探地雷达在工程地质勘察中的应用

探地雷达在工程地质勘察中的应用

汪史威

江苏省核工业二七二地质大学江苏南京210000

摘要：探地雷达是工程勘察中常用的一种探测方法，在工程地质勘察中也有应用，不过在探测过程中，由于其技术含量较高，且数据处理复杂，往往精度与深度无法达到探测要求。本文即结合具体工程案例详细阐述了探地雷达在工程地质勘察中的应用。

关键词：探地雷达；勘察；数据处理；参数；测网

一、探地雷达概述

（一）探地雷达

探地雷达是一冲发射电磁波的电子仪器，，通过传送和吸收电磁波进行工作。它利用反射回来的电波收集、分析和处理信号。探地雷达可以对地表表层以下看不见的部分或者是固体等坚硬的目标体进行电子定位与搜索。利用电磁波发射微波信息，通过地下目标体电磁波的波长与反射弧的区别来完成任务。

（二）探地雷达的特点

1、分辨率极高

在传输电磁波信号的过程中，探地雷达的发射频率极高。

2、损伤性极低

探地雷达依靠电磁波发送信息，信号探测不具备破环性，对探测的目标体不具备任何损伤，可以无损伤的进行相关探测。

3、效率高

探地雷达容易携带，并且数据的收集迅速，效率极高。

4、应用场合广

探地雷达应用广泛，在各种地质形态下都运用，并且可以在多种恶劣的环境中完成信息采集的任务。

二、探地雷达仪器设备及其数据处理

（一）仪器设备

在当今市场上，目前有很多种探地雷达，用于商业用途的探地雷达更是多种多样，种类繁多，比如说加拿大探头与软件公司生产的探地雷达、日本应用地质株式会社的探地雷达等等。

下图是加拿大PulseEKKO探地雷达的组成图。

计算机的功能：计算机在探地雷达为工程地质探测的过程中发挥出不可替代的作用，不论是信息的采集与分析处理，还是通过计算机操控控制面板，对其发出指令，都需要用到计算机，计算机具有庞大的信息处理系统。

