探地雷达用于城市浅表层勘察的可行性研究及实例分析

花晓鸣， 卢　松， 吴丰收

(中铁西南科学研究院有限公司，成都　61000)



探地雷达用于城市浅表层勘察的可行性研究及实例分析

花晓鸣， 卢松， 吴丰收

(中铁西南科学研究院有限公司，成都61000)

摘要：探地雷达(Ground Penetrating Radar，GPR)是一种有效的城市浅表层探测方法。这里简要叙述了探地雷达的工作原理及其应用于城市浅表层地层划分和缺陷地质体勘察中的可行性,通过现有的工程实例分析，展示其可作为一种便捷、经济和高效的城市浅表层勘察技术。

关键词：探地雷达； 城市浅表层； 地层划分； 地质灾害

0引言

随着我国经济的飞速发展，城市建设也得到了空前的发展，但随之而来的工程地质问题也日益突出。在过去大范围的地表调查工作为工程建设提供了基本的技术保障，但现代的城市建设和扩张使原本裸露的地表增加了许多覆盖层(路面、管线、绿化和堆积物等)，给城市的地质勘察带来了极大的困难，另外由于地勘钻孔需要临时占地，也存在很大的局限性。因此如何选择更加便捷、经济和高效的新技术(方法)对城市浅表层进行深入和迅速的勘察，是地质工程界不断探索的课题。这里以探地雷达在城市浅表层勘察中的实际工程为依托，阐述了其在浅层地质勘察中所起的重要作用。

1探地雷达简介

探地雷达[1]是一种探测地下结构和埋藏物的新型无损探测仪器，它是穿过介质对其中的目标体进行探测的。探地雷达在地表上向地下发射某种形式的电磁波，电磁波在地下介质特性发生变化的界面上发生反射并返回地面。由于电磁波在传播过程中，其路径、电磁场强度与波形将随所通过介质的介电性质及几何形态的变化而产生不同程度的变化。所以，根据回波信号的时延、形状及频谱特性等参数，可以解译出地下目的体的深度、介质结构及性质[4-5](图1)。

图1　探地雷达工作原理图Fig．1　GPR works figure

探地雷达天线的选择至关重要，通常需要考虑三个主要因素：①设计的空间分辨率；②杂波的干扰；③深度测量。它关系到雷达的探测能力，在满足分辨率且场地条件又许可时，应尽量使用中心频率较低的天线。现场测试多采用连测模式，并在数据采集过程中应重视增益的设置、滤波设置和天线的极化方向等。

根据探地雷达的探测原理及天线选择的因素，可见它具有效率高、对探测场地和目标无破坏性、较高的分辨率及较强的抗干扰能力等特点。目前随着信号处理技术和电子技术的发展，探地雷达技术不断进步，应用范围也不断扩大。

2探地雷达应用于城市浅表层勘察中的可行性分析

城市浅表层主要由粘土、砂、覆盖层(堆积物和淤积物等)、破碎岩石(卵石)、地下水和完整岩石等组成，它们的吸收系数β存在差异，而吸收系数β决定了场强在传播过程中的衰减速率，对以位移电流为主的介质，β的近似值为式(1)。

(1)

在式(1)中，β与导电率成正比，与介电常数的平方根成正比。因此电磁波在不同介质中，其传播过程中传播速度、能量衰减、频率变化等明显不同(表1)。

表1　城市浅表层常见物质介电常数表

根据表1可知，用于城市浅表层的材料具有较明显的电性差异。这种差异表现在探地雷达剖面上，主要为存在明显的波谱变化。根据它们的波谱差异以及雷达波在不同介质层的传播特性，能很好地确定它们的空间分布。由此可见，探地雷达应用于城市浅表层勘察是可行的。

