吳青 龔智敏 李曉曉

摘 要：文章介紹了探地雷達(dá)法探測(cè)技術(shù)的原理，并依工程實(shí)例為背景，重點(diǎn)針對(duì)灰?guī)r巖體中破碎區(qū)域在雷達(dá)圖像上的特征進(jìn)行解析。結(jié)果表明，巖石破碎區(qū)在雷達(dá)圖像上特征明顯，具有較明顯的反應(yīng)，探地雷達(dá)法對(duì)灰?guī)r巖石破碎區(qū)探測(cè)具有較好的實(shí)用性。

關(guān)鍵詞：灰?guī)r巖體 探測(cè) 探地雷達(dá) 巖石破碎區(qū)

中圖分類號(hào)：P631 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）10（a）-0024-02

探地雷達(dá)法作為一種高效、便捷的無(wú)損探測(cè)手段，在巖土工程和混凝土工程中廣泛應(yīng)用。但其應(yīng)用前景尚存在潛在威脅，即雷達(dá)圖像解釋的準(zhǔn)確性。眾所周知，雷達(dá)圖像的解釋工作具有很大的主觀性，解釋結(jié)果的準(zhǔn)確與否和解釋人員對(duì)異常的識(shí)別能力有很大關(guān)系。雖然關(guān)于探地雷達(dá)法的測(cè)試規(guī)程規(guī)范較多，但多涉及操作層面，尤其在巖體探測(cè)方面，關(guān)于各種缺陷體的雷達(dá)圖像特征描述較少，缺少規(guī)范性的條文，造成同樣的圖像，不同的人判讀，結(jié)果存在差異。巖體破碎區(qū)是巖體中常見(jiàn)的不良地質(zhì)體，該文根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，對(duì)灰?guī)r巖體中破碎區(qū)在雷達(dá)圖像特征進(jìn)行分析總結(jié)，望對(duì)提高雷達(dá)解釋的準(zhǔn)確性產(chǎn)生一定的意義。

1 原理

探地雷達(dá)法（Ground Penetrating Radar Method）是利用發(fā)射天線向目標(biāo)體發(fā)射高頻脈沖電磁波，由接收天線接收目標(biāo)體的反射電磁波，探測(cè)目標(biāo)體空間位置和分布的一種地球物理探測(cè)方法。其實(shí)際是利用目標(biāo)體及周圍介質(zhì)的電磁波的反射特性，對(duì)目標(biāo)體內(nèi)部的構(gòu)造和缺陷（或其他不均勻體）進(jìn)行探測(cè)。

探地雷達(dá)通過(guò)雷達(dá)天線對(duì)隱蔽目標(biāo)體進(jìn)行全斷面掃描的方式獲得斷面的垂直二維剖面圖像，工作示意圖見(jiàn)圖1。具體工作原理是：當(dāng)雷達(dá)系統(tǒng)利用天線向地下發(fā)射寬頻帶高頻電磁波，電磁波信號(hào)在介質(zhì)內(nèi)部傳播時(shí)遇到介電差異較大的介質(zhì)界面時(shí)，就會(huì)發(fā)生反射、透射和折射。兩種介質(zhì)的介電常數(shù)差異越大，反射的電磁波能量也越大；反射回的電磁波被與發(fā)射天線同步移動(dòng)的接收天線接收后，由雷達(dá)主機(jī)精確記錄下反射回的電磁波的運(yùn)動(dòng)特征，再通過(guò)信號(hào)技術(shù)處理，形成全斷面的掃描圖，工程技術(shù)人員通過(guò)對(duì)雷達(dá)圖像的判讀，判斷出地下目標(biāo)物的實(shí)際結(jié)構(gòu)情況。

電磁波的傳播取決于介質(zhì)的電性，介質(zhì)的電性主要有電導(dǎo)率μ和介電常數(shù)ε，前者主要影響電磁波的穿透（探測(cè)）深度，在電導(dǎo)率適中的情況下，后者決定電磁波在該物體中的傳播速度。不同的地質(zhì)體（物體）具有不同的電性，因此，在不同電性的地質(zhì)體的分界面上，都會(huì)產(chǎn)生回波?；灸繕?biāo)體探測(cè)原理見(jiàn)圖2。

2 工程概況

荊門某建筑地基：場(chǎng)區(qū)位于新華夏系第二沉降帶漢江地西北緣與淮陽(yáng)山字型構(gòu)造前弧西翼的交接地帶，屬于荊山余脈的傾末端，擬建場(chǎng)地為丘陵區(qū)沖溝地貌。場(chǎng)地現(xiàn)為白龍山山坡及溝谷地，場(chǎng)地經(jīng)過(guò)清表，地勢(shì)呈北高南低的山坡。場(chǎng)地巖土層劃分為三層，第一層為第四系雜填土層，第二層為第四系上更新統(tǒng)粉質(zhì)粘土層，第三層為二疊系石灰?guī)r風(fēng)化層。檢測(cè)面為灰白色灰?guī)r，較完整。

