劉 蕊，楊光升，黃興華，李 德

1中國石油天然氣管道工程有限公司，河北 廊坊

2中國石油管道局工程有限公司國際事業(yè)部，河北 廊坊

1. 引言

地質(zhì)雷達(dá)(Ground Penetrating Radar，簡稱GPR)，又叫探地雷達(dá)，是一種快速無損的地球物理探測技術(shù)，最早在1910 年由德國科學(xué)家提出利用電磁波探測地下目標(biāo)體分布特征的概念理論，直到1970 年美國地球物理探測設(shè)備公司(Geophysical Survey System Inc.，簡稱GSSI)生產(chǎn)出第一臺商業(yè)性質(zhì)的地質(zhì)雷達(dá)。近些年來，地質(zhì)雷達(dá)探測技術(shù)在探測方法和儀器研制等方面有了較大的發(fā)展，其探測范圍、成像分辨率、探測準(zhǔn)確度等不斷擴(kuò)大和提高，已廣泛應(yīng)用于巖土工程勘察、工程質(zhì)量無損檢測、水文地質(zhì)調(diào)查、城市地下管網(wǎng)普查、文物及考古探測等眾多領(lǐng)域，取得了顯著的質(zhì)量效果和經(jīng)濟(jì)效益。本文以中國石油管道局工程有限公司在阿曼拉斯瑪卡茲原油儲罐工程中進(jìn)行地下巖溶空洞勘察和處理為例，闡述了地質(zhì)雷達(dá)在油氣工程建設(shè)中應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn)。

2. 地質(zhì)雷達(dá)探測技術(shù)介紹

2.1. 探測原理

地質(zhì)雷達(dá)探測是以地下不同介質(zhì)的介電常數(shù)差異為基礎(chǔ)的一種回聲測深方法。它通過發(fā)射天線向地下發(fā)射電磁波，主頻為數(shù)十兆赫至數(shù)百以至千兆赫，電磁波在地下介質(zhì)中傳播時遇到存在電性差異的介質(zhì)分界面時會發(fā)生反射，反射波傳回地表后被接收天線所接收，并將其傳入主機(jī)進(jìn)行記錄和顯示，根據(jù)接收到的電磁波波形、振幅強(qiáng)度、幾何形態(tài)和時間變化等特征，經(jīng)過分析處理和反演解釋，推斷探測區(qū)域范圍內(nèi)的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造和異常體的分布情況。

雷達(dá)天線包括發(fā)射天線和接收天線，當(dāng)發(fā)射的電磁波在傳播過程中遇到電性差異的不同介質(zhì)發(fā)生反射時，其反射強(qiáng)度由如下公式[1]計(jì)算：

其中，R 為電磁波反射系數(shù)，ε1和ε2為兩種介質(zhì)的相對介電常數(shù)。探測深度由如下兩個公式[2]確定：

c 為真空中的光速，t 為雷達(dá)反射波的雙程傳播時間。υ 為電磁波在介質(zhì)中的傳播速度，主要取決于介質(zhì)的相對介電常數(shù)。相對介電常數(shù)rε 是介質(zhì)的介電常數(shù)與空氣介電常數(shù)的比值，范圍為1 (空氣)至81 (水)。工程勘察中常見介質(zhì)的相對介電常數(shù)見表1。

Table 1. The relative permittivity of common media 表1. 常見介質(zhì)的相對介電常數(shù)

通過對反射波的檢測、分析，就可確定地下不同介質(zhì)的空間位置、結(jié)構(gòu)、形態(tài)和埋藏深度，可以提前發(fā)現(xiàn)隱伏在地下的危險空洞隱患，提前預(yù)警，在災(zāi)難發(fā)生前及時采取措施維修處治。

2.2. 應(yīng)用范圍

由于地層對電磁波的衰減隨工作頻率的升高而增大，因此低頻段多用于探測衰減較大的地下目標(biāo)或遠(yuǎn)距離目標(biāo)，高頻段多用于探測衰減較小的地層、淺部或表面勘測。中間頻段既有較大的探測距離又兼顧了分辨率，所以多用于普查勘探，而高頻段和低頻段儀器多用于詳查、精查勘探或針對性較強(qiáng)的探測。

同時，由于雷達(dá)波對物體的電磁特性敏感，因此其主要用途在于探測結(jié)構(gòu)組成、內(nèi)部缺陷等，例如可采用雷達(dá)波技術(shù)探查地下管線、電纜、光纖等分布情況，也可探測地面下的孔洞和淺層的地層結(jié)構(gòu)，以及探測混凝土結(jié)構(gòu)中的孔洞和裂縫等缺陷損傷的位置和范圍，多用于質(zhì)量驗(yàn)收和日常維護(hù)等。

