地质雷达在地铁岩溶探测中的应用

一地质雷达工作原理

地质雷达是以超高频电磁波作为场源, 由一个发射天线向地下发射一定中心频率的无载波电磁脉冲波, 另一天线接收由地下不同电性介质界面产生的反射回波 (图1-1) 。电磁波在介质中传播时, 其传播时间、电磁场强度与波形将随所通过介质的电学性质 (如介电常数) 及测试目标体几何形态的差异而产生变化, 根据接收的回波旅行时间、幅度、频率和波形等信息, 可探测地下目的体的结构和位置信息[1]。

地质雷达接收天线所接收的反射回波旅行时间为:

式中:-反射回波走时 (ns)

-反射体深度 (m)

-发射天线与接收天线的距离 (m)

-雷达脉冲波速 (m/ns)

雷达波在物体或介质中的传播速度与介质的相对介电常数有如下关系:

式中:-真空中的电磁波传播速度 (=0.3m/ns)

通过对地质雷达接收数据的转换处理, 形成雷达时距图像, 通过对雷达反射波形的同相轴追踪, 寻找有无同相轴的不连续、错断、绕射等异常信号, 根据电磁波旅行时间, 并结合雷达波形的振幅、频率以及地质资料加以识别, 经过认真的分析计算, 达到确定目标体的位置、规模、分布等信息。

二工作技术方法

为更好地开展地质雷达岩溶探测工作, 保证其探测的精度和准确性, 需要在工作开始准备阶段, 采集数据和成果解译中遵循一些要求[2]。

(1) 开展工作前要先了解探测目标体的深度、大小和介电常数, 以便给仪器设置合理的采集参数。目标体的深度是设置采集时窗长度的关键, 大小和介电常数是目标探测体异常特征是否明显的关键。

(2) 数据采集时要注意避开周围高压线、变电站、汽车、建筑物等带来的干扰线号, 对发现的岩溶区域适当加密横、纵网状测线。

(3) 数据处理过程中, 要合理突出有效信号, 压制干扰信号。在滤波处理时, 不能使处理后的信号失真。在成果解译时要结合现场地质调查结果和钻探资料, 综合分析不同岩溶形态在地质雷达剖面上的信号特征, 作出合理解释。

三应用实例

现结合南京某地铁项目岩溶探测实例进行阐述。

既有钻探资料表明南京地铁某项目下伏基岩为灰岩和泥岩, 灰岩内部岩溶较发育, 基岩面至地表基为填土和粉质黏土。土层与灰岩、泥岩之间, 灰岩与泥岩之间, 完整的灰岩与破碎的灰岩以及有溶蚀现象的灰岩之间, 电性、密度差异均较大, 电磁反射和弹性波法应用条件较好, 为地质雷达工作探测岩溶提供了较好的地球物理前提。

探测仪器采用瑞典MALA公司生产的MALA Pro三代数字式主机 (ProEx) 系统地质雷达, 天线选择50M低频天线。根据现场试验选择数据采集参数为:采样步长:0.2m;采样时窗:1000nsec;采样点数:1024;叠加数:64次;分辨率:5psec。

杂填土、素填土层地质雷达图像基本特征:雷达反射波形频率较高、振幅较小;粉质粘土层地质雷达图像基本特征:频率相对较低、振幅相对较大, 界面同相轴具有一定的连续性特征;基岩层地质雷达图像基本特征:由于其埋深较大, 雷达反射波形频率高、振幅则较小, 其分界面虽具一定能量, 连续性较好, 但部分地段受多次反射信号和其它干扰因素影响, 基岩分界面的雷达同相轴也会出现不连续的特征;灰岩溶洞地质雷达图像基本特征:由于其规模小且孤立, 多以低阻形式存在, 雷达反射波形频率明显变低、振幅变强, 其雷达图像与周边存在明显的能量差异, 由于异常边界不规则, 推测溶洞会比实际溶洞略大。

图3-1 (B6测线) 为南京某地铁项目岩溶探测的一段典型波形图, 测线长165m, 近南北向布置。雷达测线图像在标高14～24m见一组具一定能量、连续性较好的同相轴, 推断为粉质粘土与灰岩的界面。测线上灰岩顶界面表现为中间浅、向两侧逐渐变深的形态。在测线135m处, 见一岩相分界线, 两侧雷达图像存在一定的差异, 推测为泥岩和灰岩的接触带, 接触带北倾, 倾角较陡。此外, 在测线53～74m、标高8～14m和测线114～133m、标高9～18m处, 电磁波反射能量变化较大, 雷达图像与周边存在明显差异, 推测为基岩较破碎。

测线共推断6处岩溶异常, 编号 (1) ～ (6) , 异常中心点平面投影位置位于测线20、39.5、57、73、98和133.5m处, 异常中心标高在-6m至22m之间, 雷达图像上反映的岩溶异常规模宽度最大为4m, 高度最大为2.5m。

南京某地铁项目结构底板在剖面上自南向北分别处于灰岩及砂岩地层中, 推测的 (3) 、 (4) 号岩溶异常位于设计的结构底板下方1～2m处, (1) 、 (2) 、和 (5) 、 (6) 号岩溶异常则位于设计的结构底板上方, 距离最近的 (6) 号岩溶异常仅1m左右, (1) 、 (2) 号岩溶异常距结构底板上方2～3m, (5) 号岩溶异常距结构底板上方约12m。

四结论

应用地质雷达探测浅层岩溶和传统钻探方法相比具有应用范围广、速度快、效率高、精度准、成本低的显著优势。但是对埋藏深、体积小、与围岩电性差异小的目标体不容易探到。总之, 在使用雷达探测目标异常体时必须充分了解该区域的地质分布情况, 调整合适的工作参数以提高探测精度, 以达到理想的解译效果。

摘要：地质雷达是一种利用高频电磁波探测地下介质分布高速采样技术, 广泛应用于考古、管线探测、地层分布探查、地灾勘查、大坝隐患探测、公路无损检测、地下岩溶探测等。尤其在浅层工程勘察中取得了很好的效果, 本文结合南京某地铁项目阐述了地质雷达在探测地铁岩溶发育区中的应用。

关键词：地质雷达,岩溶探测,反射波形

参考文献

[1] 杨峰.彭苏平.地质雷达探测原理与方法研究.科学出版社.2010.

[2] 城市工程地球物理探测规范.CJJ/T7-2017.