探地雷达在全风化花岗岩地层中的探测技术

上海市基础工程集团有限公司 上海 200002

1 工程概况

1.1 工作区的工况及地质特征

工作区域位于福州市地铁1号线上藤站—三叉街站区间，上、下行线线路均自三叉街站北端头井出站，沿六一南路一路向北，在下穿龙津河、大坪路后至上藤站南端头井，区间上行线长约892.95 m，下行线长约895.48 m。上、下行线共计1 788.43 m，本次探测上、下行线沿盾构中心轴线左右各4 m的范围。

探测区间范围内的土层分布主要为：④粉质黏土、⑤1淤泥质软土、⑤2中砂、a黏土、b砂质黏土、a残积粉质黏土、b残积砂质黏土、c残积砾质黏土、全风化花岗岩、散体状强风化花岩岗。

本次地球物理勘探探测的目标体盾构通过层中的孤石，其成分以残积砾质黏土、全风化花岗岩、散体状强风化花岗岩为主，与下部土层间存在不太明显的电导率特性差异，再加上探地雷达在探测深度上的限制，所以开展地质雷达探测工作有较大的难度。

1.2 工作方法技术[1-4]

1.2.1 方法技术选择

根据本次的工作任务及测区地形、地质特征和工作条件，以及工区介质的地球物理特征，考虑本次探测结果是为施工提供可靠的依据，探测精度要求高，因此地球物理勘探工作选用精度极高的地质雷达方法。

地质雷达方法是利用广谱电磁波技术确定地下介质分布情况。在雷达主机控制下，脉冲源产生周期性的纳秒（10-9s）信号，由地质雷达系统中的窄脉冲发射源通过发射天线向地下发射高频宽频域单脉冲，该电磁波在探测物体内部传播过程中，遇到不同电性介质界面产生反射电磁波信号。位于地面上的接收天线在接收到反射波后，直接传输到接收机。

1.2.2 野外工作方法

本次探测工作，在整个测区内共布置地质雷达探测线222 条，总计7 590 m。探测仪器为瑞典MALA公司生产的X3M型探地雷达，及与其配套的100 MHz地面屏蔽天线，该天线在同等探测精度情况下具有穿透能力强、探测深度大等特点。根据现场情况，通过现场试验，确定测试参数如下：

天线主频为100 MHz（屏蔽天线），时窗为400 ns，采样点数为1 500 点，测量方式为点测（6 cm/点），叠加次数为8 次。

1.3 土层成分厚度的检测

地下0～2 m主要成分为路基，地下2～7 m主要成分为残积砾质黏土；地下7～12 m主要成分为残积砾质黏土、全风化花岗岩；地下12～18 m主要成分为全风化花岗岩、散体状强风化花岗岩。

鉴于以上介质的介电常数都比较接近，用探地雷达来探测地下指定目标体半风化花岗岩体存在着多解性。所以如何成功判断出指定目标体的正确位置是本次探测工作的一个重要的前提。

1.4 周围土壤条件

（a）土壤成分。决定周围土壤的介电常数和电导率，进而决定反射系数和反射波振幅，同时也决定电磁波波速以及波形。特定介质中的波速和相对介电常数随介质含水量不同发生较大变化，较大的波速值对应于不饱和介质。

（b）含盐度。土壤含盐度越高，其介电常数和电导率越大。

（c）含水率。地下水位越高，土壤含水率越高，其介电常数和电导率越大。

（d）土壤均匀性与土壤密实度。影响电磁波的衰减程度以及波形明显程度。回填土壤成分不均匀、密实度小，易产生漫反射且吸收系数大，异常波形不明显；而均匀性和密实度较好的土壤，异常波形较为明显。

（e）管线管材。决定目标体的介电常数。金属管的波形更为清晰，表明与非金属体相比，金属体与周围介质的电性差异较大，反射波振幅更强。管线反射波振幅强弱依次为：金属管线＞水泥管＞塑料管。

2 遇到的问题及应对方法

2.1 遇到问题的种类

2.1.1 低电导率土壤（砂质土壤，含水少的土壤）

介质特征为低吸收+高波速，波形特征为粗宽而明显，如图1所示。

图1 低电导率土壤反射波波形

2.1.2 地面干扰

接触网立柱如路灯、架空电缆等引起的干扰现象，这种有规律的强大反射多是地面或空中的电磁源引起的。如图2所示，通过斜率计算波速为3 000 m/ns判断为环境干扰。

2.1.3 周边地下管线反射波

如电缆线的强反射波等，这种现象造成的多层反射波，如图3所示。

图2 地面干扰反射波波形

图3 周边地下管线发射波波形

2.2 应对方法

2.2.1 对地质雷达探测效果影响较大的另一个物性参数是电导率

电导率是介质电阻率的倒数，反映介质的导电能力。因我们探测目标周围的介质电阻率是各不相同的，所以不同介质的电导率差异较大，总的来说，介质的电导率越高衰减越大，电磁波传播距离越近。

