孔中雷达法探测孤石的研究

党如姣

(中铁隧道勘测设计研究院，河南 洛阳 471009)



孔中雷达法探测孤石的研究

党如姣

(中铁隧道勘测设计研究院，河南 洛阳 471009)

盾构在花岗岩风化地层中掘进存在着极大风险，为解决花岗岩风化残留体精确探测的难题，采用理论分析、数值模拟和现场试验的方法对孔中雷达法探测孤石进行研究，研究表明：1)采用孔中雷达法，配置100～200 MHz孔中天线，在地层差异明显的情况下能探测出测孔周围3～5 m、粒径在0.7 m以上的孤石；2)在不均匀地层中，不同粒径的孤石在雷达探测剖面上的反射波信号响应特征差别很大，通过反射波的强度和速度可判断出孤石的大小和埋深；3)在花岗岩风化地层中的现场试验探测结果与实际吻合，证明采用孔中雷达法探测孤石可行。孔中雷达法既能充分发挥钻孔的作用，又能在增加成本较小的情况下精确探测出隧道沿线孤石的分布情况，具有较好的推广应用价值。

孔中雷达法；孤石探测；钻孔勘察；花岗岩风化地层

0 引言

我国南方沿海城市花岗岩风化地层中分布有大量的孤石，其形状各异、大小不定、埋深不同。盾构在花岗岩风化地层中掘进存在着极大风险，孤石会导致刀具磨损严重，更换频繁，甚至导致盾构无法掘进[1]。因此，在勘察阶段，采用物探方法最大程度地将隧道沿线孤石分布情况探测清楚，并对孤石进行预处理，是一种风险较低且经济性较好的方案。研究有效的物探方法，对花岗岩风化地层盾构隧道施工具有重要的意义[2]。

在城区采用物探方法探测花岗岩风化残留体存在干扰因素多、探测分辨率要求高、场地条件复杂等难题[3]。李红立等[4]在广州轨道交通建设中利用跨孔超高密度电阻率法进行了4个跨孔探测试验，该探测方法能探测出直径大于1.0 m孤石的大致位置，对孤石定性描述准确，但定量解释存在偏差，尚不能满足施工探测精度的要求；秦正[5]采用地质探测仪对孤石进行探测，发现孤石后对该地段进行加密补勘，但该地质探测仪探测需要爆破，会对周边居民产生一定的影响，且精度评价相对较低，不能满足精确探测的施工需求；刘宏岳[6]在台山核电引水隧洞海域段采用地震反射波CDP(共反射点)叠加技术在海面上对花岗岩孤石进行探测，探测效果较好，但受探测空间限制，该方法无法在城区大范围开展；王典[7]在广州地铁3号线(机场线)和6号线二期工程中多次开展孤石地球物理勘探方法试验和专题研究，选用的物探方法多达十余种，结果表明地面物探方法均达不到理想效果，而孔中探测方法具有一定的效果。

目前，施工中多采用钻孔的方法进行勘察，其主要缺点是仅能了解钻孔位置的地质情况，无法满足实际工程需要[8]，且在城区环境中钻探作业耗时长、成本高，钻孔在取芯之后直接封堵，不能充分发挥钻孔的价值[9]。孔中雷达法可以把用于钻探取芯的钻孔利用起来，将两孔之间的盲区探测清楚，且准确率较高，因此，采用钻探与孔中雷达相结合的方法开展孤石探测具有一定的推广价值[10]。本文采用理论计算、数值模拟及现场试验的方法研究孔中雷达法在孤石探测中的应用情况。

1 孔中雷达法原理

孔中雷达法的探测原理如图1所示。将雷达天线放入钻孔中，雷达脉冲发射到周围介质中，电磁波信号向四周传播遇到有介电差异的物体，如破碎带、岩性改变区域或空洞等[11]，电磁波的一部分能量反射回来，被接收机接收，其他能量传输到更深的土壤中，以0.1～1 m的采样间隔沿钻孔向上或向下移动天线，形成雷达剖面[12]。探测的半径取决于天线的频率和介质的电导率[13]。

通过对探测试验地区(主要为深圳沿海地区)花岗岩地层取样的检测可知，花岗岩全强风化层电阻率通常小于300 Ω·m，花岗岩电阻率大于6 000 Ω·m，电导率相差较大，有良好的物性基础。

