上海市基礎(chǔ)工程集團有限公司 上海 200002

1 工程概況

1.1 工作區(qū)的工況及地質(zhì)特征

工作區(qū)域位于福州市地鐵1號線上藤站—三叉街站區(qū)間，上、下行線線路均自三叉街站北端頭井出站，沿六一南路一路向北，在下穿龍津河、大坪路后至上藤站南端頭井，區(qū)間上行線長約892.95 m，下行線長約895.48 m。上、下行線共計1 788.43 m，本次探測上、下行線沿盾構(gòu)中心軸線左右各4 m的范圍。

探測區(qū)間范圍內(nèi)的土層分布主要為：④粉質(zhì)黏土、⑤1淤泥質(zhì)軟土、⑤2中砂、a黏土、b砂質(zhì)黏土、a殘積粉質(zhì)黏土、b殘積砂質(zhì)黏土、c殘積礫質(zhì)黏土、全風(fēng)化花崗巖、散體狀強風(fēng)化花巖崗。

本次地球物理勘探探測的目標(biāo)體盾構(gòu)通過層中的孤石，其成分以殘積礫質(zhì)黏土、全風(fēng)化花崗巖、散體狀強風(fēng)化花崗巖為主，與下部土層間存在不太明顯的電導(dǎo)率特性差異，再加上探地雷達(dá)在探測深度上的限制，所以開展地質(zhì)雷達(dá)探測工作有較大的難度。

1.2 工作方法技術(shù)[1-4]

1.2.1 方法技術(shù)選擇

根據(jù)本次的工作任務(wù)及測區(qū)地形、地質(zhì)特征和工作條件，以及工區(qū)介質(zhì)的地球物理特征，考慮本次探測結(jié)果是為施工提供可靠的依據(jù)，探測精度要求高，因此地球物理勘探工作選用精度極高的地質(zhì)雷達(dá)方法。

地質(zhì)雷達(dá)方法是利用廣譜電磁波技術(shù)確定地下介質(zhì)分布情況。在雷達(dá)主機控制下，脈沖源產(chǎn)生周期性的納秒（10-9s）信號，由地質(zhì)雷達(dá)系統(tǒng)中的窄脈沖發(fā)射源通過發(fā)射天線向地下發(fā)射高頻寬頻域單脈沖，該電磁波在探測物體內(nèi)部傳播過程中，遇到不同電性介質(zhì)界面產(chǎn)生反射電磁波信號。位于地面上的接收天線在接收到反射波后，直接傳輸?shù)浇邮諜C。

1.2.2 野外工作方法

本次探測工作，在整個測區(qū)內(nèi)共布置地質(zhì)雷達(dá)探測線222 條，總計7 590 m。探測儀器為瑞典MALA公司生產(chǎn)的X3M型探地雷達(dá)，及與其配套的100 MHz地面屏蔽天線，該天線在同等探測精度情況下具有穿透能力強、探測深度大等特點。根據(jù)現(xiàn)場情況，通過現(xiàn)場試驗，確定測試參數(shù)如下：

天線主頻為100 MHz（屏蔽天線），時窗為400 ns，采樣點數(shù)為1 500 點，測量方式為點測（6 cm/點），疊加次數(shù)為8 次。

1.3 土層成分厚度的檢測

地下0～2 m主要成分為路基，地下2～7 m主要成分為殘積礫質(zhì)黏土；地下7～12 m主要成分為殘積礫質(zhì)黏土、全風(fēng)化花崗巖；地下12～18 m主要成分為全風(fēng)化花崗巖、散體狀強風(fēng)化花崗巖。

鑒于以上介質(zhì)的介電常數(shù)都比較接近，用探地雷達(dá)來探測地下指定目標(biāo)體半風(fēng)化花崗巖體存在著多解性。所以如何成功判斷出指定目標(biāo)體的正確位置是本次探測工作的一個重要的前提。

1.4 周圍土壤條件

（a）土壤成分。決定周圍土壤的介電常數(shù)和電導(dǎo)率，進(jìn)而決定反射系數(shù)和反射波振幅，同時也決定電磁波波速以及波形。特定介質(zhì)中的波速和相對介電常數(shù)隨介質(zhì)含水量不同發(fā)生較大變化，較大的波速值對應(yīng)于不飽和介質(zhì)。

