劉志輝，崔長飛，周中貴，杜青林

(中國水電顧問集團成都勘測設計研究院，四川成都 610072)

1 前 言

目前，地質雷達探測在工程建設中得到了越來越廣泛的應用，最典型的應用是探測混凝土厚度、缺陷(如空洞和不密實)和鋼筋分布等。由于地質雷達方法在混凝土質量檢測中的準確性及高效性，鐵道部在TB10223－2004《鐵路隧道襯砌質量無損檢測規(guī)程》中將地質雷達檢測列為基本檢測方法。目前地質雷達在越來越多的領域開展應用，例如巖溶探測、采空區(qū)探測、地質深部探測、市政管線探測等。這主要是隨著地質雷達的用戶群體越來越大，工程經驗積累越來越多，對多領域的探測準確性也越來越高。本文詳細介紹了地質雷達檢測技術，包括其原理、外業(yè)采集和資料分析。通過對某工地探測的實例表明，地質雷達在對填挖方界面及缺陷(脫空或孤石)等的探測具有巨大的優(yōu)勢，表現為圖像簡明清晰、探測時間短、準確性高。這也例證了地質雷達探測的有效性。

2 地質雷達探測的基本原理

地質雷達是一種無損探測儀器，它依據電磁波脈沖在地下傳播的原理進行工作。電磁波脈沖由發(fā)射天線發(fā)出，被地下介質介面(或埋藏物)反射，由接收天線接收(見圖1)然后將這些信號記錄下來，并成圖顯示出來(見圖2)。被反射脈沖旅行時間在單置式天線情況下為:

式中 h——反射界面的深度，m;

v ——波速，m/ns;

Δt——脈沖雙程旅行時間，ns。

圖1 地質雷達電磁波脈沖傳播示意

每發(fā)射一次脈沖，就接收到一串反射訊號，稱為時間系列或掃描記錄。隨著天線在介質面上方平行移動，得到無數掃描記錄(大約200次/s)，即可合成一張完整的地下透視圖像。

對于地質雷達所使用的頻段來說，地下媒質一般可視為準電介質，波速可由下式近似求出:

式中 c——真空中光速，0.3m/ns

εr——地下介質的相對介電常數。

研究表明，引起雷達脈沖反射的主要原因是各種介質的介電常數不同。這是由于各介質的物質結構不同而造成的，如石灰?guī)r的介電常數通常在7～9之間(見表1)。根據電磁波理論，當電磁波穿過層狀介質時，由于上下介質的電磁特性不同而產生折射和反射(見圖3)。

電磁波在介質介面的反射和折射特征用反射系數R12和折射系數T12表示。對于非磁性介質，當電磁波垂直入射(θ=0)時，R12、T12可以用下式表示:

圖2 地質雷達工作原理

表1 常見介質的相對介電常數

式中 ε1、ε2——分別為界面上下介質的相對介電常數;

R12——從介質1入射時，介質1－介質2的反射系數;

T12——從介質1入射時，介質1－介質2的折射系數。

3 地質雷達檢測技術

任何地質雷達資料解釋的基礎是雷達數據，所以雷達數據的好壞決定了能否取得良好的結果。要認真分析探測對象的性質和特點，要有合理的測線布置、選擇合適的天線(主要是頻率)、設置合理的采集參數，標定巖土和工程介質電磁波速。

3.1 探測對象的性質和特點

任何一個地質雷達探測項目都會有明確的探測目的。從這些目的要求中應該特別清楚地明確下列要點，以便正確設置儀器參數和合理布置測線。這些要點包括:

(1)探測目標深度:決定了雷達采集時設置的時窗大小。

(2)探測目標水平尺度及分辨率:決定了測線布置。

(2)目標與環(huán)境電磁性質差異的大小:決定了采樣位數。

3.2 合理的測線布置

測線布設應注意兩點:

圖3 電磁波在介質分界面上的反射和折射

(1)探測的目標是二度體還是三度體:二度體應平行布置測線，測線方向垂直目標軸向;三度體按網格狀布設測線。

(2)探測目標水平尺度的大小及要求的水平分辨:測線的間距一般應同時小于或等于目標尺度與分辨率尺度，以防目標漏測。

3.3 天線的選擇

天線選擇很關鍵，因為它決定了探測效果的兩個基本因素:探測深度和分辨率。在很多情況下二者是矛盾的。低頻天線探測深度大，但分辨率差;高頻天線探測深度小，但分辨率高。故在選擇天線的時候既要照顧探測深度又要有適當的分辨率。

3.4 采集參數的選擇

在進行地質雷達數據采集前應該對雷達的采集參數進行設定，參數設置的是否合理影響到記錄數據的質量，是進行內業(yè)解釋的基礎，至關重要。

對于各廠家的新型雷達，在選擇天線的時候基本上已把參數也固定下來了。但在現場還是必須根據探測目標進行微調。參數設定的主要有:

