孟云霞

（山西省煤炭地質(zhì)115勘查院，山西大同037003）

1 概述

地質(zhì)雷達(dá)（Georadar）也叫探地雷達(dá)（Ground ene?trating Radar），地質(zhì)雷達(dá)主要用于無(wú)損檢測(cè)以及淺層隱蔽物調(diào)查。隨著理論研究、正演模擬、處理解釋技術(shù)的不斷提高，地質(zhì)雷達(dá)的應(yīng)用效果不斷得到證實(shí)。主要有可連續(xù)、無(wú)損地、高效探測(cè)，儀器操作以及處理流程簡(jiǎn)單、精度高等優(yōu)點(diǎn)[1]。在隧洞超前探測(cè)方面，通過(guò)歸納地質(zhì)等效介電常數(shù)，可以更清晰地識(shí)別隧洞掌子面[2-3]；同樣，在調(diào)查機(jī)場(chǎng)地基加固厚度的變化情況和其他人類硬化工程隱患中地質(zhì)雷達(dá)的探測(cè)效果也取得很好的效果[4]；在隱蔽性管線、暗道暗渠等方面的調(diào)查應(yīng)用較多，效果較好[5-6]。此外，地質(zhì)雷達(dá)也可以用于在地下工程中地下水發(fā)育情況、土壤濕度測(cè)定、垃圾場(chǎng)調(diào)查、采空區(qū)及熔巖裂隙調(diào)查、古建筑保護(hù)及考古等的調(diào)查等。

在地基處理前，需要勘查基坑情況。長(zhǎng)治市某建筑的地基選在以前開(kāi)挖的雙層地洞上部。為排除潛在危險(xiǎn)，給地基處理提供依據(jù)，需要查清楚地洞的分布情況。選擇地質(zhì)雷達(dá)對(duì)洞體的展布進(jìn)行調(diào)查。本文基于地質(zhì)雷達(dá)對(duì)地洞展布情況調(diào)查，針對(duì)金屬干擾進(jìn)行濾波，取得良好效果。并對(duì)地質(zhì)雷達(dá)參數(shù)選取、采集、數(shù)據(jù)處理解釋等進(jìn)行分析。由于地質(zhì)情況復(fù)雜，干擾嚴(yán)重，加大了數(shù)據(jù)的處理解釋的難度。

2 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

2.1 地質(zhì)概況

調(diào)查區(qū)屬于市區(qū)邊緣，位于某政府建筑旁邊，民宅零散分布，地下遺留有2層人工地洞。洞體寬0.8～1.2m不等，高度1.4m左右，沒(méi)有固定走向和埋深，叉洞多，總體上縱橫交錯(cuò)。2層洞大致深度分別為3m與6m，最深處可達(dá)8m，其中3m以上的洞體基本挖除，第二層洞體從探查基準(zhǔn)面（基坑底面）開(kāi)始，深度在3m左右。調(diào)查區(qū)地下潛水位較淺，主要在2～4m左右，基坑開(kāi)挖2m之后，部分區(qū)域地下水出露，基坑表有積水。這不僅給采集帶來(lái)困難，還因電性不均勻造成干擾。另外，基坑內(nèi)挖掘機(jī)、抽水車、鉆機(jī)以及金屬堆積分布較多，對(duì)天線造成嚴(yán)重干擾，給數(shù)據(jù)處理帶來(lái)困難。本次調(diào)查目的在于查清洞體在平面上的分布情況，為地基處理提供依據(jù)。

2.2 采集參數(shù)

本次探測(cè)使用俄羅斯OKO-2地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，配屬50MHZ的蛇形屏蔽天線進(jìn)行探測(cè)。本儀器掃描樣點(diǎn)數(shù)Samples/Scan有128、256、512可供選；時(shí)窗有50、100、200、400、800、1600ns可選擇。參數(shù)的選取主要依據(jù)介電常數(shù)、電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率以及探測(cè)深度。試驗(yàn)對(duì)比50和150MHz的2種天線采集效果，150MHz天線分辨率高但探測(cè)深度滿足不了需求，因此50MHz蛇形天線效果較好。時(shí)窗范圍：800ns，采樣率：512樣點(diǎn)/掃描，疊加次數(shù)：20次，探測(cè)深度可達(dá)0～8.0m。