图1 孔中雷达法探测原理示意图

Fig.1 Principle of ground penetrating radar combined with drillhole

2 孔中雷达法探测精度分析

设反射界面埋深为H，发射、接收天线的距离远远小于H时，探测分辨率计算公式

式中：Rf为理论计算精度；H为目标体深度；λ为天线中心频率的波长。

根据公式，可计算出东莞、深圳等赋存花岗岩孤石的全强风化地层场地介质中，不同频率雷达天线在不同深度的水平分辨率，计算结果如表1所示。

表1 不同天线频率雷达探测的水平分辨率

Table 1 Horizontal resolutions of radar detection with different antenna frequencies m

由表1可绘出探测深度与水平分辨率的关系曲线，如图2所示。

图2 探测深度与水平分辨率的关系曲线

Fig.2 Relationships between detection depths and horizontal resolutions

由表1和图2可知：1)随着雷达天线频率的提高，其探测深度逐步降低，但雷达天线的探测频率越高，其探测精度越高；2)对于多层地层场地条件，采用地面雷达探测手段，无法满足深度15～20 m、精度1～2 m的探测任务要求；3)通过理论分析可知，采用孔中雷达法，配置100～200 MHz孔中天线，能探测出测孔周围3～5 m、粒径在0.7 m以上的孤石。

3 数值模拟分析

针对赋存孤石的地层条件，采用数值模拟的方法研究孔中雷达法探测孤石的地球物理响应特征。在此基础上，提出适合于城市复杂环境下的有效探测方案，研究数据的处理方法，指导野外数据处理和解释工作。

为研究非均匀介质条件下介质参数对雷达波正演模拟的影响，建立单孤石3层非均匀介质的三维模型，非均匀介质三维介电常数模型如图3所示。以下数值模拟是基于Matlab平台自行编程开发的雷达波模拟程序实现的。

(a) 介电常数模型 (b) 介电常数色标

图3中不同的颜色表示不同的介电常数，模型大小为10 m×10 m×10 m，网格大小为0.1 m，即网格数量为100×100×100，UPML吸收边界占据20个网格。

雷达探测设置参数：偏移距1 m，激发主频100 MHz。

激发天线位置：x、y坐标分别为2、5 m，z方向0.1～9 m、间距0.1 m，共激发90次。

介质参数：模型共3层，从上到下厚度分别为3、3、4 m，介电常数为14、12、8；孤石放置在介电常数最小的第3层，介电常数为4。

将天线布置在距离孤石4 m的位置，孤石大小分别为0.5 m×0.5 m×0.5 m、1 m×1 m×1 m、2 m×2 m×2 m，生成模型1、2、3(图4(a)、(b)、(c))。将天线布置在距离孤石2 m的位置，孤石大小为1 m×1 m×1 m，生成模型4(图4(d))。

由于各层介电常数不同，弹性波速度不等，因此，随着天线的移动，直达波的到达时间也不同，在剖面中可以看到明显的直达波分段现象，由此可以准确判断各层的厚度及位置。

(a) 模型1雷达波模拟结果剖面

(b) 模型2雷达波模拟结果剖面

(c) 模型3雷达波模拟结果剖面

(d) 模型4雷达波模拟结果剖面

由图4数值模拟结果可知：

1)模型1、2、3的模拟结果剖面上都存在较强的有规律的层界面反射波，孤石反射波被其掩盖，无法识别。在模型4中，第20道、55 ns附近识别出孤石反射波，这与模型中孤石的位置相匹配，但绕射波受到地层界面反射波的影响不明显。

2)地层越复杂，分层越多，从地层中探测出孤石的难度越大；地层反射波往往容易将孤石引起的异常覆盖。

3)对于3层地层而言，粒径小于1 m的孤石，其产生的绕射波被层界引起的反射波覆盖，在图像上反映不明显。

4)对于复杂的非均匀介质，层界面反射波对孤石的反射波影响更大，但层界面反射波通常较为规律，可以通过后期数据处理对其滤除，从而突出孤石的绕射波信号。

4 现场试验及结果分析

理论可行的物探方法在实际探测中会受到现场环境条件的限制，观测系统的设计、探测参数的设置以及后期数据分析解译等都需要通过现场试验进行确定，以达到最佳的探测效果。

在深圳地铁9号线补勘中，采用孔中雷达法进行花岗岩风化残留体的探测试验，试验钻孔沿地铁线路中轴线布设(如图5所示)，钻孔间距6～8 m，天线频率为150 MHz，以0.5 m的采样间隔沿钻孔向下移动天线进行数据采集。