(1)探測深度與時窗長度。探測深度的選取是頭等重要的，既不要選得太小丟掉重要數據，也不要選得太大降低垂向分辨率。一般選取探測深度H為目標深度的1.5倍。根據探測深度H和介電常數ε確定采樣時窗長度。

(2)掃描速率。掃描速率是定義每秒鐘雷達采集多少掃描線記錄。掃描速率大時采集密集，天線的移動速度可增大，因而盡可能地選大些，但是它受儀器能力的限制。當掃描速率Scans/s決定后，要認真估算天線移動速度TV。估算移動速度的原則是要保證最小探測目標內至少有20條掃描線記錄。

(3)增益選擇。由于介質的吸收和散射，電磁波能量會衰減，信號越來越弱，增益點的作用是使記錄線上不同時段有不同放大倍數，使各段的信號都能清楚地顯現出來，增益點的位置最好是在反射信號出現的時段附近。增益大小的調節(jié)是使多數反射信號強度達到滿度的70%左右，增益太大將造成信號削頂，增益太小將丟失弱小信號。

至于采樣率、掃描樣點數、濾波設置等其他參數一般采用系統(tǒng)默認的就可以。

3.5 標定電磁波速度與介電常數

電磁波速度的估計很重要，它是進行準確時深轉換的基礎，對于確定反射體的深度至關重要，測量中要給予特別的關注。對于收發(fā)一體天線，一般采用下面兩種方法估算電磁波速:

(1)根據地層類型和含水情況使用參考速度值。

(2)利用已知埋深物體的反射走時求波速。

4 資料解釋

地質雷達數據處理的目標是壓制隨機的和規(guī)則的干擾，以最大可能的分辨率在圖像剖面上顯示反射波，提取反射波的各種有用信息，以幫助解釋檢測成果。地質雷達資料反映的是地下介質的電性分布，將其轉化為地質體分布，必須把地質、施工、地質雷達等方面的資料有機地結合起來，以此獲得檢測對象的整體圖像。

各雷達廠家都有相應的雷達數據處理軟件，處理流程和處理方式大同小異?；咎幚砹鞒虨?數據傳輸→能量均衡→水平均衡→數字濾波→時深轉換→注釋→文件編輯→輸出雷達剖面圖。一般而言，以雷達時間(時深轉換)剖面圖作為資料解釋的基本圖件。

5 應用實例

某電站一移民點場地地基土主要由原地坡洪積含塊碎礫石土及回填碎礫石土構成。在填方完成后不久，移民點A區(qū)、B區(qū)住宅地基土體分別出現兩條地表裂縫，裂縫平面呈鋸齒狀展布，順河EW向斷續(xù)延伸13～15m，寬度1～3cm。為了查明裂縫原因，以便在建造住宅前對已出現的隱患進行處理。業(yè)主希望能查清挖方及填方區(qū)的界面以及是否填方區(qū)存在粒徑不匹配(如存在大的孤石)造成脫空等情況。為此，采用地質雷達對該場地進行詳細探測。按照該移民安置點的斷面形式，雷達檢測在每棟房屋場地(地基)布置LP－1～LP－6共6條測線，測線間距2m。地質雷達檢測測線布置見圖4。

圖4 雷達測試測線布置示意

本次檢測采用的儀器設備為美國地球物理公司(GSSI)生產的SIR－3000型地質雷達、400M屏蔽天線，以連續(xù)剖面記錄方式采集數據。為滿足檢測深度和精度的要求，時窗設置為85ns，采樣率為512樣點數/掃描，5點增益，保證了填方區(qū)新填方土與原有土層分界面、填方區(qū)脫空情況的檢查。檢測的典型圖像見圖5。從圖5可見，填土區(qū)與原有土層分界面清楚，在距外側5m、深1.0m處存在脫空。

圖5 地質雷達在填方區(qū)探測的典型剖面

6 結束語

地質雷達具有檢測圖像直觀、計算處理技術先進、測試精度高的特點，廣泛應用于飛機跑道、公路、隧洞超前預報、巖溶探測、鋼筋混凝土檢測、堤壩隱患探測等巖土工程。目前，應用地質雷達對隧道混凝土質量進行檢測已經成為控制隧道施工質量不可缺少的重要手段，但地質雷達在地質勘探方面等還具有相當的難度，其與操作者的工程經驗密切相關。作者在總結多年地質雷達探測技術的經驗上，重點介紹了地質雷達的現場檢測技術，并通過對地基場地填方區(qū)的探測實例，說明了地質雷達只有相關參數設置正確、采集方法合適，在地質勘測方面效果同樣明顯，必將在以后的工程實踐中凸顯出更大的優(yōu)勢。

［1］李大心.探地雷達方法與應用［M］.北京:地質出版社，1994.

［2］曾昭發(fā).探地雷達方法原理及應用［M］.北京:科學出版社，2006.

［3］陳仲候，王興泰，杜世漢.工程與環(huán)境物探教程［M］.北京:地質出版社，1993.