在儀器選取時(shí)必須要考慮的是分辨率。水平及垂直分辨率與相對(duì)電介質(zhì)常數(shù)（介電常數(shù)）及磁導(dǎo)率有關(guān)，但主要取決于天線中心頻率。垂直分辨率在相對(duì)電介質(zhì)常數(shù)為0～5之間時(shí)增加劇烈，在10～50之間增加小并且趨于平穩(wěn)；水平分辨率取決于第一菲涅爾半徑，它隨深度增加而降低，隨電介質(zhì)增加先快速增大，后趨平穩(wěn)。電磁波在大多數(shù)情況下都可以以水平面波形式疊加。電磁波與地震波傳播機(jī)制雖然存在差別，但它們對(duì)異常情況的響應(yīng)一致，并且均滿足snail定理，因此地質(zhì)雷達(dá)資料處理方式總體與地震資料處理相似。但由于地質(zhì)雷達(dá)極高頻、短波場(chǎng)發(fā)射，因此衰減快，探深淺，處理與解釋精度要求高，因此難度也大。帶寬計(jì)算依據(jù)最大功率對(duì)應(yīng)的中心頻率衰減3dB后最大與最小頻率差[7]。探測(cè)深度與頻率的選?。侯l率提高，點(diǎn)介質(zhì)常數(shù)磁導(dǎo)率加大，衰減增大，探深變小。

探測(cè)深度依據(jù)電場(chǎng)、磁場(chǎng)和電磁波三者在傳播方向上總是相互垂直的特點(diǎn)來(lái)選擇中心頻率，依據(jù)探測(cè)深度與分辨要求，滿足分辨的情況下盡量選擇低頻[8-9]。時(shí)窗選取過(guò)小則采樣不全，太大則降低垂向分辨率。一般選取探測(cè)深度H為目標(biāo)深度的1.5倍。根據(jù)探測(cè)深度H和介電常數(shù)ε確定采樣時(shí)窗長(zhǎng)度Range（ns）：

表1是常見(jiàn)地表介質(zhì)的介質(zhì)屬性。

表1 不同介質(zhì)電磁波傳播速度

3 數(shù)據(jù)采集

3.1 試驗(yàn)

3.1.1 時(shí)窗試驗(yàn)

時(shí)窗即對(duì)比是2種不同頻率的天線的采集效果對(duì)比。地質(zhì)雷達(dá)具有高效高頻高分辨率的特點(diǎn)，同時(shí)其衰減也十分迅速，要求調(diào)查中對(duì)勘探深度、分辨率和激發(fā)頻率和時(shí)窗四者匹配。在采集之前，依據(jù)探測(cè)目標(biāo)地洞大致深度進(jìn)行不同時(shí)窗范圍調(diào)試，在800ns時(shí)，天線對(duì)5～8m的異常體識(shí)別較清晰，洞體頂?shù)捉缑婺墚a(chǎn)生清晰的反射波，兩壁側(cè)面干擾波明顯。為查明防空洞的平面展布情況，將測(cè)線分為東西和南北2種走向，測(cè)量定點(diǎn)后，在測(cè)線之間以麻繩作為引導(dǎo)天線拖曳發(fā)方向并確保其不偏移。

從試驗(yàn)資料可以看出150MHz的天線對(duì)薄層顯示明顯，同相軸較細(xì)，對(duì)于1.5m內(nèi)的淺層目標(biāo)，選取150MHz的***天線可以清晰調(diào)查出地下異常，能滿足工程目的。50MHz的天線原始記錄對(duì)于淺層和深層反映均較明顯，但分辨率明顯低于150MHz天線。選取50MHz天線，對(duì)5m探測(cè)深度以內(nèi)的地質(zhì)情況進(jìn)行探測(cè)。150MHz和50MHz兩種可選雷達(dá)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比，具體如圖1、圖2所示。

圖1 150MHz天線原始數(shù)據(jù)

圖2 50MHz天線原始記錄

3.1.2 目標(biāo)異常和金屬堆干擾特征

地震波對(duì)不同地質(zhì)構(gòu)造響應(yīng)不同，干地質(zhì)雷達(dá)電磁波對(duì)不同洞體響應(yīng)也不同。為了解各種異常特征，為處理過(guò)程中消除擾波做鋪墊，在正式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集之前，選擇洞體出露、存在多種干擾的地方進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)洞體異常以及各種干擾的響應(yīng)進(jìn)行識(shí)別。工區(qū)需要了解洞體異常響應(yīng)、基坑開(kāi)挖壁響應(yīng)以及地表堆積金屬的異常響應(yīng)，具體見(jiàn)圖3。

