閉遺山，梁 明

(1.廣西壯族自治區(qū)第四地質(zhì)隊(duì),廣西 南寧 530045；2.廣西壯族自治區(qū)地質(zhì)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(fù)雜的巖溶洞穴進(jìn)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(jì)80年代以后發(fā)展起來的探地雷達(dá)GPR(地質(zhì)雷達(dá))因具有快速方便和環(huán)境適應(yīng)能力較強(qiáng)的特點(diǎn)，在地質(zhì)地球物理?xiàng)l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(zhì)勘察中得到了廣泛應(yīng)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(shí)，發(fā)揮了很大的作用。國內(nèi)的專家學(xué)者在地質(zhì)雷達(dá)理論研究及實(shí)踐應(yīng)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(dá)原理與應(yīng)用》理論著作，詳細(xì)闡述了地質(zhì)雷達(dá)的基本原理、介質(zhì)電性質(zhì)和電磁波傳播參數(shù)、探地雷達(dá)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(zhì)雷達(dá)方法應(yīng)用領(lǐng)域及其局限性，分析了各種地質(zhì)條件下的地質(zhì)雷達(dá)波反射特征，為后學(xué)者提供了寶貴的工程案例材料[2]；地質(zhì)雷達(dá)工程勘察實(shí)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(diào)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(zhì)雷達(dá)勘察手段查找工作區(qū)內(nèi)近地表5 m范圍內(nèi)巖溶、土洞等不良地質(zhì)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(yàn)證，證明地質(zhì)雷達(dá)在查找?guī)r溶區(qū)淺部不良地質(zhì)體位置與埋深效果顯著。

2 工區(qū)地質(zhì)及地球物理特征

2.1 工區(qū)地質(zhì)概況

勘探場地位于崇左市江州區(qū)友誼大道東側(cè)，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(jìn)場勘探時(shí)，場地已進(jìn)行整平，經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查和訪問有關(guān)單位，該場地沒有地下管線的標(biāo)示和管線經(jīng)過。根據(jù)巖土工程詳細(xì)勘察報(bào)告資料，場地內(nèi)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(jié)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(zhì)雷達(dá)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(nèi)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(zhì)雷達(dá)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(xué)儀器公司制造的MALA ProEx型第三代全新數(shù)字式地質(zhì)雷達(dá)主機(jī)，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(shí)窗為227 ns，采樣數(shù)為570個(gè)，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(chǔ)受力位置，測線間距1.3～3 m不等，測線布設(shè)方向主要為正東西和正南北向，且地質(zhì)雷達(dá)測線與部分東西向巖土工程詳細(xì)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(yán)格按照20 m點(diǎn)距進(jìn)行定點(diǎn)標(biāo)記，室內(nèi)處理資料時(shí)利用該點(diǎn)實(shí)際位置進(jìn)行剖面長度校正。地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)整理過程包括數(shù)據(jù)傳輸—數(shù)據(jù)預(yù)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(jì)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(zhì)雷達(dá)探測資料的解釋與分析

4.1 干擾識別

本次地質(zhì)雷達(dá)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(gè)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(dāng)天線位于塊石體上時(shí)，雷達(dá)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(dá)影像

2)場地施工時(shí)地面上的鐵塊和場地臨時(shí)用的管道。當(dāng)雷達(dá)天線放置在地表鐵塊上進(jìn)行探測時(shí)，一方面金屬鐵塊會對高頻雷達(dá)波產(chǎn)生屏蔽作用，致使雷達(dá)波無法穿透鐵塊而達(dá)到地層內(nèi)部，因而無法獲得地層內(nèi)部的地質(zhì)信息；另一方面，由于金屬鐵塊為良導(dǎo)體，雷達(dá)波在金屬鐵塊內(nèi)會產(chǎn)生低頻感應(yīng)信號，鐵塊內(nèi)的這種低頻感應(yīng)信號存續(xù)時(shí)間相對較長，因而在雷達(dá)剖面上形成自上而下存在的高幅度的感應(yīng)干擾。此外，如果在測線淺部有管道存在時(shí)(包括非金屬管道和鑄鐵管道)，穿透管道的雷達(dá)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(nèi)完全充滿水或者遇到良導(dǎo)體鋼管或銅管，則在雷達(dá)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(yīng)所引起的干擾異常

