摘要：建筑工程或大型基建項目巖土層勘察是基礎保證，鉆探和微測井地等方法都只能得到部分點的巖土層信息；地質雷達探測是利用不同界面的電性差異,反映整個空間巖土性質變化的特征。針對某勘察任務的需要，從地質雷達參數設計、資料處理和巖土層信息解釋說明了在巖土層勘察應用，顯示地質雷達探測能提供整個工程區域巖土勘察信息，為工程設計、施工提供可靠保障。

　　關鍵詞: 地質雷達，巖土勘察，電性結構，反射波處理；

　　Abstract: Construction or large infrastructure projects is the basis to ensure rock and soil survey as drilling and micro logging methods can only get part of the rock and soil information. The geological radar detection skill takes use of different electricity in different interface to reflect spatial soil properties variation characteristics. According to a survey mission needs, this paper explans the use of geotechnical investigation from the design of geological radar parameters, data processing and rock and soil information, indicating that geological radar intection can provide geotechnical investigation of the whole project area, thus making reliable guarantee for engineering design and project construction.

　　Key words: Geological radar, Geotechnical investigation, Electrical structure, Reflection wave processing

　　所謂地質雷達，亦稱為探地雷達，一般是將1Mz~1GHz的高頻電磁波通過發射天線進行定向發送，當介質存在著電性差異時，會反射一部分電磁波并由地面接受天線所接收，雷達主機會對所收到的反射信號(波形、強度、電性和幾何形態)數據進行相應的處理和解釋，從而達到對巖土層信息和目標體的探測。該技術屬于無損檢測，具有的高效、連續、無損、高精度等特點，因而得到了廣泛的應用。

　　大型基建工程巖土層信息在空間變化較大的區域，對其詳細全面的勘察非常重要，由于受成本和工地條件的限制，通常采用布置部分鉆探和微測井。而鉆探和微測井地等方法都只能得到一個點的巖土層信息，利用間隔較大的多點測量對巖土層界面進行劃分,不能準確確定表層的巖土層界面和結構,對巖土層信息的分析存在多解性。地質雷達探測是利用不同界面的電性差異,反映巖土性質變化的特征。

　　某客車公司廠房大型基建基礎施工需要勘察淺地表巖土層特性，需對該廠區淺層地質情況進行勘探，為了了解該廠區的地質層位的詳細分布和空間變化，設計了1500米長地質雷達測線。使用RIS探地雷達40MHz半屏蔽天線對該測線進行了連續剖面測量，為設計和施工提供指導。

　　1 探測原理

　　探地雷達的主要組成部分包括一體化主機，發射和接收天線以及相應的配套軟件等。其基本工作原理是：電磁波在傳播過程中，不同的有耗介質中所具有的傳播特性存在一定的差異。利用寬頻帶短脈沖，探地雷達所發射的高頻電磁波(如40Mhz)在經過不同介質界面時會發生相應的反射，一般而言，介質的相對介電常數就決定了該反射系數的大小。這樣，雷達主機會對反射回來的電磁波信號進行數據處理并解譯相應的圖像，從而有效的對反射層或不易發現的目標物進行有效識別。另外，雷達波的反射信號強度與電性差異是正比例關系，通常是不同介質的電性差異越大，雷達電磁波反射信號越強。而雷達電磁波的穿透深度與介質電性和中心頻率成反比例關系，即導電率和中心頻率越高，電磁波的穿透深度越小，反之亦然。如圖1所示。

　　圖1   探地雷達工作原理示意圖

　　在一定的介質中，電磁波的傳播速度是恒定的，通過讀取探地雷達所高妙的記錄地面反射波與地下反射波的時間差，我們就可以計算地下反射層的埋藏深度，如式(1)所示。

　　(1)

　　V是電磁波在介質中的傳播速度，ΔT是時間差，H是地下反射層的埋藏深度。

　　電磁波在介質中的傳播速度計算方法如式(2)所示：

　　(2)

　　其中，H是所要探測的目標物的厚度；V是電磁波在地下介質中的傳播速度，C是電磁波在大氣中的傳播速度，是一個常數，一般記為3×108m/s；ε是相對介電常數，該常數隨著地下各層構成物質的不同，其介電常數也不同，具體數據需要根據實際情況而定，不能一概而論。

　　通常情況下，雷達波反射信號的振幅與反射系數是正比例關系，考慮以位移電流為主的低損耗介質，反射系數r的測算見式(3)：

　　(3)

　　式中，ε1、ε2為不同介質所對應界面的相對介電常數。

　　2 數據采集及參數確定

　　測量參數選擇合適與否關系到測量的效果，根據勘察任務的需要，現場測量開始前應該對雷達的采集參數進行試驗和設定，測量參數的選擇包括天線中心頻率、時窗、采樣率、采樣點數以及發射與接收天線間距，參數設置的是否合理影響到記錄數據的質量，至關重要。

