地质雷达在工程中的应用

地质雷达在工程中的应用

李勃

(辽宁省有色地质局一0八队，沈阳 110121)

摘 要:探地雷达是近年来发展起来的一种物探新技术新方法。本文介绍了其基本原理及在岩溶地质勘探、地下管线探测、高速公路检测中应用的实例分析，重点阐述了雷达图像的推断解释，同时表明地质雷达具有快速经济、灵活方便、剖面直观等优点，具有良好的实用性。

关 键 词:地质雷达 实例分析 实用性

1 前 言

地质雷达，全称地质勘探雷达系统（Ground Penetrating Radar ）(简称GPR)。它是通过向所探测地面下方发射高频电磁波束、并接受来自地下的介质界面的反射波来探测地下介质分布的地球物理勘探设备。其分辨率高、定位准确、快速经济、灵活方便、剖面直观、实时图像显示等优点，备受广大工程技术人员的青睐。现已成功地应用于岩土工程勘察、工程质量无损检测、矿产资源研究、生态环境检测、城市地下管网普查等众多领域，取得了显著的探测效果和社会经济效益，本文以三个实例，说明探地雷达技术在工程中的应用效果。

2 基本原理

地质雷达是一种使用高频电磁波探测地下介质分布的非破坏性探测仪器。它

通过剖面扫描的方式获得地下剖面的扫描图像(图1)。雷达通过在地面上移动的发射天线向地下发射高频电磁波，

电图1 地质雷达探测工作

图2 雷达波形记录示意图

天线天线

地面基岩面溶洞

点位（m)

12345670

双

程

时

间

(ns)

磁波在介质中传播时，其电磁波强度与波形将随所通过介质的电性质及几何形态而变化。因此，根据接收到波的旅行时间(亦称双程走时)、幅度与波形资料，可推断介质的结构。雷达图形常以脉冲反射波的波形形式记录，波形的正负峰分别以黑、白表示，或者以灰度或彩色表示。这样同相轴以等灰度、等色线即可形象地表征出地下反射面。图2为波形记录的示意图，图上对照一个简单的地质模型，画出了波形的记录，在波形记录图上各测点均以测线的铅垂方向记录波形，构成雷达时间剖面，通过对雷达图像的判读，可确定地下界面或地质体的空间位置及结构。

3 工程实例

3.1 岩溶地质勘探

本次工作任务是探测挖掘坑深部15米内有无岩溶洞穴、溶槽溶沟、溶蚀裂隙。挖掘坑为一溶洞，根据钻探资料可知，上面为洞穴堆积物，下面基岩层为灰岩。

地质雷达的观测方法采用剖面法。根据所揭示的地层分布特征，覆盖层的电

磁波平均速度一般为0.06～0.08 m/ns ，

下伏灰岩电磁波平均速度一般为0.09～

0.12m/ns;考虑雷达波的穿透能力，采用

100Mhz 天线，设定探测窗口为500ns ，

采样点为1024，采取连续观测采集数据。

在隐伏基岩为灰岩的地区，溶蚀破碎带是一种较为常见的地质现象，一般情况下，致密的灰岩雷达波相特征是非常弱的反射或无反射，其周期较上覆黏土层应明显增加。而当致密的灰岩层在地下水的作用下发生溶蚀后，首先是以细微裂隙形式存在，且伴随溶蚀程度的提高而逐渐扩大，当这些细小的裂隙发展到一定程度后，常常会上下，左右连通，致使周围岩石破碎，进而形成溶蚀破碎结构。由于这些破碎的裂隙空间常常被空气、水以及黏土等物质所充填，进而使得裂隙与围岩之间接触面两侧的波阻抗存在差异，因此，当雷达波运行到这些波阻抗存在差异的接触面时，将会发生反射、折射和绕射，形成杂乱的强波阻抗反射特征。 当溶蚀裂隙扩展到一定程度，便发育成溶洞。溶洞雷达图像的特点是被溶图3 溶蚀破碎带雷达变面积曲线图 破碎

洞侧壁所包围的强反射空间，表现为高幅、低频、等间距的多次反射波阻，而溶洞底界面反射则不太明显，当溶洞内部空间充填水或黏土时，局部雷达反射波可变强。当溶洞内充填了碎石时，则可见一组杂乱的强反射短波阻，这是由洞内碎石结构特征所决定的。

