閉遺山，梁 明

(1.廣西壯族自治區(qū)第四地質隊,廣西 南寧 530045；2.廣西壯族自治區(qū)地質壞境監(jiān)測站，廣西 桂林 530029)

1 引 言

地球物理勘探適用于對巖體中復雜的巖溶洞穴進行探測，除了電阻率(電剖面和電測深)法、高密度電法、無線電波透射法、地面地震反射波法、聲波透射法、微重力法、放射性氣體測量等以外，20世紀80年代以后發(fā)展起來的探地雷達GPR(地質雷達)因具有快速方便和環(huán)境適應能力較強的特點，在地質地球物理條件適宜的前提下，往往成為眾多方法中首選之一，在巖溶工程地質勘察中得到了廣泛應用，特別是在確定淺部巖溶溶洞、土洞及塌陷分布、形態(tài)和充填情況時，發(fā)揮了很大的作用。國內的專家學者在地質雷達理論研究及實踐應用方面開展了很多工作，取得了一定的成果。曾昭發(fā)等出版《探地雷達原理與應用》理論著作，詳細闡述了地質雷達的基本原理、介質電性質和電磁波傳播參數(shù)、探地雷達數(shù)據(jù)處理與解釋等[1]；葛雙成等從理論出發(fā)論述地質雷達方法應用領域及其局限性，分析了各種地質條件下的地質雷達波反射特征，為后學者提供了寶貴的工程案例材料[2]；地質雷達工程勘察實例還包括地鐵溶洞探測[3]、小區(qū)巖溶地面塌陷探測等[4]、輸電線路工程塔基覆蓋層厚度及巖溶發(fā)育探測[5]、堤壩滲漏調查[6]、鐵路路基巖溶探測[7]、道路脫空病害探測[8]、水下地形探測[9]、高鐵無砟軌道沉降探測[10]等。

本文以華南某工地場地巖溶勘察為例，采用地質雷達勘察手段查找工作區(qū)內近地表5 m范圍內巖溶、土洞等不良地質體的位置，以及巖溶、土洞的走向及范圍等情況，物探異常經(jīng)過鉆探成功驗證，證明地質雷達在查找?guī)r溶區(qū)淺部不良地質體位置與埋深效果顯著。

2 工區(qū)地質及地球物理特征

2.1 工區(qū)地質概況

勘探場地位于崇左市江州區(qū)友誼大道東側，地貌上屬剝蝕—溶蝕殘峰坡地地貌。地勢有起伏，呈西高東低，地形坡度大于5°，場地地面高程為122.30～126.73 m之間，相對高差約4.43 m，進場勘探時，場地已進行整平，經(jīng)現(xiàn)場調查和訪問有關單位，該場地沒有地下管線的標示和管線經(jīng)過。根據(jù)巖土工程詳細勘察報告資料，場地內上覆土層為第四系(Q)的黏土和填土，下伏基巖為三疊系(T)石灰?guī)r。根據(jù)場地詳勘結果覆蓋層厚度0.20～1.70 m，平均厚度為0.85 m；第四系人工堆積層素填土0.20～2.50 m，平均厚度為0.86 m；第四系上更新統(tǒng)殘積層紅黏土，層厚為0.30～9.40 m，平均厚度為2.66 m。

2.2 地球物理特征

地質雷達勘察的地球物理前提是巖土體的電磁性差異[11-14]，主要是介電常數(shù)的差異。本次勘查區(qū)內上覆地層為黏土層，下覆巖性以灰?guī)r為主。水的介電常數(shù)為80，黏土的介電常數(shù)為5～40(其值隨著含水量的增大而增大，測區(qū)上覆地層為濕黏土，介電常數(shù)大于10)，灰?guī)r的介電常數(shù)為4～8[15-18]。測區(qū)巖性之間明顯的介電常數(shù)差異，為場地地質雷達探測土洞、溶洞提供了地球物理前提。

3 工作方法介紹

野外勘察采用瑞典MALA地球科學儀器公司制造的MALA ProEx型第三代全新數(shù)字式地質雷達主機，中心頻率為250 MHz的屏蔽天線，測量過程采用連續(xù)測量方式，時窗為227 ns，采樣數(shù)為570個，疊加次數(shù)為16，采樣間隔為0.1 m。

測線主要集中布置在建筑物基礎受力位置，測線間距1.3～3 m不等，測線布設方向主要為正東西和正南北向，且地質雷達測線與部分東西向巖土工程詳細勘察鉆孔重合?，F(xiàn)場采用RTK布置物探測線，測線布置過程利用RTK嚴格按照20 m點距進行定點標記，室內處理資料時利用該點實際位置進行剖面長度校正。地質雷達數(shù)據(jù)整理過程包括數(shù)據(jù)傳輸—數(shù)據(jù)預處理—數(shù)據(jù)處理(數(shù)字濾波、反褶積、偏移、希爾伯特變換)—分層處理(計算介電常數(shù)、深度分析、參數(shù)修正)—圖形分析編輯—輸出成果圖等流程。

