探地雷达在花岗岩球状风化体探测中的应用

曹 权

（上海应用技术学院轨道交通学院，上海201418）

探地雷达在花岗岩球状风化体探测中的应用

曹 权

（上海应用技术学院轨道交通学院，上海201418）

花岗岩发育地区球状风化体（俗称“孤石”）的分布直接影响城市轨道交通工程的建设，准确探明花岗岩孤石的空间分布具有重要的现实意义.为了探明地铁建设过程中花岗岩孤石分布情况，结合深圳地铁11号线某区间孤石探测试验，采用探地雷达研究两孔间孤石分布情况，试验数据能较好反映出土层间反射回波的异常.试验分析结果与现场验证钻孔的对比表明：该物探方法能在一定程度上揭示孤石的空间分布，表明了探地雷达在孤石探测上的有效性和适用性.

探地雷达；花岗岩球状风化体（孤石）；探测；地铁

我国南方沿海地区广泛发育燕山期花岗岩，在长期风化过程中，花岗岩岩体因结构和主要矿物成分的不同出现了差异风化，形成风化程度明显区别于周围岩土体而以孤立块体的形式存在的球状风化体，俗称“孤石”.随着花岗岩地区大规模地下空间建设的开始，尤其是城市地铁建设的兴起，花岗岩球状风化问题严重影响了工程［1-5］，特别是在地铁盾构施工过程中，如果遇到花岗岩孤石，不仅会卡住盾构机刀盘对刀具产生较大的磨损，而且会使盾构机偏离掘进轴线，严重时，还会导致盾构机无法掘进，发生地层坍塌甚至楼房倒塌事故.

由于花岗岩球状风化体分布具有的随机性和区域性特点，目前常规的勘查技术手段很难及时发现孤石的存在，更难做到准确定位［6-8］，因此，探索包括物探方法［9-11］在内的各种新的探测手段来确定花岗岩孤石的空间分布尤为重要.

探地雷达是一种快速、高效、直观、安全的地球物理测试方法，被广泛应用于地下管线［12］、铁路［13-15］和隧道工程［16-17］的质量检测与病害诊断等领域.本文结合深圳地铁11号线车公庙站至红树湾站区间物探试验，探测花岗岩孤石分布的现场，说明探地雷达在球状风化花岗岩体探测中的可行性.

1 试验原理

探地雷达由天线、发射机、接收机、信号处理器和终端设备等几部分组成，其基本工作原理是利用一个天线向地下发射高频宽频脉冲电磁波，当电磁波在地下介质中传播时，其传播路径、电磁场强度和波形将随着所通过介质的电性和几何形态的变化而变化；另一个天线接收来自地下介质界面的反射波，利用专用数据和图像处理软件对其处理，根据探地雷达反射波组的波形与强度特征，通过同相轴等的追踪，推断地下目标体的空间位置、结构、几何形态等情况，从而达到对地下目标体探测的目的.图1为探地雷达工作原理示意图.

图1 探地雷达工作原理示意图Fig.1 The detection schematic diagram of ground penetrating radar

2 试验方案

根据深圳地铁11号线初勘成果，发现车公庙站至红树湾站区间内花岗岩孤石发育，且空间分布随机性很大，常规的钻探很难准确定位孤石的分布.此区间拟建设为双向单线隧道，左、右分修，线路大体呈东西走向，施工方准备采用盾构进行隧道挖掘.工区地层由上到下分别为素填土、填石层、淤泥层、黏土层、残积层、全风化粗粒花岗岩、强风化粗粒花岗岩和微风化粗粒花岗岩.在残积层、全风化层中可能存在孤石.

为了验证探地雷达探测孤石的可行性，选择深圳地铁11号线车公庙站至红树湾站区间花岗岩孤石发育段进行了孤石探测试验.本次试验采用了意大利RIS-K2探地雷达，集中在442-1（ZK1孔）和442-3（ZK3）孔之间（见图2），即L 4测试剖面，布置验证钻孔两眼，编号为442、442-5，对试验结果进行现场钻孔验证，以利对该方法的可行性进行客观评价，详细布置如图2所示.

