李可丁

摘 要：在我國安徽省沿江地區(qū)，有溶巖發(fā)育完善石灰?guī)r分布廣泛的區(qū)域，由于具有隱伏性強以及熔巖坍塌難度，無法進行準確預(yù)算及空間分布規(guī)律性差的特征存在于巖溶溶洞中，因此尤其需要通過采取科學(xué)的方法，對巖溶發(fā)育規(guī)律進行排摸，本文通過闡述用地質(zhì)雷達的方法，進行對巖溶發(fā)育期的綜合勘查，對基礎(chǔ)范圍內(nèi)巖溶溶洞的發(fā)育情況進行高效準確的了解，從而進一步提升巖溶區(qū)域的勘查進度以及勘查效益。

關(guān)鍵詞：地質(zhì)雷達技術(shù)；巖土工程；勘察應(yīng)用

中圖分類號：P631.3 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）23-0113-02

在我國的安徽省皖南地區(qū)，存在著石灰?guī)r分布，區(qū)域分布特征廣泛，具有石炭系二疊系和三疊系等集中構(gòu)造，隱伏巖溶在受到構(gòu)造斷裂以及地下水溶蝕的各種因素影響下得到了特別發(fā)育，如果在該區(qū)域進行工程的建設(shè)，巖溶問題會不可避免的，會遭遇到由其巖溶塌陷是一種非常常見的地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象，在施工當(dāng)中，尤其要對于巖溶洞穴，頂板坍塌發(fā)生的空間以及時間進行預(yù)測這樣才能確保工程的安全，但是在現(xiàn)實中該作用力的預(yù)測，經(jīng)常無法得到準確的數(shù)據(jù)，因此，對于巖溶地區(qū)，如何采用先進合適的勘察方法，對巖溶發(fā)育情況以及巖洞的購構(gòu)造進行研究，可以提升施工的進度，對工程的投資也能起到節(jié)約作用，這對確保工程安全具有重大的意義，開展對巖溶結(jié)構(gòu)的勘察，包含很多方法，其中地質(zhì)雷達勘探技術(shù)是近些年來逐步發(fā)展起來的一種先進勘探手段，它被廣泛的應(yīng)用于工程勘察的各個領(lǐng)域，已經(jīng)取得了令人信服的成果，尤其對于在巖溶地區(qū)，他通過對巖溶溶洞內(nèi)部的空間延伸情況以及平面分布情況，進行立體的勘察，解決了以往單純鉆探方法獲取的信息只不過是從一個點上得到，因此空間信息無法立體呈現(xiàn)的問題。我們選取了幾個勘測點，通過地質(zhì)雷達技術(shù)的應(yīng)用，進行對巖溶發(fā)育地區(qū)的勘探工作取得了一定的成效。

1 巖土勘察的重要性

通過巖土勘察工作的開展，可以對地質(zhì)條件進一步查清，進行對后期工作的合理設(shè)計與處理，因此尤其需要采取先進的勘察方法提升工作效率。在大型的工程當(dāng)中，通過勘察設(shè)計一體化，能夠最大程度的降低施工的風(fēng)險減少費用的支出，因此巖土勘察工作的重要性可想而知。進行巖土工程項目的勘察，是指根據(jù)建設(shè)工程的要求，對施工區(qū)域的巖土工程條件，地理環(huán)境特征進行查明、分析、評價，根據(jù)工程的需要，對工程項目進行設(shè)計，勘查工作在工程建設(shè)過程當(dāng)中是一個非常重要的環(huán)節(jié)，他對于工程設(shè)計當(dāng)中的勘察設(shè)計，材料設(shè)備供應(yīng)及施工安裝等都有重要的作用，通過勘察設(shè)計質(zhì)量的好壞可以對工程的質(zhì)量起到直接影響作用[1]?？辈焓窃O(shè)計的基礎(chǔ)，是一項先行工作，是工程項目建設(shè)的關(guān)鍵點所在，它可以對工程的施工建設(shè)提供直接依據(jù)，如果因為勘查工作的采用方法不合適，導(dǎo)致基礎(chǔ)設(shè)計和地基的處理出現(xiàn)問題，會增加工程施工的成本和隱患。

2 地質(zhì)雷達的工作原理

地質(zhì)雷達（Ground Penetrating Radar（GPR））是一種利用高頻電磁波技術(shù)探測地下物體的電子設(shè)備地質(zhì)雷達利用超高頻電磁波探測地下介質(zhì)分布，它的基本原理是：發(fā)射機通過發(fā)射天線發(fā)射中心頻率為12.5M至1200M、脈沖寬度為0.1ns的脈沖電磁波訊號。當(dāng)這一訊號在巖層中遇到探測目標(biāo)時，會產(chǎn)生一個反射訊號。直達訊號和反射訊號通過接收天線輸入到接收機，放大后由示波器顯示出來。根據(jù)示波器有無反射汛號，可以判斷有無被測目標(biāo)；根據(jù)反射訊號到達滯后時間及目標(biāo)物體平均反射波速，可以大致計算出探測目標(biāo)的距離。由于地質(zhì)雷達的探測是利用超高頻電磁波，使得其探測能力優(yōu)于例如管線探測儀等使用普通電磁波的探測類儀器，所以地質(zhì)雷達通常廣泛用于考古、基礎(chǔ)深度確定、冰川、地下水污染、礦產(chǎn)勘探、潛水面、溶洞、地下管纜探測、分層、地下埋設(shè)物探察、公路地基和鋪層、鋼筋結(jié)構(gòu)、水泥結(jié)構(gòu)、無損探傷等檢測[2]。

