探地雷达在灰岩岩体破碎区探测中的应用

吴青 龚智敏 李晓晓

摘 要：文章介绍了探地雷达法探测技术的原理，并依工程实例为背景，重点针对灰岩岩体中破碎区域在雷达图像上的特征进行解析。结果表明，岩石破碎区在雷达图像上特征明显，具有较明显的反应，探地雷达法对灰岩岩石破碎区探测具有较好的实用性。

关键词：灰岩岩体 探测 探地雷达 岩石破碎区

中图分类号：P631 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）10（a）-0024-02

探地雷达法作为一种高效、便捷的无损探测手段，在岩土工程和混凝土工程中广泛应用。但其应用前景尚存在潜在威胁，即雷达图像解释的准确性。众所周知，雷达图像的解释工作具有很大的主观性，解释结果的准确与否和解释人员对异常的识别能力有很大关系。虽然关于探地雷达法的测试规程规范较多，但多涉及操作层面，尤其在岩体探测方面，关于各种缺陷体的雷达图像特征描述较少，缺少规范性的条文，造成同样的图像，不同的人判读，结果存在差异。岩体破碎区是岩体中常见的不良地质体，该文根据工程经验，对灰岩岩体中破碎区在雷达图像特征进行分析总结，望对提高雷达解释的准确性产生一定的意义。

1 原理

探地雷达法（Ground Penetrating Radar Method）是利用发射天线向目标体发射高频脉冲电磁波，由接收天线接收目标体的反射电磁波，探测目标体空间位置和分布的一种地球物理探测方法。其实际是利用目标体及周围介质的电磁波的反射特性，对目标体内部的构造和缺陷（或其他不均匀体）进行探测。

探地雷达通过雷达天线对隐蔽目标体进行全断面扫描的方式获得断面的垂直二维剖面图像，工作示意图见图1。具体工作原理是：当雷达系统利用天线向地下发射宽频带高频电磁波，电磁波信号在介质内部传播时遇到介电差异较大的介质界面时，就会发生反射、透射和折射。两种介质的介电常数差异越大，反射的电磁波能量也越大；反射回的电磁波被与发射天线同步移动的接收天线接收后，由雷达主机精确记录下反射回的电磁波的运动特征，再通过信号技术处理，形成全断面的扫描图，工程技术人员通过对雷达图像的判读，判断出地下目标物的实际结构情况。

电磁波的传播取决于介质的电性，介质的电性主要有电导率μ和介电常数ε，前者主要影响电磁波的穿透（探测）深度，在电导率适中的情况下，后者决定电磁波在该物体中的传播速度。不同的地质体（物体）具有不同的电性，因此，在不同电性的地质体的分界面上，都会产生回波。基本目标体探测原理见图2。

2 工程概况

荆门某建筑地基：场区位于新华夏系第二沉降带汉江地西北缘与淮阳山字型构造前弧西翼的交接地带，属于荆山余脉的倾末端，拟建场地为丘陵区冲沟地貌。场地现为白龙山山坡及沟谷地，场地经过清表，地势呈北高南低的山坡。场地岩土层划分为三层，第一层为第四系杂填土层，第二层为第四系上更新统粉质粘土层，第三层为二叠系石灰岩风化层。检测面为灰白色灰岩，较完整。

桐木园隧道：隧址区位于我国东部的新华夏系第三隆起带的中南段和长江中下游东西向构造西段的延伸部分，二者彼此干扰，构造格局较复杂。隧道穿越山体山势总体呈中间高，两端逐渐低缓趋势，隧道走向呈北西～南东向，沿线地形复杂，所经之处山峦叠嶂，地形起伏较大，地势陡峻。本隧道为长隧道，穿越山体地层情况较复杂，穿越煤系地层、断层破碎带（宽约20 m）、岩溶区。隧道掌子面由块状孤石的堆积而成，灰岩，土黄色，孤石间存在较大的空隙；掌子面左部由泥土填充，较湿润。

3 现场检测

检测前清理检测面，使检测面为平整且裸露的岩体；清除探测范围内高电导性物体，尽量减少干扰信号源。

选择合适天线型号，保证天线发射的电磁波的穿透能力能满足探测深度的要求。本检测项目中，选用250 MHz屏蔽天線对荆门某地基进行探测，选用100 MHz屏蔽天线对桐木园隧道进行探测。主机采用瑞典MALA ProEx型主机。其设备参数见下表1。

注：以上参数在低电导率的介质中测定，部分介质电导率见表2。

c为电磁波在介质中的电磁波速，不同介质中的电磁波速见表2。

4 结果及分析

4.1 荆门某建筑地基

图3为雷达检测结果灰度图，从雷达图像上可看出：水平向0.6～6.0 m，竖直向4～44 ns范围内反射信号振幅强，频率集中为中低频，同向轴不连续，呈孤立体形状，推测该区岩体破碎。开挖验证表明该区域范围内岩石破碎、存在少量夹泥，开挖后地质情况见图4。

图5为雷达检测结果灰度图，从雷达图像上可看出：水平向0.4～4.0 m，竖直向32～108 ns范围内反射信号振幅强，频率为低频，同向轴连续，呈层面体，有多次反射，推测该区域夹泥或岩体含水。开挖验证表明该区域范围内为碎石，碎石间填充淤泥，淤泥含水偏大，开挖后地质情况见图6。

4.2 桐木园隧道

图7为雷达检测结果波列图，从雷达图像上可看出：水平向0～8 m，竖直向0～300 ns范围内反射信号振幅强，频率为中低频，同向轴整体不连续，局部较连续，呈层面体，有多次反射，推测掌子面前方岩体破碎，有较大空隙，岩体可能较潮湿。开挖验证表明该区域为溶洞洞底，由于洞顶塌陷，洞底堆积较大多石块，开挖后地质情况见图8。

5 结论

（1）由于破碎区岩体存在较多空隙，电磁波在岩体与空隙的交界面处容易发生反射。因此地质雷达法可用于灰岩岩体破碎区域的探测，且具有较好的实用性。

（2）雷达图像上，岩石破碎区表现为强振幅，信号频率为中低频，同向轴形状与破碎区域形态有关，一般区域化分布。破碎区域与周围完整岩体有明显差异。若破碎区域填充较多淤泥或含水率偏大时，信号频率以低频为主，且存在多次反射。

（3）雷达图像对尺寸较小的破碎区域不敏感，不易被发觉。当破碎区域沿测线方向的长度小于所设置的道间距时，无法对其进行雷达成像。

参考文献

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