　　1）天線中心頻率

　　雷達天線頻率的選擇由勘探目標深度和表層介質的電性結構決定，一般高頻天線分辨率高，但探測深度淺，而低頻天線探測深度大，分辨率低。在滿足分辨率且場地條件又許可時，盡量使用中心頻率低的天線。因本區勘探20米以上地層分層和異常，我們選擇40Mhz非屏蔽天線連續剖面測量。

　　2）探測深度與時窗長度

　　對地質雷達勘探而言，如何選取合適的探測深度是極為重要的，若深度過小，則會丟失重要的探測數據，而深度過大，則會嚴重影響并降低勘探的垂向分辨率。在實際工作中，我們通常以探測深度設定為探測目標深度的1.5倍，采樣時窗長度（Range/ns）的選取則要綜合考慮探測深度和介電常數的實際情況，見式(4)。例如對于地層巖性為砂層時，介電常數為5，探測深度為20m時，時窗長度應選為300ns。

　　Range= 2H(ε)1/2/0.3= 6.6 H(ε)1/2(4)

　　3)采樣率

　　采樣率由Nyquist 采樣定律控制,即采樣率至少應達到記錄到的反射波最高頻率的2 倍。若天線中心頻率為f (MHz) , 則采樣率Δt (ns) 為1 000/ 6f 。

　　4）采樣點數

　　對于SIR型雷達，可供選用的采樣點數包括128、256、512、1024、2048，以較高的垂向分辨率為標準，可以在情況許可的情況下盡量選取較大的采樣點，具體來看，采樣點數Samples要滿足式(5)的要求，

　　Samples≧10-8*Range*f(5)

　　其中，f為天線頻率、Range為時窗長度。滿足該關系可以保證在使用的頻率下一個波形有10個采樣點。對于40MHZ天線，500ns采樣長度，采樣點數應大于500,我們取1024。

　　3 雷達數據處理

　　由于地下介質相當于一個復雜的濾波器，介質對波的不同程度的吸收以及介質的不均勻性質，使得脈沖到達接收天線時，波幅減小，波形發生變化，電磁波干擾收到隨機干擾，必須對信號進行處理，改善資料的信噪比，并使反射信號歸位。

　　1）應用帶通濾波和背景去除技術，消除隨機噪聲壓制干擾，提高有效反射波信噪比；

　　2）采用自動時變增益和均方根能量增益技術補償介質吸收，以提高深層反射信號能量；

　　3）通過剖面上繞射波的時距曲線擬合，并結合鉆孔分層資料，反演出該地區的電磁波傳播速度，并以此速度進行反射波時-深轉換，得到深度雷達反射剖面。

　　4）電磁波在異常區或起伏界面上產生強繞射波，影響分層解釋和判斷，時間偏移處理使界面反射信號歸位，獲得高質量的地質雷達圖像。

　　圖1   原始雷達剖面（上）處理后剖面（下）

　　上圖是經過上述處理步驟得到的地質雷達剖面對比，通過剖面上繞射波的時距曲線擬合，并結合鉆孔分層資料，得到電磁波傳播速度大約為0.16m/ns，并對反射波偏移處理，得到反射信號歸位后的雷達剖面。

　　4 數據解釋與結論

　　根據反射波組的波形與強度特征，通過同相軸的對比追蹤，并結合鉆孔資料確定反射波組的地質分層含義，構筑地質地球物理解釋剖面。并依據剖面的解釋，獲得各條測線的表層結構地質斷面分層解釋最終成果圖。

　　該工程區的幾個鉆孔資料顯示淺層分別為填土、粉質粘土和細砂及砂層。把測線經過的鉆孔和剖面對比，可以看到鉆孔分層和反射波在深度上基本吻合。從整個區域五條剖面上可見有幾組貫穿剖面的反射同相軸，在全區基本相似。但反射剖面上的各界面反射波形在空間分別上也有一些差異。

　　（1）因采用的40MHZ雷達天線，頻率較低，受直達波影響，來自淺層2m以內填土和粘土界面上的反射不能分辨。

　　（2）粘土和細沙電性差異較大，地層界面上就存在明顯的反射波特征，該3米左右界面上的反射波同相軸平直而穩定。

　　（3） 大約在7米附近有一個很強的反射同相軸，在未偏移的剖面上存在繞射波，說明該界面起伏，且橫向變化較大。推斷可能為砂層上下潛水面的影響。

　　（4）在深度17米和22米附件有一個較弱的反射波同相軸，而且在橫向上連續性較差，可能是砂巖層內沉積物差異而導致電性變化。

　　5 結語

　　地質雷達是一種非破壞性的原位探測技術,現場直接提供實時剖面記錄,圖像清晰直觀,工作效率高,重復性好。地質雷達技術可以區分淺層不同介質的界面,指出其精確深度和介質性質,探測結果反映的是連續的地下剖面的圖像。同時能夠呈現介質的橫向變化特征，為基建工程勘察設計和施工提供詳細的巖土層空間變化信息。

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