4.2 異常判定特征

1)密實(shí)：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(shí)：巖體內(nèi)部界面反射信號較強(qiáng)，同相軸不連續(xù)，錯(cuò)斷，一般區(qū)域化分布；

3)空洞：巖體內(nèi)部界面反射信號強(qiáng)，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(qiáng)反射界面信號，兩組信號時(shí)程差較大；

4)裂隙：巖體內(nèi)部界面反射信號強(qiáng)，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(dá)波速度確定及基巖面識別

地質(zhì)雷達(dá)傳播波速度參照《工程物探規(guī)范》[10]提供的常見介質(zhì)電磁波速度，灰?guī)r0.12 m/ns，黏土0.06 m/s。地質(zhì)雷達(dá)采集的是來自介質(zhì)界面的反射波信號,如果介質(zhì)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(zhì)組成成分、結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，介電常數(shù)或電導(dǎo)率差異越大，反射能量也越強(qiáng)，反射信號的信息也越豐富。場地第四系黏土介質(zhì)由于成分與結(jié)構(gòu)不均勻，雷達(dá)波內(nèi)部出現(xiàn)雜亂反射；完整均質(zhì)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(zhì)雷達(dá)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(zhì)雷達(dá)影像圖顯示結(jié)構(gòu)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(cè)測線172～176 m范圍，深度5～7 m處地質(zhì)雷達(dá)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(zhì)雷達(dá)推斷與鉆探揭露結(jié)果基本吻合，具體情況圖3與圖4。

圖3 L30線地質(zhì)雷達(dá)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(yàn)證孔YC7位于L31線測點(diǎn)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(zhì)雷達(dá)影像圖平面位置178.1～180.2 m，深度1.6～2.4 m巖體內(nèi)部界面地質(zhì)雷達(dá)反射信號強(qiáng)，呈弧形同相軸特征，三振相明顯，在其下部仍有強(qiáng)反射界面信號，兩組信號時(shí)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(zhì)情況基本吻合。

L31線地質(zhì)雷達(dá)影像圖平面位置178.1～180.2 m，深度5.6～6.7 m巖體內(nèi)部界面反射信號強(qiáng)，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(zhì)雷達(dá)影像圖平面位置178.1～180.2 m，深度7.7～9.8 m巖體內(nèi)部界面反射信號強(qiáng)，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(zhì)對雷達(dá)波的衰減吸收作用，通常雷達(dá)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(dá)記錄上可能出現(xiàn)多次回波或強(qiáng)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(zhì)雷達(dá)影像

驗(yàn)證孔YC3位于L33線測點(diǎn)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(zhì)雷達(dá)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(nèi)部界面地質(zhì)雷達(dá)(反射)回波信號強(qiáng)，呈弧形同相軸特征，三振相明顯，在其下部仍有強(qiáng)反射界面信號，兩組信號時(shí)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(yàn)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(yàn)證結(jié)果基本吻合，具體情況詳見圖6和圖7。

L33線地質(zhì)雷達(dá)影像圖測線平面位置165～170 m，深度4～7.6 m巖體內(nèi)部界面地質(zhì)雷達(dá)(反射)回波信號強(qiáng)，呈弧形同相軸特征，三振相明顯，巖體內(nèi)部界面反射信號強(qiáng)，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(zhì)雷達(dá)影像

圖7 YC3鉆孔巖心照片

5 結(jié) 論

1)地質(zhì)雷達(dá)探測與超前鉆探相結(jié)合在巖溶場地勘察中的應(yīng)用實(shí)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(zhì)雷達(dá)探測能夠獲得地下巖溶溶洞及巖溶裂縫發(fā)育帶的準(zhǔn)確分布范圍及埋深；并能根據(jù)地質(zhì)雷達(dá)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(zhì)雷達(dá)探測會受到一些環(huán)境因素的干擾影響，因此，為了對地質(zhì)雷達(dá)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(zhì)雷達(dá)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(shí)測地質(zhì)雷達(dá)資料進(jìn)行解釋的過程中應(yīng)該排除這些地表因素在雷達(dá)剖面上造成的干擾影響。