桐木園隧道：隧址區(qū)位于我國(guó)東部的新華夏系第三隆起帶的中南段和長(zhǎng)江中下游東西向構(gòu)造西段的延伸部分，二者彼此干擾，構(gòu)造格局較復(fù)雜。隧道穿越山體山勢(shì)總體呈中間高，兩端逐漸低緩趨勢(shì)，隧道走向呈北西～南東向，沿線地形復(fù)雜，所經(jīng)之處山巒疊嶂，地形起伏較大，地勢(shì)陡峻。本隧道為長(zhǎng)隧道，穿越山體地層情況較復(fù)雜，穿越煤系地層、斷層破碎帶（寬約20 m）、巖溶區(qū)。隧道掌子面由塊狀孤石的堆積而成，灰?guī)r，土黃色，孤石間存在較大的空隙；掌子面左部由泥土填充，較濕潤(rùn)。

3 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)

檢測(cè)前清理檢測(cè)面，使檢測(cè)面為平整且裸露的巖體；清除探測(cè)范圍內(nèi)高電導(dǎo)性物體，盡量減少干擾信號(hào)源。

選擇合適天線型號(hào)，保證天線發(fā)射的電磁波的穿透能力能滿足探測(cè)深度的要求。本檢測(cè)項(xiàng)目中，選用250 MHz屏蔽天線對(duì)荊門某地基進(jìn)行探測(cè)，選用100 MHz屏蔽天線對(duì)桐木園隧道進(jìn)行探測(cè)。主機(jī)采用瑞典MALA ProEx型主機(jī)。其設(shè)備參數(shù)見(jiàn)下表1。

注：以上參數(shù)在低電導(dǎo)率的介質(zhì)中測(cè)定，部分介質(zhì)電導(dǎo)率見(jiàn)表2。

c為電磁波在介質(zhì)中的電磁波速，不同介質(zhì)中的電磁波速見(jiàn)表2。

4 結(jié)果及分析

4.1 荊門某建筑地基

圖3為雷達(dá)檢測(cè)結(jié)果灰度圖，從雷達(dá)圖像上可看出：水平向0.6～6.0 m，豎直向4～44 ns范圍內(nèi)反射信號(hào)振幅強(qiáng)，頻率集中為中低頻，同向軸不連續(xù)，呈孤立體形狀，推測(cè)該區(qū)巖體破碎。開(kāi)挖驗(yàn)證表明該區(qū)域范圍內(nèi)巖石破碎、存在少量夾泥，開(kāi)挖后地質(zhì)情況見(jiàn)圖4。

圖5為雷達(dá)檢測(cè)結(jié)果灰度圖，從雷達(dá)圖像上可看出：水平向0.4～4.0 m，豎直向32～108 ns范圍內(nèi)反射信號(hào)振幅強(qiáng)，頻率為低頻，同向軸連續(xù)，呈層面體，有多次反射，推測(cè)該區(qū)域夾泥或巖體含水。開(kāi)挖驗(yàn)證表明該區(qū)域范圍內(nèi)為碎石，碎石間填充淤泥，淤泥含水偏大，開(kāi)挖后地質(zhì)情況見(jiàn)圖6。

4.2 桐木園隧道

圖7為雷達(dá)檢測(cè)結(jié)果波列圖，從雷達(dá)圖像上可看出：水平向0～8 m，豎直向0～300 ns范圍內(nèi)反射信號(hào)振幅強(qiáng)，頻率為中低頻，同向軸整體不連續(xù)，局部較連續(xù)，呈層面體，有多次反射，推測(cè)掌子面前方巖體破碎，有較大空隙，巖體可能較潮濕。開(kāi)挖驗(yàn)證表明該區(qū)域?yàn)槿芏炊吹祝捎诙错斔?，洞底堆積較大多石塊，開(kāi)挖后地質(zhì)情況見(jiàn)圖8。

5 結(jié)論

（1）由于破碎區(qū)巖體存在較多空隙，電磁波在巖體與空隙的交界面處容易發(fā)生反射。因此地質(zhì)雷達(dá)法可用于灰?guī)r巖體破碎區(qū)域的探測(cè)，且具有較好的實(shí)用性。

（2）雷達(dá)圖像上，巖石破碎區(qū)表現(xiàn)為強(qiáng)振幅，信號(hào)頻率為中低頻，同向軸形狀與破碎區(qū)域形態(tài)有關(guān)，一般區(qū)域化分布。破碎區(qū)域與周圍完整巖體有明顯差異。若破碎區(qū)域填充較多淤泥或含水率偏大時(shí)，信號(hào)頻率以低頻為主，且存在多次反射。

（3）雷達(dá)圖像對(duì)尺寸較小的破碎區(qū)域不敏感，不易被發(fā)覺(jué)。當(dāng)破碎區(qū)域沿測(cè)線方向的長(zhǎng)度小于所設(shè)置的道間距時(shí)，無(wú)法對(duì)其進(jìn)行雷達(dá)成像。

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