图3为挖掘坑区地质雷达变面积曲线图，雷达信号反映浅部波形规则，同相轴连续性较好，反射界面连续清晰，电磁波反射强烈，振幅较大，且有多个反射界面。为黏土、砾石堆积层及灰岩强风化层，厚度约3.2～3.5米。其下为灰岩，在图中粗线圈定的区域，雷达反射波变强，振幅变大，频率变低，且有多次反射，为一溶蚀破碎带，埋深5～13.5米。

理论与实践证实，地质雷达因其使用宽频带、短脉冲电磁波为震源，其有比其它的地球物理方法更高的分辨率，不但具有快速、非破损、经济等优点，而且还可以形象地揭示溶蚀异常的空间展布形态，在岩溶地质勘察中能够取得较好的应用效果。

3.2 地下管线探测

城市的地下管线是一个城市重要的基础设施，担负着信息传输、能源输送等工作，是城市赖以生存和发展的物质基础。但由于多方面的原因，现有地下各类专业管线的资料残缺不全或资料精度不高、与现状不符，造成在建设施工中时常发生挖断或挖坏地下管线，从而造成停气、

停水、停暖、通讯中断等严重事故。为了有

正确的规划、设计和避免施工事故的出现，

掌握准确可靠的地下管线分布、走向、埋深

等状态信息具有重要的意义。

图4为城市沥青路面下的地质雷达剖面

图，采用270Mhz 天线，设定探测窗口为100ns ，采样点为1024，采取连续观测采集数据。15米处为交通信号电缆，埋深为1米，30米处为两根金属管道，埋深为1.6米，51米处为上下两层管道，上为PVC 管，埋深为1.5米，下为金属管，埋深为2.4米。

只要地下管线目标与周围介质之间存在足够的物性差异，就能被地质雷达发现，地质雷达探测管线的能力，弥补了管线探测仪的探测缺陷，

因此在城市地下图4 地质雷达剖面图

管线的探测中得到普遍应用。

3.3 高速公路检测

高速公路路基往往由于含水量过高、承载力不足、压实度达不到要求等原因，而使路基产生过量沉陷，形成空洞、暗穴，有时局部还会产生滑坍。面层在行车荷载的反复作用和自然风化因素的影响下，会逐渐出现损坏，形成路面沉陷、车辙推移、开裂等。公路病害的形成原因是多方面，有本身质量造成的，有自然风化、外界作用产生的，因此在公路病害调查中，查明“病因”十分重要。

传统的检测方法测点随机，密度稀，速度慢，且对路面有破坏，难以准确全面地发现道路内部存在的隐性病害。在不影响车辆正常行驶及不破坏路面结构的

前提下，采用无损检测技术是必然要求。公

路无损检测方法必须满足下列条件：精确确

定缺陷的形状、大小和深度；对路面无损；

能在大范围内进行检测；装备简单、使用方

便；不受周围环境影响。

图5为某高速公路路面下的地质雷达变

面积曲线图，采用100Mhz 天线，设定探测窗口为200ns ，采样点为1024，采取连续观测采集数据。在水平位置7米处，埋深（1～6）米，雷达曲线频率变低，强度变弱，同相轴向下弯曲，表明此段路基区别于其它段，为软弱区或路基塌陷，此处路面上可见裂缝。后经钻探验证为含水量偏高的软弱区。

地质雷达正是一种能满足上述要求的综合性高速公路无损检测方法，它可以实现对道路的快速无损检测，对保证工程质量和高速公路检测技术的发展具有重要意义。

4 结 语 地质雷达以其高效快速、高精度在护险工程探测中发挥重要作用，取得了良好的应用效果，且对浅层或超浅层的工程探测中有着十分广阔的应用前景，然而地质雷达的探测深度和精度与所采用的天线频率有很大关系，天线的频率越低，探测深度越大，则精度越低；而天线的频率越高，探测深度越浅，则精度越高。因此根据工程任务的不同，采用相应频率的天线及合理设置地质雷达参数。可以预料，随着雷达技术的不断开发研究，地质雷达在工程中的应用会越来越广泛。 软弱区 图

5 地质雷达变面积曲线图