4 地質雷達探測資料的解釋與分析

4.1 干擾識別

本次地質雷達探測采用屏蔽250 MHz天線，外在干擾因素對探測成果造成影響較小，主要有以下兩個方面:

1)由于場地地面略有起伏及場地表面有許多堆積的塊石，當天線位于塊石體上時，雷達波在塊石體上下界面及塊石與塊石接觸面之間形成多次反射(圖1)。

圖1 地面塊石堆積體形成多次波干擾的雷達影像

2)場地施工時地面上的鐵塊和場地臨時用的管道。當雷達天線放置在地表鐵塊上進行探測時，一方面金屬鐵塊會對高頻雷達波產(chǎn)生屏蔽作用，致使雷達波無法穿透鐵塊而達到地層內部，因而無法獲得地層內部的地質信息；另一方面，由于金屬鐵塊為良導體，雷達波在金屬鐵塊內會產(chǎn)生低頻感應信號，鐵塊內的這種低頻感應信號存續(xù)時間相對較長，因而在雷達剖面上形成自上而下存在的高幅度的感應干擾。此外，如果在測線淺部有管道存在時(包括非金屬管道和鑄鐵管道)，穿透管道的雷達波在管道頂界面與水面、管道底界面之間形成多次波干擾異常(如圖2中22 m處的雙曲線形同相軸組)；如果管道內完全充滿水或者遇到良導體鋼管或銅管，則在雷達剖面上只會出現(xiàn)管道頂面的回波異常。

圖2 淺部管道回波及地表鐵塊的感應所引起的干擾異常

4.2 異常判定特征

1)密實：巖體信號幅值較弱，波形均勻，甚至沒有界面反射信號；

2)不密實：巖體內部界面反射信號較強，同相軸不連續(xù)，錯斷，一般區(qū)域化分布；

3)空洞：巖體內部界面反射信號強，呈典型的孤立體相位特征，通常為規(guī)整或不規(guī)整的雙曲線波形特征，三振相明顯，在其下部仍有強反射界面信號，兩組信號時程差較大；

4)裂隙：巖體內部界面反射信號強，呈水平或傾斜帶狀長條形或垂直方向多次孤立體反射信號，三振相明顯，通常有兩次以上反射信號。

4.3 雷達波速度確定及基巖面識別

地質雷達傳播波速度參照《工程物探規(guī)范》[10]提供的常見介質電磁波速度，灰?guī)r0.12 m/ns，黏土0.06 m/s。地質雷達采集的是來自介質界面的反射波信號,如果介質十分單一均勻,則入射電磁波將繼續(xù)向地下傳播，沒有明顯的反射現(xiàn)象，反之，介質組成成分、結構越復雜，介電常數(shù)或電導率差異越大，反射能量也越強，反射信號的信息也越豐富。場地第四系黏土介質由于成分與結構不均勻，雷達波內部出現(xiàn)雜亂反射；完整均質灰?guī)r中振幅、波長基本一致，同相軸連續(xù)，根據(jù)兩者的波形差異可以快速確定基巖分界面。

4.4 無充填型溶洞異常特征分析

在地質雷達野外施工前，場地已有詳勘鉆孔資料。物探L30線172 m處經(jīng)過鉆孔YC6。鉆孔YC6(孔深6.5 m)：0～1.0 m紅黏土；1.0～1.5 m石灰?guī)r，巖芯以塊狀及短柱狀為主，局部巖芯被溶蝕；1.5～3.0 m溶洞，全充填，充填物為硬塑狀黏性土；3.0～6.5 m石灰?guī)r，巖芯較完整，巖芯以柱狀為主，少量短柱狀。鉆孔資料在深1.5～3 m段揭露有溶洞，地質雷達影像圖顯示結構深度1.5 m～3 m段出現(xiàn)弧形同相軸異常特征，推斷為巖溶，在深度3～5 m段推斷為裂隙發(fā)育；鉆孔右側測線172～176 m范圍，深度5～7 m處地質雷達波形呈明顯的弧形同相軸異常特征，推測此處為裂隙較發(fā)育,巖層破碎。本次地質雷達推斷與鉆探揭露結果基本吻合，具體情況圖3與圖4。

圖3 L30線地質雷達影像

圖4 YC6鉆孔巖心照片

4.5 充填型溶洞及巖溶裂隙異常特征分析

物探異常L31-YC1驗證孔YC7位于L31線測點位置172 m處，孔深6.5 m，0～1.8 m石灰?guī)r，巖芯較完整，1.8～3.2 m溶洞，全充填，充填物為硬塑狀黏性土，3.0～6.5 m石灰?guī)r，巖芯以柱狀為主，少量短柱狀。