（b）含鹽度。土壤含鹽度越高，其介電常數(shù)和電導(dǎo)率越大。

（c）含水率。地下水位越高，土壤含水率越高，其介電常數(shù)和電導(dǎo)率越大。

（d）土壤均勻性與土壤密實度。影響電磁波的衰減程度以及波形明顯程度。回填土壤成分不均勻、密實度小，易產(chǎn)生漫反射且吸收系數(shù)大，異常波形不明顯；而均勻性和密實度較好的土壤，異常波形較為明顯。

（e）管線管材。決定目標(biāo)體的介電常數(shù)。金屬管的波形更為清晰，表明與非金屬體相比，金屬體與周圍介質(zhì)的電性差異較大，反射波振幅更強。管線反射波振幅強弱依次為：金屬管線＞水泥管＞塑料管。

2 遇到的問題及應(yīng)對方法

2.1 遇到問題的種類

2.1.1 低電導(dǎo)率土壤（砂質(zhì)土壤，含水少的土壤）

介質(zhì)特征為低吸收+高波速，波形特征為粗寬而明顯，如圖1所示。

圖1 低電導(dǎo)率土壤反射波波形

2.1.2 地面干擾

接觸網(wǎng)立柱如路燈、架空電纜等引起的干擾現(xiàn)象，這種有規(guī)律的強大反射多是地面或空中的電磁源引起的。如圖2所示，通過斜率計算波速為3 000 m/ns判斷為環(huán)境干擾。

2.1.3 周邊地下管線反射波

如電纜線的強反射波等，這種現(xiàn)象造成的多層反射波，如圖3所示。

圖2 地面干擾反射波波形

圖3 周邊地下管線發(fā)射波波形

2.2 應(yīng)對方法

2.2.1 對地質(zhì)雷達(dá)探測效果影響較大的另一個物性參數(shù)是電導(dǎo)率

電導(dǎo)率是介質(zhì)電阻率的倒數(shù)，反映介質(zhì)的導(dǎo)電能力。因我們探測目標(biāo)周圍的介質(zhì)電阻率是各不相同的，所以不同介質(zhì)的電導(dǎo)率差異較大，總的來說，介質(zhì)的電導(dǎo)率越高衰減越大，電磁波傳播距離越近。

地下介質(zhì)電導(dǎo)率的變化范圍為10-9～4 s/m，主要受地下介質(zhì)的含水率及黏土含量的影響。由于電磁波在導(dǎo)電介質(zhì)中的衰減，電磁波難以在高電導(dǎo)率介質(zhì)中傳播，一般的，如果地下介質(zhì)的電導(dǎo)率高于0.01 s/m時，不宜使用地質(zhì)雷達(dá)。

電導(dǎo)率在不同地段差別往往很大，通過電導(dǎo)率把常見介質(zhì)的地質(zhì)雷達(dá)探測應(yīng)用效果進(jìn)行分類：

有線電視網(wǎng)絡(luò)資源管理系統(tǒng)的建設(shè)是一項長期的工程，且建設(shè)過程中涉及各方面的問題，而網(wǎng)絡(luò)普查和數(shù)據(jù)錄入作為系統(tǒng)建設(shè)的關(guān)鍵因素，需要在設(shè)計系統(tǒng)前來完成，從而對網(wǎng)絡(luò)資源的類型、規(guī)模、數(shù)量以及使用情況有基本調(diào)查。通常選擇代表性較強的網(wǎng)絡(luò)資源作為普查試點，其目的是對普查工作在裝備、成本等方面有足夠的了解，做好普查工作的協(xié)調(diào)分工，從而有效發(fā)揮公司內(nèi)部工作的職能，促進(jìn)有線電視網(wǎng)絡(luò)資源普查的科學(xué)性和可靠性。

（a）在低電導(dǎo)率（小于10-7s/m）介質(zhì)中，應(yīng)用效果較好，如空氣、干的花崗巖、灰?guī)r、混凝土、瀝青等；

（b）在中電導(dǎo)率（10-7～10-2s/m）介質(zhì)中，應(yīng)用效果一般，如純凈水、純凈水冰、雪、砂、泥砂、干黏土、干的玄武巖、海冰等；

（c）在高電導(dǎo)率（大于10-2s/m）介質(zhì)中，應(yīng)用效果較差，如濕黏土、濕頁巖、海水等。

對于低電導(dǎo)率土壤可以通過更換不同頻率的天線并采用合適的采樣頻率來調(diào)整探地雷達(dá)的波速，從而獲取精確的雷達(dá)解析圖像。

2.2.2 對于地面干擾所造成的雷達(dá)解析圖像

對于地面干擾所造成的雷達(dá)解析圖像產(chǎn)生的大面積干擾波，探地雷達(dá)地面干擾波特征非常明顯，在雷達(dá)波面上很容易識別出來，它主要有以下幾個特點：