2.3. 工作流程

通常，地質(zhì)雷達(dá)的工作流程分如下5 步：1) 對目標(biāo)體特征與所處環(huán)境進(jìn)行分析，建立測區(qū)坐標(biāo)，布置測網(wǎng)；2) 選擇測量參數(shù)，包括設(shè)置天線中心頻率、采樣率等；3) 建立測區(qū)目標(biāo)體的地質(zhì)雷達(dá)圖像特征； 4) 確定地層的電磁波速度；5) 完成實(shí)地測量，整理報告[3]。

2.4. GRP 數(shù)據(jù)收集和處理

地質(zhì)雷達(dá)涉及大量信息的收集，但并非所有收集到的信息都具有工程意義。數(shù)據(jù)分析前先要了解被調(diào)查地層的主要介質(zhì)情況并確定其基本條件特征，然后識別其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和條件的變化，有條件的話還要與其他區(qū)域調(diào)查的類似結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較，從而才能夠繪制出準(zhǔn)確的重要特征。

通過組合分析地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)中下面三個主要變量，可以確定地下介質(zhì)的分布情況：

· 從介質(zhì)內(nèi)部和分界面反射的信號的振幅、相位和速度，可獲得介質(zhì)材料類型的信息；

· 從收集到的信號的連續(xù)性可分析出介質(zhì)形狀；

· 從電磁波通過介質(zhì)的傳播時間可獲得介質(zhì)層厚度或深度信息。

GRP 數(shù)據(jù)處理旨在優(yōu)化數(shù)據(jù)資料、突出目標(biāo)體、最大限度地減少外界干擾，為進(jìn)一步解釋提供清晰可辨的圖像，經(jīng)處理后的雷達(dá)反射波剖面圖可進(jìn)一步用于地質(zhì)現(xiàn)象解釋。

對所記錄下來的數(shù)據(jù)分析處理主要有下表2 所示的幾個階段：

· 初始校正

· 信號修復(fù)

· 動態(tài)修正

· 噪點(diǎn)消除

· 繪制頻譜圖

Table 2. The phases of GRP data analysis 表2. GRP 數(shù)據(jù)處理階段示例

3. 工程實(shí)例

3.1. 項(xiàng)目概況

阿曼拉斯瑪卡茲原油儲罐項(xiàng)目的建設(shè)場區(qū)位于阿曼中部省的東南部，東臨阿拉伯海，屬于海岸階地地貌。臨近海岸線附近存在明顯的陡崖，海拔相對于高程基準(zhǔn)面約105 m。罐區(qū)及主要建筑單體均位于階地上部，地表可見孤立的溶蝕和風(fēng)蝕殘丘，屬于典型的喀斯特地形，如下圖1 所示?？λ固氐匦螀^(qū)域沉積巖(通常是石灰?guī)r、白云巖或大理石)在地下水的作用下溶解，易形成地下洞穴和裂隙等，大的空洞可能導(dǎo)致突然災(zāi)難性的地面破壞，也可能造成漸進(jìn)的地面沉降，對于工程建設(shè)來說是重大安全風(fēng)險和質(zhì)量隱患。

Figure 1. Typical drawing of karst topography 圖1. 阿曼現(xiàn)場卡斯特地形典型圖

在工程前期利用鉆孔方式進(jìn)行地質(zhì)勘察時，鉆孔過程中有不同程度的鉆桿突然快速下落以及鉆孔泥漿丟失現(xiàn)象，已證實(shí)了部分地下洞穴或裂隙的存在，但由于巖溶分布沒有規(guī)律，鉆探布孔較難掌握，且受鉆探工作量和成本的制約，單靠鉆探這種單一手段探測地下巖溶情況，從效率和經(jīng)濟(jì)上都難盡人意?？紤]到地下可能會有更多的溶洞(尤其是隱伏溶洞)會引起設(shè)施坍塌或地基沉降，遂決定采用地質(zhì)雷達(dá)物探技術(shù)進(jìn)行溶洞探測，以快速有效地查明巖溶發(fā)育帶，較準(zhǔn)確地判斷巖溶空洞的規(guī)模和分布情況，并采取相應(yīng)的處理措施。

根據(jù)本工程關(guān)鍵設(shè)施的坐標(biāo)位置，共測繪出分散分布的14 處主要位置，共約43,565 m2的面積大小，采用地質(zhì)雷達(dá)對其進(jìn)行淺層地表下可能存在的空洞進(jìn)行探測和記錄。

