地质雷达在公路建设地质勘探中的应用.doc

地质雷达在公路建设地质勘探中的应用http:/www.BianJiB 2010-04-26 10:55 点击： 429 次 评论：0 条 转播到腾讯微博 -焦天靖 陕西省公路勘察设计院 摘要在公路建设地质勘探中，为准确勘工程现场的地质类型，确保施工有针对性、顺利地进行，地质雷达是一项广泛适用的技术手段。为此，在分析公路建设勘探中所遭遇的地质类型的基础上。探讨了地质雷达的工作原理及其工作方法尤为必要。关键词地质雷达 溶洞 采空区作者简介：焦天靖（1973-），男，陕西西安人，陕西省公路勘察设计院通盛岩土公司，工程师。地质雷达在考古、市政建设、建筑、铁路、公路、水利、电力、采矿、航空等领域都有广泛应用。地质雷达最早用于工程场地勘查：解决覆盖层厚度、松软层厚度及分布、基岩风化层界面及分布、基岩节理和断裂带、地下水分布、普查场地地下溶洞、空洞、塌陷区、地下人工洞室、地下排污巷道、地下排污管道及地下管线等，在回填等松软层上，探查深度可达20m以上，在致密或基岩上探查深度可达30m以上；工程质量检测及病害诊断：近年来，国内外铁路公路等地下隧道、公路及城市道路路面、机场跑道、高切坡挡墙等重要工程项目的工程质量检测及病害诊断中，广泛采用雷达技术。主要检测衬砌厚度、破损、裂隙、脱空、空洞、渗漏带、回填欠密实区、围岩扰动等，路面及跑道各层厚度、破损情况，混凝土构件中的空洞、裂隙及钢筋分布等，检测精度可达毫米级；地质雷达可预测前方50m范围内的断层、溶洞、裂隙带、含水带等地质构造；本文所探讨的，主要是其在公路地质勘探中的应用。一、公路建设勘探中应关注的主要地质类型在公路勘探中需要特别关注的地质类型很多，而需运用地质雷达探测技术主要要以下两种：（一）岩溶岩溶又称喀斯特（karst），在我国广泛分布，约占我国国土面积的1/3，其中裸露岩溶区面积1.3106km2，主要集中在广西、贵州、云南、重庆、湖南等省市，就贵州省而言，岩溶区面积就占其总面积的74%。随着西部大开发的进行，在岩溶地区修筑的高等级公路越来越多，不可避免的会遇到溶洞群、塌陷区、地下水害等岩溶病害，这些病害易使路基、桥基、隧道发生变形，甚至破坏，从而降低公路及结构物的安全性和可靠性。如何发现岩溶、评价岩溶以及如何处置岩溶成为公路建设中必须面对的问题。地质雷达探测技术以快速、高空间分辨率、对目标的三维电磁特性敏感等特点广泛应用于各领域，因此，地质雷达方法可用于查明公路基础岩溶的深度和空间分布，是一种有效的方法。（二）断层与采空区。在煤矿富集地带，采煤遗留下的采空区，尤其小煤矿的越界开采和许多不合理的开采，一直困扰当地建设的一大地质灾害。对已有的建设存在安全隐患。由于地下煤层开采将会改变原有应力平衡，引起煤层上覆岩层变形和破坏。采空坍塌引起的地层移动及变形造成地表拉裂、地隆起、地表倾斜、扭曲、地表阶梯状、漏斗形塌陷等，对地表已有的建设构成安全隐患1。山东某高速公路路段出现不同程度的沉陷，调查公路沿线分布有许多煤矿，留下了大量的煤巷道采空区。为确定该路段沉陷详情，为下一该段沉陷公路维护和修复提供地质资料，对该进行浅层地震勘探。该路段地下为某矿12下采西北翼井田边界，走向西北东南，煤层埋藏深度般在110120 m。因靠近井田边界断层，受其响，工作面内发育多条高角度的断层构造，落差315 m不等，开采地质条件极为复杂。采空区存在对高速公路的正常使用存在威胁，需要进工程处理。为保证公路运营的安全可靠，采空区探测工作势在必行。二、地质雷达在岩溶勘探中的工作原理（一）岩溶区地下介质的介电性质地质雷达探测地下目标就是测量地下电磁参数。地下介质的电磁参数用，表示，为介电常数，=r0，0为真空中的介电常数，其值是8.85410-12F/m，r为相对介电常数，在地下介质中变化范围为181；为电导率；一般为真空磁导率0，其值为410-7H/m，由Maxwell方程，对频率为的平面波，影响电磁波在地下传播的参数为衰减常数与相移常数。