（b）存在多次反射。由于電磁波在空氣中的衰減小、傳播速度快，再加上反射系數(shù)大、能力強，往往會形成多次反射波。這種特征在采集時窗時比較明顯。

（c）幾何形體特殊。由于地面干擾物一般有三種類型，即點狀、線狀和面狀，這三種形狀的物體在雷達(dá)剖面上無非形成兩種集合形態(tài)的干擾波，點狀、線狀物體一般都形成雙曲線形態(tài)反射波，而面狀物體往往形成與剖面有一定夾角的直線形態(tài)。

雖然探地雷達(dá)地面干擾波的外表特征非常明顯，但是頻率特征和地下反射波并沒有區(qū)別，采用一般頻率域濾波無法將其消除，由于地面干擾波是在空氣中傳播的，其傳播速度和地下反射波在地下的傳播速度差別很大，因此其二維頻譜的差異就比較大，采用二維濾波可以很好地將其消除。

2.2.3 對于周邊地下管線造成的強反射波造成的無法正常識別圖像

對于周邊地下管線造成的強反射波造成的無法正常識別圖像，可在圖上標(biāo)注管線位置以方便業(yè)內(nèi)分析時明確為管線反射波造成的問題。

3 正常圖像的解析

3.1 現(xiàn)場采集的花崗巖孤石的雷達(dá)圖像

從現(xiàn)場采集的孤石圖例（圖4）看，孤石呈雙拋物線形，深度在地下14～16 m范圍，已鉆孔驗證。但從波形上很難準(zhǔn)確判斷出是否孤石。因為經(jīng)計算其介電常數(shù)與周邊介質(zhì)的介電常數(shù)比較相近。存在著多解性。只能試圖從圖形上大致判斷出孤石的存在可能性。

圖4 花崗巖孤石反射波波形

3.2 盾構(gòu)區(qū)間內(nèi)探地雷達(dá)探測的圖形

依據(jù)已采集的雷達(dá)圖形（圖5），判定其圖形呈雙拋物線形，處于地下12～13 m范圍內(nèi)。存在孤石的可能性。

圖5 盾構(gòu)區(qū)間雷達(dá)圖形

4 結(jié)語

目前探地雷達(dá)在我公司施工前期探測障礙物已作了大量的工作，并受到施工方及業(yè)主方的重視，但其應(yīng)用技術(shù)水平仍處于初級階段，還有許多問題值得總結(jié)、提高、研究、解決。

在用探地雷達(dá)作障礙物探測時，探測人員有必要學(xué)習(xí)、熟悉探測對象的基本情況、施工技術(shù)、規(guī)范及有問題段的處理辦法（或不需處理的原因和規(guī)定），對這些越熟悉，就越不容易出錯，探測水平會更高。例如，作盾構(gòu)區(qū)間探測時，有必要搞清概念、出現(xiàn)原因、工程處理（或不處理）的原則。

在實施探測的同時，可對采集到的雷達(dá)波形進(jìn)行粗略判斷，如發(fā)現(xiàn)異常狀況，應(yīng)反復(fù)探測并采用不同的探測方式（點測和連續(xù)探測），從而確保探測的準(zhǔn)確性。

采用100 MHz天線可對土層下方15～20 m范圍內(nèi)的地質(zhì)狀況作出較好的判斷，不同的不良地質(zhì)狀況，可能有相似的雷達(dá)圖像，因此，結(jié)合地質(zhì)報告，可以提高判斷的準(zhǔn)確性。

地質(zhì)雷達(dá)是一種正在不斷發(fā)展的無損探測技術(shù)，對不良地質(zhì)狀況的探測效果良好，與其他物探方法一樣，資料都有多解性，準(zhǔn)確率不可能達(dá)到百分之百。對其資料的定性解釋應(yīng)當(dāng)慎重、多思，從而積累大量的實際經(jīng)驗，有必要考慮用其他方法作輔助。