在探地雷达进行工作之前必须首先建立测区坐标系统，以确定测线的平面位置。其测网和测线布置应符合以下原则[2-3]：

1)根据勘察目标的几何大小与空间位置，确定测线或测网的密度。

2)测线应尽量垂直目标体的长轴。

3)在基岩面等二维目标体调查时，测线应沿二维体的走向，线路取决于目的体沿走向方向的变化程度。

4)在精细了解地下地质构造时，可采用三维探测方式，获得地下三维图像。

5)尽量避开或减少各种不利的干扰因素，并对测线周边可疑干扰源做详细记录。

只有建立坐标系统后，才能使探测的目标以平面化、网格化和立体化的形式显示在平面图或者立体图上，为下步进行深入的工作奠定良好基础。

3探地雷达用于城市浅表层勘察的实例分析

3.1划分城市浅表层的地层

3.1.1测区概况及测线布置

在西南某城市建设中，绿地公园顶部车行道路(车流量较大)出现裂缝，裂缝宽度达到5 cm左右，下部为沟谷，且雨季来临时有大量积水，可能造成路面承载能力显著降低，甚至局部滑坡。为了节约时间和工程量，并保证顶部道路畅通，需要迅速探明覆盖层的厚度，为进一步开展填修工程提供保障。现场测线布置按照平行沟谷方向布置(垂直沟谷方向高度差过大)。

3.1.2浅表层地层划分的图像解释

测试采用的是GSSI的SIR-3000型探地雷达，配置100 MHz天线，探测深度在10 m～30 m之间。根据地质调查，测区内坡积层及强风化层厚度约为15 m，因此选择100 MHz天线可以满足适用需求。测试时采用与沟谷平行的方式进行，水平高度差较小便于测试，采用连续测试的方式进行。

探地雷达探测连续剖面长度达200 m，这里仅选择其中一段(图2)进行典型分析。测线的地面比较平整，所以雷达的板式天线可以很好地贴近地面，使测得的雷达波形的规律性很强。该段测线在0 m～6.8 m范围内，波形断续受到干涉(已滤波),呈典型的复合波特征，分析认为这是由覆盖层中的不均匀体(地表主要为坡积层，局部为杂填土，干扰因素复杂，更重要的是坡面上下坡积层及强风化层的电性差异很小，给图像识别带来一定的困难)引起；在6.8 m～15 m范围内，同相轴连续性好,波组清晰,反射信号强,结合地质资料推断6.8 m为强风化基岩面的反射；在埋深15 m～25 m范围内，波形连续且无明显的强波组出现，反映该剖面岩体内部物质均匀，结合地质资料推断15 m为中风化的基岩。

图2　城市地层划分成果图Fig．2　City stratigraphic division achievement chart(a)雷达测试图;(b)成果解释图

根据雷达反演得到的剖面图形，选取典型(在里程033处)位置进行钻孔。经验证，证明探地雷达成果准确。

3.2探测城市浅表层的地质灾害

3.2.1测区概况及测线布置

西北(黄土区)某城市地铁建设中，线路位于城市道路主干道上(平行方向)，但在盾构机开挖过程中，遇到渗水、坍塌和地面沉陷等灾害，给地面交通带来拥堵。施工方为了确保施工安全，需要迅速查明盾构机前方的地质灾害(缺陷)[4]范围及地质状况。因此，采用了探地雷达进行浅表层的探测。为了保证正常交通，测线沿行车方向进行布置(图3)。

图3　探地雷达测线布置图Fig．3　GPR survey line layout

3.2.2地质灾害(缺陷)的图像解释

测试采用的是GSSI的SIR-20型探地雷达，配置100 MHz天线对，探测深度在10 m～30 m(满足测深要求)。测试时按照图3的测线布置进行连续测试。

图4　浅层地质灾害(缺陷)探测成果Fig．4　Detection results of shallow geological 　　　disasters(Defects)(a)雷达测试图;(b)成果解释图

探地雷达探测区域剖面长度达640 m，选择6-3测线位置进行典型分析。测线的地面比较平整，测得的雷达波形的规律性很强。从探地雷达测量剖面(图4)来看，该段测线450 m～470 m处，存在明显的异常区域。异常区域反射波组出现在4 m～15 m深度范围内，覆盖层中有清晰的反射波组出现，推断为道路表层及路基层面引起。值得注意的是在460 m附近，埋深约4 m位置，形成双曲线型波组异常区域[5]，推断在该处存在土洞，埋深约4 m，高度约1 m；在埋深5 m～15 m范围内，回波能量反射强烈，振幅变化明显，反射波同相轴存在明显的错断和不平整现象，且相邻测线雷达图像均存在相似现象，分析认为该层为土洞在外力或地下水的作用下形成的塌陷。由于该地质灾害(缺陷)横穿路面，其余测线均有反映，且地表已经发现明显裂痕，因此建议该段进行加固处理。后经开挖证实，该段为抗战时期的人防通道，在外力、地下水和周边管线渗漏的共同作用下已经发生坍塌，且充填地下水。