地質(zhì)雷達是通過用一個電線進行高頻電磁波的發(fā)射，通過使用另一個電信進行接收，高頻的脈沖電磁波被利用于地質(zhì)雷達中進行地質(zhì)條件的探測，當(dāng)，通過天線發(fā)射向下的短脈沖電磁波，以及高頻寬帶波什，可以遇到不同介質(zhì)特征的介質(zhì)，使得電磁波能量被返回，同時記錄反射時間則通過天線接收到的信息進行留存，原理如圖1所示。

反射波和透射波，通過在不同的波阻抗界面時遇到的反射實現(xiàn)向地下介質(zhì)傳播，在此過程當(dāng)中，應(yīng)當(dāng)遵循反射原理和透射原理的定律，當(dāng)反射系數(shù)大于反射能量波的時候，通過反射系數(shù)的數(shù)學(xué)表達方式計算后可以得到反射界面兩側(cè)的相對介電常數(shù)的數(shù)值，我們通過計算可以得到，反射界面兩側(cè)介質(zhì)，的反射系數(shù)大小通常由介電常數(shù)的差異而決定，反射信號波的明顯程度隨著差異程度的越大而體現(xiàn)的越明顯，根據(jù)對反射波的分析，對步行來回所需要的政府時間特征等進行對反射體性質(zhì)和位置的判別，可以得到地質(zhì)情況的推算結(jié)果，如圖2所示。

3 雷達在巖土工程塌勘測中的應(yīng)用

我們選取位于銅陵獅子山銅礦田南南側(cè)的地址，礦區(qū)進行勘測，選取區(qū)域面積距離，銅陵市區(qū)約為九公里，整體面積1.2平方公里，該區(qū)域的巖溶坍塌現(xiàn)象比較嚴重，最近于06年和07年曾發(fā)生過地質(zhì)坍塌導(dǎo)致民宅塌陷，由于做好了一定的防護措施，并未造成人身財產(chǎn)安全，但是對農(nóng)田等造成破壞面積較大，此外還出現(xiàn)了像到突水淹井現(xiàn)象，一定程度上也導(dǎo)致了礦山的經(jīng)濟效益受損，我們看到第四紀三疊系中的龍頭山組，在礦區(qū)露出地區(qū)發(fā)現(xiàn)石英閃長質(zhì)的侵入體，此外還有發(fā)現(xiàn)隱伏巖溶地質(zhì)中的大粒鹽龍頭三組中，存在著褐鐵礦覆蓋以及閃長巖覆蓋，出現(xiàn)一小溶洞和溶蝕裂隙為主的巖溶形態(tài)厚度為5到30米的第四系蓋層，通常溶洞的大部分高度低于三米，最大低于4.5米，大部分溶洞沒有填充，或者以半填充的淺狀態(tài)為主，通過對勘察帶北向東附近地區(qū)以及大理石接觸帶附近進行勘探，發(fā)現(xiàn)巖溶主要發(fā)育在閃長巖區(qū)域，通過在基巖面上進行勘測，土洞的開采洞深控制在11.1米左右，其中上部的位置為空洞現(xiàn)象，下面通過采用粉質(zhì)粘土進行填充。我們可見的巖溶坍塌，地表形狀表現(xiàn)為與圓形接近的橢圓形狀態(tài)，直徑達到4.5-7米，最大的能夠達到30米以上，可以見到由環(huán)形的斷續(xù)分裂裂紋分布在周圍。裂縫的長度從十厘米到數(shù)十米，洞深最深達到13米以上，通常介于0.5米到4米之間，桶裝或者碟狀是坡面的常見現(xiàn)象。在勘察過程當(dāng)中，我們選取了新華山銅礦主井北向東方向約130米處，發(fā)現(xiàn)塌陷坑的形狀為橢圓形，巖溶塌陷的直徑達到30米左右，深度約為14米左右，分布的裂紋在坑的周圍，環(huán)形圍繞，縫的寬度在2到5厘米之間，2007年4月，新華山銅礦曾發(fā)生透水淹井現(xiàn)象，造成了巨大的經(jīng)濟損失。在本次勘查工作當(dāng)中，物探采用地質(zhì)雷達進行對淺層地震相結(jié)合的辦法應(yīng)用，將地質(zhì)雷達的勘探線不在主井附近進行，主要的構(gòu)造線垂直布置11條剖面線，通過對區(qū)域的前部巖溶土洞的分布特征進行測定，可以得到典型地質(zhì)雷達影像圖如圖3所示。

