探地雷达在岩溶区高速公路下方不良地质体探测中的应用

邓亮

(湖南省高速集团城龙高速公路建设开发有限公司，湖南 长沙 410000)

0 引言

岩溶又称喀斯特，是碳酸盐类等可溶性岩石在水的溶蚀作用下形成空洞、裂隙等不良地质体现象的总称[1]。岩溶地貌在我国分布广泛，约占国土总面积的1/3[2]。岩溶发育形成的不良地质体会导致地表稳定性下降，进而影响高速公路的修建，因此在高速公路修建之初查明路基下方不良地质体情况，对道路后续施工具有重要意义。

目前用于探测道路路基隐伏岩溶的方法有很多。钻探法[3-6]最为直接，获得的结果直观准确，但应用于大面积工程时的效率低、成本高，会对研究区域造成破坏。相比之下，地球物理方法更高效便捷，能够在不破坏岩土体的情况下完成对地下不良地质体的探测。综合考虑工程需求的探测深度及各种地球物理方法的优缺点，优选探地雷达法[7-13]，该方面的探测精度和效率都非常高，通过对其结果进行分析能够准确地查明路基范围内岩溶等不良地质体的走向、规模、形状等相关地质情况。本文就探地雷达在湖南某高速公路下方不良地质体探测中的应用进行介绍。

1 工程地质概况

1.1 工程概况

某高速公路北接衡炎高速，向南延伸，终于湘粤两省交界处大麻溪，线路总体呈由北向南的走向。公路沿线地形地貌复杂，岩溶等不良地质体发育。进行探测前，路基已完成至精加工层顶面，两侧排水边沟已施工完成，在K104+419、K104+470左侧边沟处分别出现岩溶塌洞，边沟底部脱空，塌洞直径2～3m，可见深度1m左右。路基开挖过程中揭露多处溶蚀裂隙，局部位置灰岩层夹砂页岩层。

1.2 地层岩性

根据前期勘察资料，结合地表地质调查结果可知探测区域地层从上至下依次为：

（1）第四系的素填土，土壤主要为褐黄色，部分地区为杂色，主要成分为粉质粘土夹少量碎石，因路基超挖换填形成，厚度约1m。

（2）第四系的粉质黏土，土壤呈褐黄色，主要为硬塑状，稍湿，含少量灰岩碎屑，该层主要分布于基岩表层，分布厚度不一，溶蚀沟槽内厚度变化较大，厚度约1～3m。

（3）泥盆系上统锡矿山组的灰岩，呈现灰色，为隐晶质结构，厚层状构造，方解石脉、节理裂隙、溶蚀裂隙、溶洞发育，局部夹砂页岩层，砂页岩浅部岩石强风化。

2 探地雷达的工作原理

探地雷达通过发射天线(T)向地下发射高频电磁波短脉冲，当电磁波遇到地下地质介质体或介质分界面时，部分能量反射回地表被布设在地表的接收天线(R)接收。电磁波在介质中传播时，其路径、电磁波场强度及波形将随所通过介质的电磁特性与几何形态而发生变化，接收记录到的电磁波特征，即波的旅行时间(双程走时)、幅度、频率、波形等图，形成反映这些特性的雷达波剖面图，通过对雷达波场资料分析处理，可推测地下目标介质的空间位置、电性、结构与几何形态，达到对隐伏地下目标物探测目的[14]。其工作原理图见图1所示。

图1 探地雷达探测原理图

3 探地雷达工程应用与成果分析

3.1 数据采集及处理

探测采用地球物理勘探中的探地雷达辅以工程地质调查的综合方法，使用的雷达是美国GSSI公司SIN-3000型探地雷达，搭配中心频率为100MHz的接收天线。测线主要沿高速公路方向布置，测线的横向距离控制为3m，共布置测线9条，每条测线长度均为150m，采用点测采样的方式，记录长度为300ns，测点距离为0.1m，介电常数为7，扫描速度为40。测线具体布置情况详见表1所示。