4结论

探地雷达作为一种无损、便捷、迅速和准确的高新探测技术，在城市浅表层探测领域中的作用日益显著，并且随着对电磁波研究的日益深入,其应用前景将日益宽广[6]。根据多次探测结果综合分析，两介质物性差异越大，其界面也越容易分辨，因此在城市浅表层探测中，地层差异、地质灾害(缺陷)几何属性越明显，探测效果越好。

针对城市浅表层地层划分和地质体灾害(缺陷)方面进行了讨论，但未详细展开，具体有以下两方面：① 虽然在城市浅表层地层划分方面取得一定成果，但未深入分析在淤泥、冻土和砂土等探测效果；② 除了坍塌、空洞等灾害外，城市浅表层存在的其它地质灾害的雷达检测可行性有待进一步研究。

总之采用探地雷达探测城市浅表层是可行的，但需要根据探测深度、精度和周边环境等因素适时调整，针对不同的问题，采用适当的设备和方法。

参考文献：

[1]李大心.探底雷达方法和应用[M].北京：地质出版社，1994.

LI D X. Dip radar method and application [M]. Beijing: Geological Publishing House, 1994.(In Chinese)

[2]中国电力出版社. 水电水利工程物探规程(DL/T 5010-2005)[S].北京：中国电力出版社,2005.

CHINA ELECTRIC POWER PRESS.Hydroengineering geophysical procedures (DL / T 5010-2005) [S]. Beijing: China Electric Power Press, 2005.(In Chinese)

[3]中国水利电力物探科技信息网. 工程物探手册[M].北京：中国水利水电出版社，2011.

CHINA WATER POWER GEOPHYSICAL TECHNOLOGY INFORMATION NETBOOK.Geophysical Engineering Manual [M].Beijing: China Water Power Press, 2011.(In Chinese)

[4]赵忠海.探地雷达在地质灾害调查方面的应用[J].中国地质灾害与防治学报，2002，13(2)：100-102.

ZHAO Z H.Application of geological disasters in the investigation. GPR [J].Chinese geological disasters and Control, 2002,13 (2): 100-102.(In Chinese)

[5]刘传孝.探地雷达空洞探测机理研究及应用实例分析[J].岩石力学与工程学报,2000,19(2)：238-241.

LIU C X.Empty detection mechanism and application examples GPR analysis [J].Rock Mechanics and Engineering, 2000,19 (2): 238-241.(In Chinese)

[6]花晓鸣,吴丰收.地质雷达在水电站坝基工程中的应用研究[J]. 华北水利水电学院学报,2012(3):94-96.

HUA X M, WU F S.Application of GPR in hydropower dam project in the [J].North China Water Conservancy and Hydropower College, 2012(3): 94-96.(In Chinese)

The feasibility study for the GPR using in city shallow survey and the nalysis of examples

HUA Xiao-ming, LU Song, WU Feng-shou

(China Southwest Research Institute Of China Railway Engieering Company Limited, Chengdu610000,China)

Abstract:GPR is an effective methods of urban shallow exploration. This paper briefly describes the principle of GPR and its feasibility, which used in urban shallow stratigraphic division and geological reconnaissance defects.Through the analysis of existing project examples, the paper shows that it can be used as a convenient, economical and efficient urban shallow survey techniques.

Key words:GPR； city shallow； geological strata； geological disasters

中图分类号：P 631.3

文献标志码：A

DOI：10.3969/j.issn.1001-1749.2016.01.07

文章编号：1001-1749(2016)01-0048-04

作者简介：花晓鸣(1983-)，男，工程师，主要从事工程地质和物探等相关工作，E-mail：6153452@qq.com。

基金项目:中铁西南院项目(2013-Z002-KJB02-DZ)

收稿日期：2015-03-12改回日期：2015-06-07