图5 孔中雷达法布孔示意图

采用处理软件对孔中雷达采集的数据处理，着重进行振幅恢复、滤波、F2K 滤波、反褶积处理，获得信噪比较高的时间剖面，提高有用信号的识别，雷达时间剖面能比较真实全面地反映地下介质的变化情况，保证资料质量，并利用地下介质的电性差异进行分层，查明孤石的赋存情况。

孔中雷达法在深圳地铁9号线补堪中的应用结果见图6。由图6(a)探测结果可知：在雷达探测剖面中能看到直达波分段的现象，可以准确判断各层厚度及位置。雷达图像上深度4、9、17 m附近位置均出现了复杂的绕射波。通过验证发现4 m深度存在箱涵，9 m深度存在破碎带，17 m深度存在微风化基岩；图6(b)是钻孔取芯结果，由取芯结果可见，钻孔17～24 m均为微风化花岗岩基岩，探测结果与现场钻孔结果基本一致。确认孤石后采用控制爆破的方式对孤石进行处理，保证了盾构在该区段顺利掘进。

5 结论与讨论

孔中雷达法可以将用于钻探勘查的钻孔利用起来，既能充分发挥钻孔的作用，又能在增加成本较小的情况下，将钻孔周边3～5 m较大的孤石探测清楚，大大节约探测时间和成本，且准确率较高。同时，将两孔之间的盲区探测清楚，掌握隧道沿线孤石的分布情况。

(a) 孔中雷达探测剖面

(b) 现场实测结果

孔中雷达法适用于电磁干扰较小的环境，该方法在探明孤石之后，无法对孤石方位进行定位，需与其他方法相结合(如跨孔电阻率法)，这样既能在一定程度上弥补孔中雷达法无法定向的缺憾，又能联合解译，提高探测准确率。

[1] 李建强，冯涛．球状风化花岗岩工程特性综合分析方法的探讨[J]．西部探矿工程，2006(12)：139-140.(LI Jianqiang,FENG Tao.Discussion of comprehensive analysis method of engineering properties of spheroidal weathered granite[J].West-China Exploration Engineering，2006(12)：139-140.(in Chinese))

[2] 刘祖珉,雷宛,肖宏跃.几种工程物探方法在岩土工程勘察中的应用[C]//中国地球物理学会第22届年会论文集.成都：中国地球物理学会,2006.(LIU Zumin,LEI Wan,XIAO Hongyue.Application of several engineering geophysical prospecting methods to geotechnical investigation[C]// Proceedings of the 22nd Chinese Geophysical Society.Chengdu:Chinese Geophysical Society,2006.(in Chinese))

[3] 城市工程地球物理探测规范：CJJ 7—2007[S].北京：中国建筑工业出版社,2007.(Code for engineering geophysical prospecting and testing in city:CJJ 7—2007[S].Beijing:China Architecture & Building Press，2007.(in Chinese))

[4] 李红立，张华，汪传斌.跨孔超高密度电阻率法在花岗岩球状风化体勘探中的试验研究[J].工程勘察，2010(8)：88-92.(LI Hongli,ZHANG Hua,WANG Chuanbin.Experimental study of the cross-hole ultra-density resistivity method used in the exploration for the spheric lightly-weathered granite[J].Geotechnical Investigation & Surveying,2010(8)：88-92.(in Chinese))

[5] 秦正．高密度电阻率法在工程勘察中的应用[J]．物探装备，2005(3)：57-58.(QIN Zheng.Application of high-density resistivity in engineering exploration[J].Equipment for Geophysical Prospecting,2005(3)：57-58.(in Chinese))

[6] 刘宏岳．地震反射波 CDP 叠加技术在海域花岗岩孤石探测中的应用[J]．工程地球物理学报,2010(6):714-718.(LIU Hongyue．Marine seismic reflection for the detection of the weathering residues in the granite[J].Chinese Journal of Engineering Geophysics,2010(6):714-718.(in Chinese))