3.2. 現(xiàn)場探測

3.2.1. 探測設(shè)備選擇

采用美國地球物理探測設(shè)備公司(GSSI)所生產(chǎn)的儀器，型號為SIR3000 數(shù)字雷達(dá)探測儀，工作主頻為200 MHz，時窗寬度為100 ns，有效探測深度為8 m。主要配件由筆記本電腦、控制面板、發(fā)射機(jī)、發(fā)射天線、接收天線、接收機(jī)、電纜及附件等。

3.2.2. 探測準(zhǔn)備及測線布置

地質(zhì)雷達(dá)探測前必須首先建立測區(qū)坐標(biāo)系統(tǒng)，以確定測線的平面位置，其測網(wǎng)和測線布置應(yīng)符合以下原則：

· 根據(jù)現(xiàn)場地形地物條件情況，使空氣中反射波盡量不影響要探測的目標(biāo)；

· 在探測之前，首先要對所探目標(biāo)區(qū)域的基本情況進(jìn)行充分調(diào)查，對目標(biāo)區(qū)域附近的地下埋設(shè)物(如電纜、管線、暗溝等)也要有較全面的了解，以便于與雷達(dá)探測的結(jié)果對比，以排除其他因素產(chǎn)生的影響；

· 應(yīng)盡量避開高壓電線、變電站等高頻電磁干擾較大的區(qū)域；

· 對于未知探測目標(biāo)走向，可采用布置正交的網(wǎng)格測線，測線間距由所需探測對象的大小而定；

· 根據(jù)分辨率要求確定測線或測網(wǎng)的密度；

· 如已知探測目標(biāo)的走向，可采用測線垂直目標(biāo)體的長軸的探測方式。

3.2.3. GPR 現(xiàn)場操作

本工程現(xiàn)場進(jìn)行雷達(dá)探測時，場地完成回填并已平整至設(shè)計(jì)標(biāo)高，上部覆蓋層已挖除，地面較平整，這為雷達(dá)探測提供了有利條件。

因?yàn)槔走_(dá)探測其剖面時速度有所變化，為確保采樣的一致性，選擇用圖2 所示的測量輪車模式來控制采集地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)的速度，此舉也可實(shí)時定位所探測到的信號特征。測量輪車在測量開始前進(jìn)需行校準(zhǔn)。

雷達(dá)設(shè)備以每米20 次掃描的速度工作，以確保在較短的測量長度內(nèi)也能提供足夠的數(shù)據(jù)密度。

Figure 2. GRP field operation 圖2. 地質(zhì)雷達(dá)探測現(xiàn)場操作

傳感器(包括天線發(fā)射機(jī)和接收機(jī))在地面上以受控的速度通過。短脈沖的無線電能量被傳輸?shù)降孛嬉韵虏⒃诮橘|(zhì)分界面處反射，如遇到空洞等異常，信號將被接收器檢測并記錄。這種方式的采樣非常迅速，收集到的數(shù)據(jù)實(shí)際上是一個連續(xù)的截面圖，能夠快速評估地下介質(zhì)的大致厚度和狀況。

3.3. GPR 結(jié)果釋義及影響效果因素分析

經(jīng)過地質(zhì)雷達(dá)對整個場地共14 處區(qū)域進(jìn)行測量，詳細(xì)記錄了測量范圍內(nèi)地下介質(zhì)的詳情，包括各異常點(diǎn)的坐標(biāo)、深度等。受篇幅所限，本文僅以第11 處位置的測量數(shù)據(jù)為例進(jìn)行分析，數(shù)據(jù)分析詳見圖3 所示。

地下介質(zhì)介電常數(shù)與周圍巖土層差異較大時，雷達(dá)波反射強(qiáng)烈，特征明顯，易于識別。地質(zhì)雷達(dá)在探測到地下空洞時，由于介質(zhì)為空氣，反射波形態(tài)垂向分辨性好，雷達(dá)圖像在空洞上下表面特征顯示較為明顯。為了更直觀的確定不良地質(zhì)條件的位置，地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)處理時對高振幅反射信號的位置進(jìn)行更加突出的顯示。所以，當(dāng)發(fā)現(xiàn)反射振幅顯著增加的區(qū)域可以被解讀為該處地面以下可能有空洞或有介質(zhì)材料的明顯變化。這些點(diǎn)在圖3 中以網(wǎng)紋線形式標(biāo)示了出來，不同的顏色和圖案類型標(biāo)示該異常點(diǎn)的不同深度。