地下介质电导率的变化范围为10-9～4 s/m，主要受地下介质的含水率及黏土含量的影响。由于电磁波在导电介质中的衰减，电磁波难以在高电导率介质中传播，一般的，如果地下介质的电导率高于0.01 s/m时，不宜使用地质雷达。

电导率在不同地段差别往往很大，通过电导率把常见介质的地质雷达探测应用效果进行分类：

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（a）在低电导率（小于10-7s/m）介质中，应用效果较好，如空气、干的花岗岩、灰岩、混凝土、沥青等；

（b）在中电导率（10-7～10-2s/m）介质中，应用效果一般，如纯净水、纯净水冰、雪、砂、泥砂、干黏土、干的玄武岩、海冰等；

（c）在高电导率（大于10-2s/m）介质中，应用效果较差，如湿黏土、湿页岩、海水等。

对于低电导率土壤可以通过更换不同频率的天线并采用合适的采样频率来调整探地雷达的波速，从而获取精确的雷达解析图像。

2.2.2 对于地面干扰所造成的雷达解析图像

对于地面干扰所造成的雷达解析图像产生的大面积干扰波，探地雷达地面干扰波特征非常明显，在雷达波面上很容易识别出来，它主要有以下几个特点：

（b）存在多次反射。由于电磁波在空气中的衰减小、传播速度快，再加上反射系数大、能力强，往往会形成多次反射波。这种特征在采集时窗时比较明显。

（c）几何形体特殊。由于地面干扰物一般有三种类型，即点状、线状和面状，这三种形状的物体在雷达剖面上无非形成两种集合形态的干扰波，点状、线状物体一般都形成双曲线形态反射波，而面状物体往往形成与剖面有一定夹角的直线形态。

虽然探地雷达地面干扰波的外表特征非常明显，但是频率特征和地下反射波并没有区别，采用一般频率域滤波无法将其消除，由于地面干扰波是在空气中传播的，其传播速度和地下反射波在地下的传播速度差别很大，因此其二维频谱的差异就比较大，采用二维滤波可以很好地将其消除。

2.2.3 对于周边地下管线造成的强反射波造成的无法正常识别图像

对于周边地下管线造成的强反射波造成的无法正常识别图像，可在图上标注管线位置以方便业内分析时明确为管线反射波造成的问题。

3 正常图像的解析

3.1 现场采集的花岗岩孤石的雷达图像

从现场采集的孤石图例（图4）看，孤石呈双抛物线形，深度在地下14～16 m范围，已钻孔验证。但从波形上很难准确判断出是否孤石。因为经计算其介电常数与周边介质的介电常数比较相近。存在着多解性。只能试图从图形上大致判断出孤石的存在可能性。

图4 花岗岩孤石反射波波形

3.2 盾构区间内探地雷达探测的图形

依据已采集的雷达图形（图5），判定其图形呈双抛物线形，处于地下12～13 m范围内。存在孤石的可能性。

图5 盾构区间雷达图形

4 结语

目前探地雷达在我公司施工前期探测障碍物已作了大量的工作，并受到施工方及业主方的重视，但其应用技术水平仍处于初级阶段，还有许多问题值得总结、提高、研究、解决。

在用探地雷达作障碍物探测时，探测人员有必要学习、熟悉探测对象的基本情况、施工技术、规范及有问题段的处理办法（或不需处理的原因和规定），对这些越熟悉，就越不容易出错，探测水平会更高。例如，作盾构区间探测时，有必要搞清概念、出现原因、工程处理（或不处理）的原则。

在实施探测的同时，可对采集到的雷达波形进行粗略判断，如发现异常状况，应反复探测并采用不同的探测方式（点测和连续探测），从而确保探测的准确性。

采用100 MHz天线可对土层下方15～20 m范围内的地质状况作出较好的判断，不同的不良地质状况，可能有相似的雷达图像，因此，结合地质报告，可以提高判断的准确性。

地质雷达是一种正在不断发展的无损探测技术，对不良地质状况的探测效果良好，与其他物探方法一样，资料都有多解性，准确率不可能达到百分之百。对其资料的定性解释应当慎重、多思，从而积累大量的实际经验，有必要考虑用其他方法作辅助。