50MHz天線能很好識(shí)別該區(qū)洞體，而且各種干擾的響應(yīng)特征也十分明顯。從圖3可以看出，該試驗(yàn)線第二層洞體主要在基坑以下3～4m處。洞體的異常響應(yīng)有2個(gè)特點(diǎn)：（1）洞頂電磁波反射曲線向上彎曲；（2）洞壁兩側(cè)有洞壁側(cè)面波，主要呈“V”形分布于洞體兩側(cè)。原始數(shù)據(jù)上，干擾波種類較多，能量較強(qiáng)。主要有規(guī)則干擾（單頻干擾外）波、側(cè)面干擾波以及金屬堆積物的干擾波。規(guī)則干擾的特征為平行而短小的同相軸，自上而下出現(xiàn)；側(cè)面波主要來(lái)自洞體側(cè)面以及基坑施工壁，主要呈傾斜同相軸的形式出現(xiàn)；金屬堆積物的干擾在測(cè)線方向上表現(xiàn)為較強(qiáng)能量的同相軸，若沿測(cè)線分布的金屬延伸較長(zhǎng)，則同相軸平行分布，自上而下能量較強(qiáng)。試驗(yàn)對(duì)了解異常以及后期針對(duì)性的消除干擾波存在較大意義。

圖3 干擾波及洞體異常特征

3.2 數(shù)據(jù)處理分析解釋

圖4 異常區(qū)原始（上）和處理剖面（下）

在采集之前，必須對(duì)測(cè)線兩端進(jìn)行定點(diǎn)測(cè)量，以保證測(cè)線兩端的位置。測(cè)線中間用測(cè)繩連接，以保證雷達(dá)不偏離測(cè)線。為保證剖面長(zhǎng)度的準(zhǔn)確性，采用測(cè)距輪進(jìn)行測(cè)量。

對(duì)于洞體異常十分突出的資料只需簡(jiǎn)單歸位，洞體異常難以識(shí)別的資料則需消除各種干擾波，突出信號(hào)才能準(zhǔn)確找到洞體位置。為此，針對(duì)本區(qū)地下水位淺、金屬干擾強(qiáng)以及基坑側(cè)面波干擾嚴(yán)重等特點(diǎn)，對(duì)資料進(jìn)行如下處理：靜校切除、振幅增益、減背景、減均值、濾波、反褶積。在處理過(guò)程中，為使處理資料更好，可以對(duì)部分流程重復(fù)操作。經(jīng)過(guò)處理后洞體異常區(qū)得以突出，側(cè)面波大部分消除，如圖4所示。

采集分析結(jié)束后，對(duì)所有剖面進(jìn)行處理后，將各測(cè)線異常（空洞）區(qū)解釋出來(lái)，標(biāo)出空洞位置和深度。在已繪制成的測(cè)線分布圖上，將異常區(qū)附到測(cè)線上，生成空洞平面分布圖，如圖5所示。由圖5可知，地下洞體具有一定展布規(guī)律，相互連續(xù)。不足之處在于測(cè)線密度不高，不能精細(xì)測(cè)出洞體展布情況。

4 結(jié)論

（1）在滿足分辨率和探測(cè)深度的前提下，地質(zhì)雷達(dá)在地下雙洞體調(diào)查中可取得效果。在用地質(zhì)雷達(dá)調(diào)查地下隱蔽物體時(shí)，先找到異常體出露位置進(jìn)行試驗(yàn)，了解其信號(hào)響應(yīng)特點(diǎn)；其次應(yīng)該在干饒區(qū)進(jìn)行試驗(yàn)，了解干擾特點(diǎn)。這在數(shù)據(jù)處理和解釋中具有較大意義。

（2）地質(zhì)雷達(dá)調(diào)查過(guò)程中需要注意幾個(gè)問(wèn)題是：洞體異常的響應(yīng)特點(diǎn)；洞體深度和于激發(fā)頻率的匹配，即激發(fā)頻率應(yīng)當(dāng)滿足分辨率和探測(cè)深度的要求；覆蓋次數(shù)和采樣率的匹配；對(duì)測(cè)線方向的把控以及測(cè)量起始點(diǎn)的準(zhǔn)確性對(duì)于處理解釋異常體的位置歸位十分重要。

（3）對(duì)地下水位淺、金屬干擾嚴(yán)重的地質(zhì)雷達(dá)資料，進(jìn)行靜校切除—振幅增益—減背景—減均值—濾波—反褶積等處理，可以很好消除干擾信號(hào)，突出洞體反射信息。為達(dá)到良好處理結(jié)果，可以重復(fù)上述某些步驟。