3.1 地質(zhì)雷達施工階段的巖溶勘察

在進行地質(zhì)雷達對施工階段的巖溶勘察過程當(dāng)中，通過布點進行鉆孔檢驗?zāi)軌颍瑢蚨栈鶚兜膸r溶特征進行細致的分析，不點的工作要求作詳細的安排，對分辨率，穩(wěn)定性以及測量儀器的精度等具有較高的要求，在勘測中選用了技術(shù)領(lǐng)先的地質(zhì)雷達設(shè)施，該設(shè)備為瑞典MALA公司生產(chǎn)的系列主機，配以50赫茲的超強地面耦合天線，其特征為高速輕便，數(shù)字式以及集成化，通過選用光纖連接天線與主機，具有抗干擾性能強，數(shù)據(jù)質(zhì)量好以及速度快頻帶寬的特征，同時通過采用高壓窄脈沖技術(shù)，實現(xiàn)與天線脈沖源的互相對應(yīng)[3]。

3.2 地質(zhì)雷達的工作方法

在地質(zhì)雷達進行工作的時候，通過對施工階段上查到的橋長和水橋互通，主線橋?qū)崿F(xiàn)三通一平，然后完成對施工測量點的放樣，消除對地形的影響可以進一步提高勘查的精密度。通過鉆探可以得知，巖溶區(qū)內(nèi)溶洞的填充物為流塑狀的粘土，表現(xiàn)為溶洞與周圍圍巖的物質(zhì)差異顯著，雷達的電磁傳播效果主要取決于巖土層的含水率，由此可見橋位區(qū)域具備了使用地質(zhì)雷達進行勘測溶洞特征的物理前提。一般情況下，在每個蹲位進行3到5條物探測線的控制通過在橋梁方向平行于橋墩方向的位置進行雷達剖面的布置，通過左右樁中心點c測線的布置，第五條側(cè)線的ab側(cè)線與第一側(cè)線以及c測線進行對稱布置狀態(tài)的安排，由于橋墩的直徑大于1.5米，因此測點間距控制在0.25米線距為0.5米，選用的測距方法為對每條測線進行逐點探測，具體情況見圖4所示，通過，對試驗校對采集數(shù)據(jù)的分析，精確地對各層介質(zhì)的介電常數(shù)或電磁波速進行確立，在本次勘探中采用的為點測方法，50赫茲RTA天線時窗范圍選擇為0到1000ns。

3.3 地質(zhì)雷達資料的處理

選用軟件，對采集的數(shù)據(jù)進行分析得到，數(shù)據(jù)處理流程圖如圖5所示，得到雷達實時波形剖面。

3.4 異常推斷

我們經(jīng)過分析表明，在完整的灰?guī)r上進行雷達實施剖面圖的反應(yīng)，體現(xiàn)出同向軸振幅度較為小而且反射波同相增長幅度出現(xiàn)明顯增加，與此同時，形態(tài)也會發(fā)生變化，對于溶洞的三洞體形態(tài)深埋，規(guī)模則顯得比較小，巖熔為二度體型狀態(tài)。當(dāng)雷達測線處于常州方向的垂直位置時，雷達的波形剖面體現(xiàn)出繞射波以及雙曲線形狀的特征，一旦當(dāng)巖溶的規(guī)模比較大的時候，則雷達波形會呈現(xiàn)出不規(guī)則的強反射以及承重特征，一旦當(dāng)熔洞的體積大于2米×2米×2米時，再加上熔洞內(nèi)的填充物含水率較高，或者填充物為水的時候，會發(fā)生雷達波被強烈的吸收，以及振幅出現(xiàn)急劇衰減狀態(tài)，導(dǎo)致陷阱迅速出現(xiàn)[4]。通過對上水橋西匝道位置進行橫剖面雷達影像和地質(zhì)圖的解釋分析，可以得出該區(qū)域的巖洞溶洞特別發(fā)育狀態(tài)，可以反映出每一段面均有大小溶洞發(fā)育，數(shù)量為八個，發(fā)育的深度達到14-36米，其中有一溶洞剖面較大寬度達到2.2米以上，深度達到20-28米。

4 結(jié)語

此外，通過地質(zhì)雷達方法進行溶洞的空間分布深度的測試，可以實現(xiàn)建筑物在施工中盡量避開大型巖溶區(qū)域，通過采用合適的施工方案確保建筑物構(gòu)筑物的安全性，第二，通過使用地質(zhì)雷達進行熔巖性質(zhì)的測試，可以對各種地質(zhì)情況進行科學(xué)的反應(yīng)，這種方法具有快速經(jīng)濟的效果，可以大范圍的實現(xiàn)對地下勘察的斷面平面的連續(xù)觀測，是工程勘測中的重要方法。第三，地質(zhì)雷達的使用必須實現(xiàn)和鉆探的綜合使用，通過分析驗證后才會得到對復(fù)雜地質(zhì)情況的解釋結(jié)果。

參考文獻

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