表1 测线数据表

采集的实测数据导入电脑中，在专业软件“RADAN 5.0”中进行处理分析。雷达数据受外界干扰较大，地下介质成分复杂对信号有较强的吸收作用，这使得最后的数据信噪比较低，因此需要对其进行适当的处理以提高信噪比凸显异常值。处理的过程中主要通过飘移去除、信号增益、数字滤波器、褶积、希尔伯特变换等方法对实测结果进行预处理，同时要结合现场实际的工程地质状况，选择合适的相对介电常数[15]。

3.2 探测成果解译分析

高速公路下方岩溶发育，雷达测线沿公路路线方向布置。结合前期勘察资料和地质调查成果将各测线雷达成果解译如下：

（1）R1—R1′测线起点位于K104+370左12m，终点位于K104+520左12m。测线范围内存在两处较为明显的异常：异常①位于测线45～51m处，深度约1～2m，雷达信号振幅较大，反射能量强，同相轴紊乱，结合现场情况，推测此处为溶洞，且洞内充填物含水量较大，编号RD1；异常②位于测线98～105m处，深度约1～2m，雷达信号振幅较大，反射能量强，同相轴紊乱，结合现场情况，推测此处为溶洞，且洞内充填物含水量较大，编号RD2。

（2）R2—R2′测线起点位于K104+370左9m，终点位于K104+520左9m。测线范围内存在三处较为明显的异常：异常①位于测线45～47m处，深度约1～2m，雷达信号振幅较大，同相轴紊乱，推测此处为溶蚀裂隙发育，编号RS1；异常②位于测线90～93m处，深度约1～2m，呈现出较强的弧形反射，同相轴紊乱，推测此处存在溶蚀裂隙发育，编号RS2；异常③位于测线136～145m处，深度约6～10m，同样呈现出弧形强反射，推测此处为溶蚀裂隙发育，编号RS3。

（3）R7—R7′测线起点位于K104+370右6m，终点位于K104+520右6m。整条测线雷达反射信号稍弱，同轴连续性一般，结合现场情况，测线范围内岩体总体较完整，存在一处较为明显的异常：异常位于测线9～12m处，深度约0.5～1.5m，推测为溶蚀裂隙发育，编号RS4。

（4）R9—R9′测线起点位于K104+370左12m，终点位于K104+520左12m。整条测线雷达反射信号稍弱，测线范围内存在三处较为明显的异常：异常①位于测线55～60m处，发育深度约5～8m，同相轴连续性散乱，推测此处存在溶蚀裂隙发育，编号RS5；异常②位于测线90～100m处，发育深度约5～8m，同相轴连续性散乱，推测此处存在溶蚀裂隙发育，编号RS6；异常③位于测线130～140m处，发育深度约5～8m，同相轴连续性散乱，推测此处存在溶蚀裂隙发育，编号RS7。

根据对所有物探测线结果归纳、分析，结合地表地质调查以及前期勘察资料成果，推测该路段下方共有两个溶洞与7处溶蚀裂隙发育区。溶洞与溶蚀裂隙发育特征如表2所示。

表2 推测岩溶发育特征

4 结束语

本次研究可知，该高速公路路基属覆盖型岩溶区，岩溶发育中等，岩溶形态主要为溶蚀裂隙，其次为溶洞。在测线范围内，推测共有两个溶洞与7处溶蚀裂隙发育区。其中RD1、RD2号溶洞埋藏浅，顶板灰岩薄，地表已产生塌洞；RS1、RS2、RS4号溶蚀裂隙发育区埋藏浅，RS5、RS6、RS7号溶蚀裂隙发育区埋藏较深，但局部溶蚀裂隙与地表相连通，在地表水的冲蚀、地下水的潜蚀作用下路基存在产生岩溶塌陷的安全隐患，宜进行处治。RS3号溶蚀裂隙发育区埋藏相对较深，与地表连通性相对较差，路基产生岩溶塌陷的可能性较小，可不进行处治。