地质雷达应用于探测拱桥_空洞的效果验证

射高频、 宽带电磁波， 经介质中的分层界面 或 被 测 体 的其他反射界面产生反射回波信 号 ， 由 接 收 天 线 接 收。接收天线具有将信号直接数字化的功能， 使得传 至接收机的信号损失最小。
()<
设备便携 整套仪器总重量不足 ;" =, （配置笔记本电脑） ，
仅需 ; 人即可顺利操作， 该仪器重量 轻 、 体积小的特
第 (( 卷第 ! 期 (""! 年 ; 月
岩
土
力
学
:10= H2- I1+5 J.0KH2+06
L15)(( M1)! JH4) (""!
（(""! ） !""">?@AB> "!>"!"C>";
地质雷达应用于探测拱桥、 空洞的效果验证
刘传孝 ，蒋金泉 ，杨永杰
（山东科技大学，泰安 (?!"!A ）
M:N
刘传孝， 杨永杰， 蒋金泉 & 探地雷达技术在采矿工程中的应 用 M P N& 岩土工程学报， （" ） ： $OO( OOQ$%$
M6N
刘传孝 & 探地雷达空洞探测机理研究及应用实例分析 M P N& 岩石力学与工程学报， （’ ） ： ’%%% ； $O ’:(Q’6$
图 ! 地质雷达探测原理 *+,)! -./.0/+12 34+20+35.6 17 89:
(
()!
地质雷达的技术优势
天线的数字化功能 如图 ! 所示， 地质雷达通过发射天线向被测体发
();
实时显示图像 雷达探测剖面图像实时显示于计算机屏幕上， 可
以及时发现错道予以补正， 同时可直观地监控设备工 况，通过屏幕上实时显示的图像及时调整探测方案， 减少设备损耗、 提高工作效率。
表 ( 电磁波在理想介质中的传播参数表 /0123"( 4050.36357 89 :58:;06<8= 89 6>3 323?658.0;=36<? @0A3 <= 6>3 <B302 .3B<0
介 空 淡 湿 质 气 水 沙 相对介电常数 电导率 ・ " .7 .C( 传播速度 ・ ! . =7C( 衰减系数 ・ # B1 .C(
!""#$%& ’" %(# )*’+,- .#,#%*/%0,) */-/* 0, .*’10,) /*$( 1*0-)# /,- $/20%3
!"# $%&’()*+’, ，-"./0 -+()1&’( ，2./0 2,(3)4+5
（!"#$%&$’ ($)*+,-)./ &0 !1)+$1+ #$% 2+1"$&3&’/4 2#)#$ 5678794 :")$#）
天线， 地质雷达探测结果的垂直 （深度） 误差为 可满足工程要求， 但 探 测 深 度 范 围 为 () . - )")# .， 以内。
’"!
界面易于分辨 拱桥的桥拱下以及空洞中一般为水或空气， 拱桥
一般为条石与水泥砌筑而成， 空洞顶的介质一般为岩 石、 粘土或湿沙。由表 ( 可知， 拱桥桥拱的顶界和空洞 的顶界两侧介质的物性差异很大， 电磁波在其中的传 播速度亦明显不同。
收稿日期： (""">"@>!" 山东省自然科学基金项目资助 （GAA射机、接收机与控制面板间依靠光缆传输， 信
第(期
刘传孝等： 地质雷达应用于探测拱桥、 空洞的效果验证
()N
点大大提高了它的使用范围。
F
泰山八仙桥地质雷达探测
泰山八仙桥是一半圆拱桥， 半径为 $ .。 桥体材料
的传播速度， 实际应用中考虑岩层、 粘土层 和 湿 沙 土 层对电磁波传播速度的不同影响， 探测吕祖洞的深度 适宜速度值为 %&%4 # 5,。
光缆传输、 实时显示图像、 设备便携、 无损探测及剖面 连续等是地质雷达的技术优势； （’）配置 ’%% 123 天线的地质雷达， 可探测深度 深度误差达L %&%! #； $% # 以内的目的体， （:） 地质雷 达 探 测 结 果 的 水 平 误 差 与 物 理 测 点 的点间距成正比； （6）追踪同相轴的连续性、 找寻反射界面是地质 雷达剖面图像解释的关键； （!） 实践证明， 地质雷 达 用 于 探 测 拱 桥 和 空 洞 ， 方法科学、 效果理想。
