘探中的探地雷達輔以工程地質調查的綜合方法，使用的雷達是美國GSSI公司SIN-3000型探地雷達，搭配中心頻率為100MHz的接收天線。測線主要沿高速公路方向布置，測線的橫向距離控制為3m，共布置測線9條，每條測線長度均為150m，采用點測采樣的方式，記錄長度為300ns，測點距離為0.1m，介電常數為7，掃描速度為40。測線具體布置情況詳見表1所示。

表1 測線數據表

采集的實測數據導入電腦中，在專業軟件“RADAN 5.0”中進行處理分析。雷達數據受外界干擾較大，地下介質成分復雜對信號有較強的吸收作用，這使得最后的數據信噪比較低，因此需要對其進行適當的處理以提高信噪比凸顯異常值。處理的過程中主要通過飄移去除、信號增益、數字濾波器、褶積、希爾伯特變換等方法對實測結果進行預處理，同時要結合現場實際的工程地質狀況，選擇合適的相對介電常數[15]。

3.2 探測成果解譯分析

高速公路下方巖溶發育，雷達測線沿公路路線方向布置。結合前期勘察資料和地質調查成果將各測線雷達成果解譯如下：

（1）R1—R1′測線起點位于K104+370左12m，終點位于K104+520左12m。測線范圍內存在兩處較為明顯的異常：異常①位于測線45～51m處，深度約1～2m，雷達信號振幅較大，反射能量強，同相軸紊亂，結合現場情況，推測此處為溶洞，且洞內充填物含水量較大，編號RD1；異常②位于測線98～105m處，深度約1～2m，雷達信號振幅較大，反射能量強，同相軸紊亂，結合現場情況，推測此處為溶洞，且洞內充填物含水量較大，編號RD2。

（2）R2—R2′測線起點位于K104+370左9m，終點位于K104+520左9m。測線范圍內存在三處較為明顯的異常：異常①位于測線45～47m處，深度約1～2m，雷達信號振幅較大，同相軸紊亂，推測此處為溶蝕裂隙發育，編號RS1；異常②位于測線90～93m處，深度約1～2m，呈現出較強的弧形反射，同相軸紊亂，推測此處存在溶蝕裂隙發育，編號RS2；異常③位于測線136～145m處，深度約6～10m，同樣呈現出弧形強反射，推測此處為溶蝕裂隙發育，編號RS3。

（3）R7—R7′測線起點位于K104+370右6m，終點位于K104+520右6m。整條測線雷達反射信號稍弱，同軸連續性一般，結合現場情況，測線范圍內巖體總體較完整，存在一處較為明顯的異常：異常位于測線9～12m處，深度約0.5～1.5m，推測為溶蝕裂隙發育，編號RS4。

（4）R9—R9′測線起點位于K104+370左12m，終點位于K104+520左12m。整條測線雷達反射信號稍弱，測線范圍內存在三處較為明顯的異常：異常①位于測線55～60m處，發育深度約5～8m，同相軸連續性散亂，推測此處存在溶蝕裂隙發育，編號RS5；異常②位于測線90～100m處，發育深度約5～8m，同相軸連續性散亂，推測此處存在溶蝕裂隙發育，編號RS6；異常③位于測線130～140m處，發育深度約5～8m，同相軸連續性散亂，推測此處存在溶蝕裂隙發育，編號RS7。

根據對所有物探測線結果歸納、分析，結合地表地質調查以及前期勘察資料成果，推測該路段下方共有兩個溶洞與7處溶蝕裂隙發育區。溶洞與溶蝕裂隙發育特征如表2所示。

表2 推測巖溶發育特征

4 結束語

本次研究可知，該高速公路路基屬覆蓋型巖溶區，巖溶發育中等，巖溶形態主要為溶蝕裂隙，其次為溶洞。在測線范圍內，推測共有兩個溶洞與7處溶蝕裂隙發育區。其中RD1、RD2號溶洞埋藏淺，頂板灰巖薄，地表已產生塌洞；RS1、RS2、RS4號溶蝕裂隙發育區埋藏淺，RS5、RS6、RS7號溶蝕裂隙發育區埋藏較深，但局部溶蝕裂隙與地表相連通，在地表水的沖蝕、地下水的潛蝕作用下路基存在產生巖溶塌陷的安全隱患，宜進行處治。RS3號溶蝕裂隙發育區埋藏相對較深，與地表連通性相對較差，路基產生巖溶塌陷的可能性較小，可不進行處治。