=2 1+2-1，=2 1+2+1 （1）对电导率较小的地下介质，可近似得：2= 2r=188.4r， = 00r=rC（2），其中，C为光速。电磁波在地下的传播速度为：V=Cr（3），由地下介质的电磁波传播速度可以估计出地下目标的深度，由衰减指数可以预测地质雷达的探测深度2。 （二）地质雷达反射系数在常见的地质情况下，使用天线距较小时反射系数（功率反射系数Pm=2，要求Pm0.01）满足下式：=w-m，w+m（4），其中，为目标体反射系数；w为围岩相对介电常数；m为目标体相对介电常数。由于水的介电常数为81，一般不含水的岩石颗粒介电常数为35。因此，地质雷达反映地下介质的介电性差异与其含水性有很大关系。3电性差异越大，界面反射系数越大，探测效果越好；反之，探测效果不好。同时，要求这种电性差异要有一个突变的而非渐变界面，否则也不会出现清晰的反射波，难以获得比较好的探测效果。（三）地质雷达的分辨率1垂直分辨率。指地质雷达剖面中能够区分一个以上反射界面的能力。考虑到干扰噪声等因素，一般把式（5）作为垂直分辨率的下限。b=/4 （5）其中，为雷达子波的波长。2水平分辨率。指对两个同等深度的地下目标的分辨程度，通常可用Fresnel带加以说明。第一Fresnel带的直径可按下式计算：df=H/2 （6），其中，H为异常体埋藏的深度。当异常体水平尺寸为Fresnel带直径的1/4时，能接收到清晰反射波，地质雷达的水平分辨率小于1/4的Fresnel带直径。一般岩溶区介质的电性特征都有明显差异，致使雷达波的振幅、频率、反射极性等动力学特征也发生变化。其雷达波场特征，如下：1异常强的反射振幅。2反射波极性不变。空气的相对介电常数为1，围岩的相对介电常数为430，计算反射系数，岩溶顶部反射波与界面的入射波同向。3一般溶洞在雷达剖面上反射同向轴呈向上凸起的弧形。当岩溶内有水时，水的相对介电常数为80，围岩的相对介电常数为430，计算反射系数，相对上部地质雷达分界面，水与围岩分界面上的反射系数值为负。根据水深情况会出现不同程度的空白区（速度引起的陷井）。水的电磁波速为0.033 m/ns，是围岩电磁波速的1/31/5，则在时间剖面上，水与围岩分界面上的脉冲体现为相对延迟。三、地质雷达在岩溶勘探中的工作原理断层、采空区是公路最主要的地质灾害之一。于公路地质异常体探测的物探方法主要有地震及探地雷达。探地雷达利用的是高频电磁波，衰减较快，因比较适用于探测深度较浅的目标体。由于可以换不同频率的天线，适用面较广，在探测浅部地介质时，具有比地震波法更高的分辨率。同时雷探测属于无损检测方法，具有经济，高效，非破坏性等优点。但当探测深度较深时，一般超过60 m，探地雷达就不再适用。浅层地震反射波法同常规反射波地震勘探原理相同，是最为成熟、应用最为广泛的地球物理勘探方法之一，相比其他方法它的原理较复杂。该方法可以进行连续勘探，对查明规模、埋深较大目标体的分布情况具有很大的优势。本次勘探目的层深度达100 m之多，采用探地雷达不能达到很好的效果，所以采用的为浅层地震反射波法。勘探原理。浅层地震反射波法是利用人工激发的地震波在弹性介质传播的规律，通过人工在地面激发弹性波，当点源激发的地震波入射到地下介质分界面时，由于不同介质间存在波阻抗差异，地波会在地下不同介质界面处产生反射；沿测线的不同位置用检波器接收其反射波信号。地震波在介质中传播时，其路径、振动强度和波形将随介质的弹性性质及几何形态的不同而变化2。对仪器接收到的地震波形资料，利用专门的地震资料处理软件进行全面分析、处理和计算，得到地震时间剖面。当地层连续时，地震时间剖面表现为反射波连续；当地震波遇到采空区或破碎带时，地震时间剖面表现为反射波紊乱（纵波速度明显减小，振幅大降低引起的）。4四、结语地质雷达以其高效快速、高精度在护险工程探测中能够发挥重要作用，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。本次采用中