!" #$%& ’$()*+ #") # %#,(-. /+$+ 0$1’+) /(-& -&+ 2345 6. %170#$("* -&+ 0$1’("* $+89:-8 /(-& -&+ -$9+ %1")(-(1"8; /+ %17+ -1 # %1"%:98(1" -&#- -&+ +<0:#"#-(1" $+89:-8 1= $#)#$ 8+%-(1"#: (7#*+ #$+ 8(7(:#$ -1 -&+ #%-9#: 8+%-(1"#: 0:#"+ 1= -&+ #(7 1’>+%- (" 8&#0+5 ?+,+: +$$1$ (8 )+0+")+"- 1" -&+ )(8-#"%+ ’+-/++" -/1 01("-85 !") -&+ )+0-& +$$1$ (8 1":. @A5AB 75 -&+ *$19") 0+"+-$#-("* $#)#$ ； #$%& ’$()*+ ； %#,(-. ； +==+%-
%!&
’
’"(
地质雷达探测拱桥、 空洞可行性论证
适宜的探测深度和较高的探测精度 对精度要求较高的被测体探测， 可配置 !)) *+,
’)) =7。 数 据 处 理 时 的 参 数 选 择 如 下 ： $F 次 叠 加 ， 无道差分。由于表 !)) KLM 增益， N 点平均， ’ 道平均， ( 所示为理想介质中电磁波的传播速度，实际应用中
运用地质雷达探测了一个拱桥和一个空洞， 通过探测结果和 被 探 体 的 实 际 揭 露 情 况 比 较 得 出 ， 雷达剖面图像的解释结果 与被探体的实际剖面形态类似， 水平误差取决于探测物理点点间距， 深度误差仅 D")"@ E。 地质雷达 ；拱桥 ；空洞 ；效果
!" !A@
F
刘传孝， 男， 硕士， 从事巷道矿压及工程探测方面的科研及科研管理工作。 !A?" 年生，
#$ 地质雷达探测拱桥、 空洞是科学可行的 ! "， 。
比较雷达探测结果与八仙桥实测结果可知， 探测 水平误差为 )"!#) .， 若有更高的精度要求， 可将测点 间距由 )"# . 缩小到要求值。根据八仙桥桥面中心位 置的厚度 )"D . 和基岩面、 水面深度位置 $ . 分析， 地 质雷达在探测八仙桥时的深度误差为 )，雷达剖面图
4G273 HIIJ()) 型 地 质 雷 达 可 满 足 探 测 工 作 的 基 本
要求。探测时地质雷达的参数为： 天线间距 )"# .， 探 选择连续探测方式 （人为控 测物理点间距亦为 )"# .， 制物理点探测间隔时间的为点测方式， 程控数据采集 间隔时间的为连续探测方式， 此时操作人员只需要在 电脑控制下等时间等距离地将 发 射 天 线 和 接 收 天 线 由一物理点机械地移至另一物理点。） ，时 窗 开 至
!
前
言
号经前置放大后返回计算机， 主机同天线间可远距离 操作， 既避免干扰、 信号亦不失真。
地质雷达技术用于探地已近百年历史， 但其革命 性的转折发生于近 !" 年，主要得益于微电子技术的 发展和信号传输技术的进步， 解决了制约地质雷达在 工程中应用的关键因素， 即高速采样技术和信息处理 技术 #!$。 国产地质雷达主要有重庆和青岛两家， 由于其体 积庞大或信号采集效果不理想， 使得我国目前应用的 地质雷达多数来源于进口。技术成熟并有一定应用的 国家主要有加拿大、 美国、 日本和瑞典等， 本文作者通 过实际应用加拿大 %&&’ 系列地质雷达中的 !"" 型， 分析了该技术探测拱桥、 空洞的效果， 对其 推 广 应 用 领域进行了有益的探索。
参 考 文 献
M$N
李大心 & 探地雷 达 方 法 与 应 用 M1N& 第 一 版 & 北 京 ： 地质出 版社， $OO6
M’N
王 惠 濂 & 探 地 雷 达 目 的 体 物 理 模 拟 研 究 结 果 M P N& 地 球 科 （: ） ： 学—中国地质大学学报， $OO( ； $( ’""Q’(6
!"$
连续的剖面图像资料易于解释 单道电磁波图像的解释难度很大， 理论基础和工
程经验是成功解释的前提。地质雷达连续直观的探测 剖面图像， 使得资料解释比较容易， 多道电 磁 波 连 续 显示于同一幅剖面图上，不但反映了纵向深度特征， 而且充分反映了相邻测点间的横向变化规律。它主要 是通过同相轴的追踪， 显著降低了解释难度 。
的速度值较小，且多采用与实 测 深 度 相 适 应 的 速 度 值， 与八仙桥桥体深度相适应的速度值为 )")D . =7%#&。 雷达探测图像与解释结果如图 ! 所示， 追踪同相 轴， 将其间断处连接成平滑曲线即为八仙桥几何剖面 形态， 是基岩面和水 $ . 深处波幅较大且同相轴平直， 面的反射回波信号， 之后电磁波能量被大幅吸收且很 快损失殆尽。解释结果是： 八仙桥桥拱宽 (!"!# .， 桥 体最薄处厚 )"D .，剖面图像上的被测体形态为近似 半圆形。
!