图2 试验孔布置示意图Fig.2 Schematic diagram of location of testing boreholes

3 试验结果及分析

图3为探地雷达探测孤石成果图.从雷达信号反射波的波形、能量变化、同相轴等方面对雷达图像进行解译，认为在水平方向上离ZK3孔3.6～6.0 m、竖直方向16.0～20.0 m深度处，同相轴错断，能量变化大，异于周围介质，初步判定为孤石.

图4 为地质钻孔验证剖面.图中钻孔442和442-5均为验证孔，水平向距钻孔442-3（ZK3）分别为4.1、6.2 m.验证孔442和442-5分别在孔深17.00～19.40 m、17.00～18.80 m处揭示到竖向厚度分别为2.40、1.80 m的花岗岩孤石，在水平向与442-3（ZK3）孔距为3.70～10.10 m.与图3物探剖面对比，发现探地雷达推测的孤石范围与验证结果较为一致，但推测的孤石大小要大于实际揭露的范围，这主要是由于雷达波具有高频特征，波长较短，介质吸收强烈，加之受地面其他电磁源干扰，使得探测剖面的雷达波形较为复杂，很难得到准确的解译结果.此外，由图3还可发现，随着深度的增加，电磁波反射波信号越弱，可供分析的信息越少，无法反映地层的变化，直接影响了探测效果.图5、6分别为442-5和442孔揭示的孤石岩芯照片，肉红色微风化粗粒花岗岩孤石分布在褐红色全风化花岗岩中.

图5 442-5号验证孔揭示的花岗岩孤石岩芯Fig.5 Appearance of boulder in a core recovered from borehole 442-5

图6 442号验证孔揭示的花岗岩孤石岩芯Fig.6 Appearance of boulder in a core recovered from borehole 442

4 结 论

（1）本次探地雷达测试成果与现场验证结果较为一致，表明了探地雷达在花岗岩孤石探测上的可行性.但实际工程中，通常获得的雷达图像远比理论模型的雷达图像要复杂得多，除了存在工作面的强烈反射波及直接耦合波外，还会有其他噪声的干扰.

（2）要想精确解译雷达的探测，需要建立在充分掌握介质物性、工程设计和施工参数等资料的基础上.目前地质雷达探测孤石的实践尚不多，还需更多经验积累和模型试验，以提高探地雷达在孤石探测中的可靠性.

（3）目前勘察技术水平下，尚没有一种勘察手段单独有效探测花岗岩孤石的空间分布，因此探索钻探与各种物探方法结合的综合勘察技术定位孤石是目前技术水平下的有效选择.

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（编辑 俞红卫）

Application of Ground Penetrating Radar in the Detection of the Granite Globular Weathering Body

CAO Quan
（School of Railway Transportation，Shanghai Institute of Technology，Shanghai 201418，China）

The distribution of the spherical weathered granite（commonly known as the“boulder”）has a direct impact on the construction of urban rail transit project.It is of great practical significance to detect spatial distribution of boulder accurately.In order to ascertain the distribution of granite boulders during subway construction，with the combination of an instance of geophysical testing for the distribution of granite boulders at the site of Shenzhen Metro Line 11，the distribution of granite boulders between two wells was studied with ground penetrating radar.The experimental data could better reflect the abnormality of reversed echo between boulder and surrounding soil.Test results and field-proven drilling showed that the geophysical method was satisfactory in detecting the spatial distribution of granite boulders to a certain degree，which proved the effectiveness and applicability of the detecting granite boulders with ground penetrating radar.

ground penetrating radar；granite globular weathered body（boulder）；detection；subway

P 585.2

A

1671-7333（2015）04-0371-04

10.3969／j.issn.1671-7333.2015.04.012

2014-11-27

上海应用技术学院引进人才基金资助项目（YJ2010-12）；上海应用技术学院大学生科技创新资助项目（DCX2011-16）

曹 权（1970-），男，副教授，博士，主要研究方向为轨道交通工程.E-mail：caoquanrang＠126.com