[7] 王典．地铁工程球状风化专题勘察方案研究[J].广州建筑，2011(2)：42-46．(WANG Dian.Discussion about special investigation programmes of spheroidal weathering in subway project[J].Guangzhou Architecture,2011(2)：42-46.(in Chinese))

[8] 陈明晓.广东沿海地区花岗岩风化剖面及其差异风化现象的特征分析[J].广东公路交通,2003(1):59-63.(CHEN Mingxiao.Analysis of weathered profile and different weathered properties of granite in coastal areas of Guangdong Province[J].Guangdong Highway Communications,2003(1):59-63.(in Chinese))

[9] 张胜业，潘玉玲.应用地球物理学原理[M].武汉：中国地质大学出版社，2004．(ZHANG Shengye,PAN Yuling.Principle of applied geophysics[M].Wuhan:China University of Geosciences Press,2004.(in Chinese))

[10] 党如姣.基岩爆破和注浆处理效果的物探检验技术研究[J].隧道建设,2012,32(5):643-648.(DANG Rujiao.Technology for geophysical prospecting of blasting and grouting effects of bed rocks [J].Tunnel Construction,2012,32(5):643-648.(in Chinese))

[11] 李大心.探地雷达方法与应用[M].北京:地质出版社,1994.(LI Daxin.Detection method of ground penetrating radar and its application[M].Beijing:Geological Publishing House,1994.(in Chinese))

[12] 杨雄飞，袁鸿．广州地铁3号线孤石地层的探测及处理[J]．建筑机械化，2011(6)：73-76．(YANG Xiongfei,YUAN Hong.The detecting and measure of the boulder layer at the site of Guangzhou Metro Line 3[J].Construction Mechanization,2011(6):73-76.(in Chinese))

[13] 中国土木工程学会.地铁及地下工程建设风险管理指南[S].北京：中国建筑工业出版社，2007．(China Civil Engineering Society.Guideline of risk management for construction of subway and underground works[S].Beijing:China Architecture & Building Press，2007.(in Chinese))

[14] 靳洪晓，赵永贵，李勤，等.地面地震CT 在浅层勘探中的应用[J].工程地质学报，2000，8(2):239-243.(JIN Hongxiao,ZHAO Yonggui,LI Qin,et al.Application of surface seismic tomography to shallow geological survey[J].Journal of Engineering geology，2000，8(2):239-243.(in Chinese))

[15] 曾昭发,刘四新,王者江，等.探地雷达方法原理及应用[M].北京：科学出版社，2006.(ZENG Zhaofa,LIU Sixin,WANG Zhejiang,et al.Detection principle of ground penetrating radar and its application[M].Beijing:Science Press,2006.(in Chinese))

Study of Boulder Detection by Ground Penetrating Radar Combined with Drillhole

DANG Rujiao

(Survey,DesignandResearchInstituteofChinaRailwayTunnelGroup,Luoyang471009,Henan,China)

It is difficult to accurately detect the boulder in weathered granite ground.As a result,shield machine boring in weathered granite ground is of great risk.The boulder detection method of ground penetrating radar combined with drillhole is studied by theoretical analysis,numerical simulation and site test.The study results show that:1) The boulder diameter larger than 0.7 m and within 3-5 m scope around drillhole can be detected by setting 100-200 MHz radar antenna.2) The reflected waves of boulders of different sizes in uneven strata vary greatly; and the size and cover depth of boulder can be accurately detected by observing the strength and velocity of reflected wave.3) The site test results of weathered granite ground coincide with the actual results,which proves the rationality of the detection method.The boulder detection by ground penetrating radar combined with drillhole is worth popularizing.

ground penetrating radar combined with drillhole; boulder detection; drillhole investigation; weathered granite ground

2016-03-18;

2016-05-26

党如姣(1987—)，男，河南漯河人，2010年毕业于中国地质大学(武汉)，地球信息科学与技术专业，本科，工程师，现从事隧道及地下工程施工与科研工作。E-mail：396704357@qq.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2016.10.009

U 45

A

1672-741X(2016)10-1221-05