泰山吕祖洞地质雷达探测
吕祖洞位于八仙桥附近， 顺山 坡 天 然 形 成 ， 岩层
南高北低， 地表有粘土层和湿沙土层。洞顶上方有两 株间距 " # 的百年柏树， 为保护自然风景、 避免 树 根 破坏吕祖洞， 洞顶上方有近 $ # 厚的砖石结构。吕祖 洞洞口宽 $ #， 高 %&! #， 洞内空间较大， 洞底至地表平 均 ’&( #。
!5 (") D) !) E ’) FED # E F) FE$
) )"# )"( E ( )"# E ! ! E ( ))) )")( E (
)"’ )")’’ )")$ )"(! )")$ )"(’
) )"( )")’ E )"’ )"F E ( ( E ’)) )")( E (
石灰岩 粘 土
花岗岩
!"#
无损探测 该类型地质雷达所配天线为板式天线， 只须与探 为条石与混凝土浇筑， 最薄处为桥面中间位置， 仅 桥体的最深处深 $ .， 与基岩接触， 且桥基脚稍 )"D .； 向外侧延伸， 使桥拱整体形态是并非严格的半圆形。 据八仙桥的客观条件， 选择配置 !)) *+, 天线的
测表面紧贴即可收到良好的探测效果， 不需向被测体 钻孔或采取其他破坏客观条件的措施， 从而使探测结 果更为客观地反映了被测体的实际情况， 尤其对那些 因客观条件变化而对被测体真实 情 况 产 生 严 重 影 响 的因素的分析更为准确。
$%(
岩
土
力
学
’%%$ 年
像上的八仙桥几何形态与其实际 的 半 圆 剖 面 形 状 是 一致的。即经实测验证， 地质雷达探测拱桥可行、 结果 可靠。
雷达探测图像与解释结果如图 : 所示。由图 : （G） 可知， 在深度 ’&% # 左右， 水平位置 $&% ! :&( # 段为电 磁波同相轴间断段， 针对该段异常将测点间距缩短为 （K） 可看出， 粘土层 （湿沙 %&$ # 进行二次探测。从图 : 土层） 与岩层间的界面南高北低的特征明显， 深度 ’&% 水平位置 %&! ! ’&( # 解释为吕祖洞洞体。洞 ! ’&( #、 顶有一定的弧度， 洞底非常平整， 距地表为 ’&(% # 左 右， 根据该数据与实际情况的验证表明， 地质雷达探 测空洞是可行的。
图 ! 八仙桥地质雷达探测图像及解释结果 O<;"! 4587:3?6<=; 53?85B 89 L4P <= Q0R<0= 15<B;3 0=B 3R:20=06<8=
电磁波在介质中传播时的路径、 电磁场强度和波 形将随所穿过介质的电性质及几何形态而变化， 依据 记录到的电磁波双程走时和波幅 、 同 相 轴 等 波 形 资 料， 可以解释出被测体的几何形态或结构异常。因此，
"
主要结论
（$） 区别于其他物探手 段 ， 天线的数字化功能、
)*+,- .//0$%% 型地质雷达配 置 ’%% 123 天 线 可满足吕祖洞探测工作的基本要求。第 $ 次探测时地 探测物理点间距为 质雷达的参数为， 天线间距 %&! #， 选择连续探测方式， 时窗开至 ’4% 5,； 第 ’ 次探 %&’ #， 测时仅将探测物理点间距变化为 %&$ #。数据处理时 的参数选择如下： "6 次 叠 加 ， ’%% 789 增 益 ， 4 点平 无道差分。据表 $ 中理想介质中电磁波 均， : 道平均，