控制面板的功能：能够接受计算机的指令，辅助对探地雷达发出的信号采集分析和处理，可以把探地雷达获取的信号转变为相对.应的代码模型传送给计算机。

发射电路：是探地雷达不可缺少的一部分，它是一个极为复杂的信号发生器，对目标体发射大量的信号，反射信号经过相应的途径被控制面板吸收。

（二）探地雷达方法数据处理

探地雷达对采集数据的整理和解释一般按照以下步骤进行：

1.首先对现场采集到的原始数据进行预处理，预处理包括删除无用的数据道、水平比例归一化、对各类标识与标记进行编辑、并加载起止桩号等。

2.可跟据实际需要对采集到的数据信号进行增益调整、频率滤波、f-k域滤波、偏移归位、空间域滤波、反褶积等处理，从而达到突出有效信号，消除干扰等目的。

（1）增益调整

用途：调整信号的振幅大小，利于观察异常区域和反射界面。

使用条件：信号过大或过小，或者现有的增益不符合信号衰减规律。

（2）频率滤波

用途：除去特定频率段的干扰波。

使用条件：有干扰波时使用。

（3）f-k倾角滤波去除倾斜层状干扰波

使用条件：有倾斜层状干扰波。使用前应进行水平比例归一化和地形校正。当有同样倾角的有效层状反射波时限制使用。

（4）反褶积

用途：压制多次反射波、压缩反射子波，提升垂直方向厚度的可解释能力。

使用条件：反射子波明显影响厚度解释精度或有明显多次反射波时使用。当反射信号弱、数据信噪比低、反射子波非最小相位限制使用。

（5）偏移

用途：将倾斜层反射波界面归位，将绕射波收敛。

（6）使用条件

反射信号弱、数据信噪比低。空间滤波。

用途：道平均方法去除空间高频干扰，使界面连续性更好；道间差去除空间低频信号，突出独立的异常体或起伏大的反射界面。两方法都是为提高数据图像的空间解释性。

使用条件：空间高频或低频信号对解释产生影响时使用。

三、探地雷达在工程地质勘察中的应用

（一）工程案例

本工程为某省一互通立交，是两条国道主干道相交的枢纽工程，是国家主干线交叉的重要节点。该互通立交的主线长度为4000m，内环匝道的设计行车速度为50km／h。互通立交全程内一共设置4座线桥、11座跨河桥以及9道人机通道。地震的基本烈度为ＶＩ度。工程所处的地质为平原地区，地势较为平坦，一般高程在35～40m之间。地表覆盖层主要为黏土、亚黏土以及亚砂土组成的土层，其厚度在7～25m之间，而其下伏基岩主要为强风化至弱风化的石灰岩，在石灰岩中溶洞较为发育，而在大多数的溶洞内填充有粘性土。地下水位的埋深一般在1～2m之间，水质中主要存在的矿物质为－Ｃａ和Ｍｇ，地下水的矿化度在0.7ｇ／Ｌ以下。工程场地内存在的地下水对混凝土并不存在腐蚀性。

（二）工程勘察方法

首先进行工程地质调绘工作，其比例为1∶2000，然后进行钻探作业，一共有95个钻孔，总进尺的长度为2643．23ｍ。其中有58个钻孔探测到溶洞，溶洞的大小一般在0.2～6.1ｍ之间，同时埋深的位置也各不相同。工程中每座桥梁并不是都采用逐墩钻探的方式，同时在同一个桥墩的范围内，溶洞的发育情况以及埋深等均不相同，因此采用钻探方式是无法完全解决勘察问题，因此采用地质雷达技术进行桥梁墩台的工程物探。通过地质雷达探测技术可以查明溶洞分别的埋深以及范围。

（三）探测方法

1、探测仪器

本工程所采用的地质雷达为加拿大PulseEKKO探地雷达。

2、探测参数选择

通常在正式进行探测作业之前，应进行现场实测试验，即采用地质雷达在已知钻孔的位置进行多参数的测试，探测所得到的内容包括地表覆盖层及基岩、岩溶发育区的波形以及强度特征，通过分析这些内容从而对探测的参数进行确定，以便在正式的探测作业中获得较好、较为清晰的地质雷达图像。

3、测网布置

进行物探主要是为了查明大于0.5m的溶洞，因此为了能够满足该精度要求，在进行测网布置时，测线设置与垂直桥轴线，线距控制为0.5m，而点距则控制为0.3m，本工程中总共完成了162个墩台的探测工作，其中测线一共设置了1555条，而测点一共设置了35090个。

4、探测成果

工程进行地质雷达探测一共完成了1555条测线的实时剖面图，在剖面图中水平坐标代表测线，而垂直坐标代表时间与深度，通过地质雷达探测实时剖面图可以看出地表覆盖层与基岩之间以及基岩内溶洞的界面。

（四）探测质量评定

1、探测精度

在地质雷达中，天线的频率直接与目标体分辨率息息相关，通常情况下，天线的频率越大，则目标体的分辨率则越高，但是探测深度则随之降低。同时探测深度还与地下介质对电磁波的吸收能力有关，吸收能力越强则探测深度越深。一般情况下，地质雷达的探测深度可以达到40m左右。综合考虑各种影响因素，将垂直方向的分辨率设定为0.3m，而水平方向的分辨率与测点的点距相关。在本工程中，需要对石灰岩0～10m深度范围内直径在0.5m以上的溶洞进行测定，因此地质雷达探测所设定的测点的点距为0.3m，而线距为0.5m，这样能够满足探测精度的要求。

2、综合分析

本工程采用的是地质雷达探测的方式进行勘察，并辅助采用钻探的方式进行抽检验证，两种探测方法相互验证和补充，从而能够很好的对岩土的物质力学性质进行探测。采用地质雷达进行工程勘察，工作效率高，同时具有明显的经济效益。在我国的很多工程建设过程中，均采用物探的方式代替钻探的方式进行工程地质勘察工作，地质雷达已经在工程勘察中广泛应用。

参考文献：

[1]武小鹏，魏永梁，张军平.探地雷达在多年冻土工程地质勘察中的应用效果研究[J].地震工程学报.2013（02）

[2]王继民.浅谈探地雷达技术在岩溶地质勘探中的应用[J].广东科技.2008（18）