L31線地質雷達影像圖平面位置178.1～180.2 m，深度1.6～2.4 m巖體內部界面地質雷達反射信號強，呈弧形同相軸特征，三振相明顯，在其下部仍有強反射界面信號，兩組信號時程差較大，推測為充填型溶洞，根據(jù)鉆孔YC7鉆孔資料可知孔深1.8～3.2 m為全充填溶洞，充填物為硬塑狀黏土，物探推測與地質情況基本吻合。

L31線地質雷達影像圖平面位置178.1～180.2 m，深度5.6～6.7 m巖體內部界面反射信號強，呈水平或傾斜帶狀長條形或垂直方向多次孤立體反射信號，三振相明顯，通常有兩次以上反射信號，推測為巖層局部裂隙發(fā)育。

L31線地質雷達影像圖平面位置178.1～180.2 m，深度7.7～9.8 m巖體內部界面反射信號強，垂直方向呈多次孤立體反射信號，三振相明顯，有兩次以上反射信號。溶洞如果充滿泥或水，由于充填介質對雷達波的衰減吸收作用，通常雷達記錄上只能得到溶洞頂?shù)幕夭?，而溶洞底的回波很弱甚至接收不到；而未充填或部分充填溶洞，則在雷達記錄上可能出現(xiàn)多次回波或強振幅回波。因此，L31線平面位置178.1～180.2 m，深度7.7～9.8 m范圍推測為部分充填空腔型溶洞。具體情況詳見圖5。

圖5 L31線地質雷達影像

驗證孔YC3位于L33線測點位置172 m處，孔深15 m，0～0.5 m素填土偶夾灰?guī)r塊石，0.5 ～2.5 m石灰?guī)r，巖芯較完整，巖芯以柱狀為主，少量短柱狀；2.5～3.0 m,溶洞，無充填；3.0～4.0 m石灰?guī)r，巖芯較完整，巖芯以柱狀為主，少量短柱狀；4.0～5.8 m溶洞，全充填，充填物為硬塑狀黏性土；5.8～7.0 m石灰?guī)r，巖芯較完整，巖芯以柱狀為主，少量短柱狀；7.0～11.8 m溶洞，全充填，充填物為硬塑狀黏性土；11.8～15.0 m石灰?guī)r，巖芯較完整，巖芯以柱狀為主，少量短柱狀。

L33線地質雷達影像圖測線平面位置160.5～166.3 m，深度2.5～6.0 m、6.8～8.5 m巖體內部界面地質雷達(反射)回波信號強，呈弧形同相軸特征，三振相明顯，在其下部仍有強反射界面信號，兩組信號時程差較大，推測上部2.5～3 m有一無填充的溶洞、下部為充填型溶洞。物探異常編號L33-YC1后期驗證鉆孔編號YC3。根據(jù)鉆孔巖心照和鉆孔編錄表可知孔深2.5～3.0 m為無充填溶洞；孔深4.0～5.8 m為充填硬塑黏土的溶洞；7.0～11.8 m為充填硬塑黏土溶洞。物探異常推斷與鉆孔驗證結果基本吻合，具體情況詳見圖6和圖7。

L33線地質雷達影像圖測線平面位置165～170 m，深度4～7.6 m巖體內部界面地質雷達(反射)回波信號強，呈弧形同相軸特征，三振相明顯，巖體內部界面反射信號強，呈水平或傾斜帶狀長條形或垂直方向多次孤立體反射信號，三振相明顯，通常有兩次以上反射信號，推測為巖溶裂隙發(fā)育。具體情況詳圖6和圖7。

圖6 L33線地質雷達影像

圖7 YC3鉆孔巖心照片

5 結 論

1)地質雷達探測與超前鉆探相結合在巖溶場地勘察中的應用實例表明：在第四系覆蓋層厚度較小或基巖直接出露的工程場地，采用地質雷達探測能夠獲得地下巖溶溶洞及巖溶裂縫發(fā)育帶的準確分布范圍及埋深；并能根據(jù)地質雷達剖面上回波同相軸的特征，定性分析溶洞的充填性，識別空腔型、充填型或半充填型溶洞特征。

2)由于地質雷達探測會受到一些環(huán)境因素的干擾影響，因此，為了對地質雷達資料作出正確的推斷解釋，必須了解和記錄探測環(huán)境中存在的可能在地質雷達剖面上產(chǎn)生干擾的一些因素的位置及分布范圍，如測線位置地表分布的塊石堆(層)、金屬板等。在對實測地質雷達資料進行解釋的過程中應該排除這些地表因素在雷達剖面上造成的干擾影響。