需要注意，標(biāo)記為黑色網(wǎng)格線的這些高振幅反射區(qū)域，根據(jù)分析并不是由于空洞原因，而是其他因素造成的。這主要因?yàn)榈刭|(zhì)雷達(dá)技術(shù)所基于的電磁波理論實(shí)際上比較復(fù)雜，實(shí)際探測中會受到介質(zhì)性質(zhì)、目標(biāo)體性質(zhì)和尺寸、探測環(huán)境、儀器性能和技術(shù)經(jīng)驗(yàn)等因素的影響，尤其是當(dāng)巖體本身不均勻性比較嚴(yán)重或結(jié)構(gòu)面較發(fā)育，以及探測環(huán)境受干擾較大時，會嚴(yán)重影響其探測效果的準(zhǔn)確性。

Figure 3. GRP data analysis figure 圖3. 地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)分析圖

上圖3 給出了該探測區(qū)域(第11 區(qū))地質(zhì)雷達(dá)顯示異常的一個例子，其反射振幅的深度可按不同顏色分類如下：

· 深度小于2 米(洋紅色)

· 深度2～3 米(深藍(lán)色)

· 深度3 至4 米(淺藍(lán)色)

· 深度4～5 米(青色)

· 深度大于5 米(黑色)

下圖4 給出了一個高振幅反射數(shù)據(jù)的例子，表明可能有空洞存在，或者地下介質(zhì)層完整性較低。

Figure 4. Example of high amplitude reflection due to voiding 圖4. 空洞原因引起的高輻射反射示例圖

在分析地質(zhì)雷達(dá)異常特征時，需排除因近地表介質(zhì)不均勻產(chǎn)生的“假異?！?。如當(dāng)近地表介質(zhì)疏松、孔隙較大或含有其他積雜物時，會引起雷達(dá)電磁波的散射，使圖像信號變亂。在這些情況下，要想準(zhǔn)確分辨出目標(biāo)點(diǎn)是否真正異常，需對異常點(diǎn)逐個分析篩選，確定每個異常點(diǎn)的地質(zhì)含義，對情況復(fù)雜的地段，要采用多次重復(fù)探測、調(diào)試多種參數(shù)、平移探測剖面等手段，進(jìn)一步確認(rèn)是否屬于空洞。下圖5 給出了此類高振幅反射的例子，是由明顯的巖體不均勻性造成的，而非空洞。

Figure 5. Example of high amplitude reflection due to factors other than voiding 圖5. 非空洞原因引起的高輻射反射示例圖

3.4. 開挖驗(yàn)證及處理措施

根據(jù)探測報告中確定的異常位置和深度，可選擇部分典型的區(qū)域進(jìn)行開挖或鉆孔驗(yàn)證。經(jīng)現(xiàn)場開挖發(fā)現(xiàn)，雷達(dá)探測的結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)際情況基本符合。經(jīng)挖掘后發(fā)現(xiàn)巖溶空洞穩(wěn)定性較好，洞內(nèi)無滴水、漏水，洞體比較干燥，無近期崩塌痕跡，底板表面無大塊崩塌物。如圖6 所示。

Figure 6. GRP result verification through excavation 圖6. 現(xiàn)場開挖驗(yàn)證GRP 探測結(jié)果

通常油氣工程建設(shè)中常見的對于在巖溶地區(qū)施工進(jìn)行地基處理所采用的處理措施主要有填充法、跨接法、注漿法、褥墊層法和樁基穿越法等。結(jié)合本項(xiàng)目現(xiàn)場實(shí)際情況，主要適用于填充法和注漿法進(jìn)行處理。詳細(xì)的處理方法不在本文的討論范圍。

4. 結(jié)論

1) 通過上述利用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行地下溶洞勘察的介紹可知，作為一種先進(jìn)的探測手段，地質(zhì)雷達(dá)方法采用的全方位無損探測是普通鉆孔物探的有力補(bǔ)充，運(yùn)用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行地下溶洞勘察不僅工作方法簡便、靈活，且圖像直觀，效果比較理想。

2) 地質(zhì)雷達(dá)具有淺層探測的優(yōu)勢，分辨率較高，在探測現(xiàn)場即可以對探測成果進(jìn)行初步的分析，便于及時驗(yàn)證。對作業(yè)場地條件要求也不高，既可以點(diǎn)測，又可以連續(xù)測量。

3) 數(shù)據(jù)在后期處理時，需要充分考慮探測區(qū)域的地質(zhì)環(huán)境因素，以便做出正確的解讀。

4) 地質(zhì)雷達(dá)探測只作為勘察的一種方法，有條件的話，應(yīng)以其他手段為輔，多手段、多方法的有效配合，才有可能最大程度地提高準(zhǔn)確度和精確度。