沈方鋁，陳偉，李培

探地雷達在小學校區(qū)廢棄防空洞探測中的應用研究

沈方鋁，陳偉，李培

（福建省地震局，福建 福州 350001）

學校建設工程安全關(guān)系著廣大師生的身心健康和生命安全，關(guān)系著千家萬戶的幸福，影響著社會的和諧穩(wěn)定。福州鼓山中心小學地基基礎工程建設時發(fā)現(xiàn)了易引起地質(zhì)災害的廢棄土質(zhì)防空洞，運用探地雷達方法技術(shù)探明了校區(qū)下伏廢棄防空洞，有效防范了安全生產(chǎn)事故的發(fā)生。通過探地雷達對目標體的探測，分析了地下土質(zhì)防空洞的雷達波組異常特征，總結(jié)了探地雷達時深剖面圖的異常特征，準確地探測出了防空洞的具體位置、規(guī)模和可靠的走向延伸方向，為確保小學建樓地基的穩(wěn)定提供了技術(shù)支持。

探地雷達；電磁波；防空洞探測；異常特征

1 引言

學校建設工程安全事關(guān)廣大師生的生命和安全，隨著國民經(jīng)濟快速發(fā)展，校園建筑工程安全問題得到廣大學校的重視。因此，學校對校園建筑工程場地地基條件的勘察精度要求也越來越高。作為建筑場地地基條件勘察的常規(guī)手段之一，工程鉆探成本過高，不能大面積高密度鋪開[1]，很容易遺漏場地鉆孔間的小型土洞、溶洞、防空洞等不良地質(zhì)現(xiàn)象。因此運用價格相對低廉、工作無損、結(jié)果相對準確快速的物探手段來對學校建筑工程場地的地基條件進行調(diào)查和探測是比較合適的。

隨著物探方法的進步，包括探地雷達[2]、高密度電阻率法、淺層地震反射波法、剪切波速測試[3-4]等多種物探手段都可以進行工程建筑場地地基條件探測。其中高密度電阻率法對淺部相對較深的含水裂隙或空洞的探測效果好[5]，淺層地震勘探適用探測淺部相對深度較深的空洞[6]，這兩種方法在建筑工地上常受到剖面大、干擾源多等客觀因素的制約。探地雷達是一種利用高頻電磁波在巖體傳播中遇到地質(zhì)界面產(chǎn)生反射的特性探測異常地質(zhì)體的一種方法，該方法具有精度高、連續(xù)無損、經(jīng)濟、快速、抗干擾強、圖像直觀等特點[7]，更適宜在城市建筑工程復雜條件下快速檢測和識別地下不良地質(zhì)體。

經(jīng)初步調(diào)查，福州市鼓山中心小學教學辦公綜合樓建設過程中某處發(fā)現(xiàn)廢棄土體地下防空洞，其洞體局部下沉，易導致塌陷，給工程建設帶來了一定的安全隱患，需要對其位置、埋深及規(guī)模進行探測，為建筑工程提供參考。該土質(zhì)防空洞相關(guān)資料遺失，揭露為充滿空氣的近水平的不規(guī)則柱狀體或半坍塌狀空洞，洞口埋藏于砂土狀強風化花崗巖中，洞深小于3 m，而施測范圍只能布置在狹窄短小的工地上，探測難度大。根據(jù)上述的工作條件，選擇探地雷達方法對其進行探測。

2 地質(zhì)概況

鼓山中心小學教學辦公綜合樓地處福州市晉安區(qū)鼓山鼓二村，在區(qū)域構(gòu)造單元方面位于閩東火山斷拗帶內(nèi)的次一級構(gòu)造單元福鼎—云霄斷陷帶和閩東南濱海斷隆帶上，處于閩江下游地域，為鼓山—鼓嶺斷塊低山地形。坐落于一座小山包上，屬剝蝕殘丘地貌類型，下伏地層巖性主要為殘積土、強風化花崗巖。

3 防空洞探測的原理與方法

3.1 原理

探地雷達是利用雷達主機發(fā)射天線（T）發(fā)射高頻帶短脈沖電磁波，經(jīng)過地下地層或目標體反射后返回地面，為接收天線（R）所接收反射來探測目標體，探地雷達工作原理如圖1所示。探地雷達根據(jù)地下介質(zhì)中的電性差異所得的電磁波在介質(zhì)中傳播的路徑、電磁場強度與波形等圖像剖面，進行探地解釋，分析地下介質(zhì)或目標體的結(jié)構(gòu)、目標體埋藏深度等。

圖1 探地雷達工作原理

電磁脈沖波從發(fā)射經(jīng)深度為的地層界面或目標體反射到接收天線，在地下介質(zhì)中的雙程傳播時間為：

式（1）中：為地下介質(zhì)界面或目標體的深度；為發(fā)射天線與接收天線之間的距離（本文采用一體式屏蔽天線，近似為0）；為反射波在介質(zhì)中的傳播速度。

因此，該式可以進一步簡化為：

電磁波傳播速度與介質(zhì)相對介電常數(shù)的關(guān)系為：

式（3）中：為真空中電磁波傳播速度（＝0.3 m/ns）；為介質(zhì)相對介電常數(shù)。

當介質(zhì)的傳播速度或介質(zhì)相對介電常數(shù)已知時，即可求出地層界面或目的體的深度。在采用的儀器天線為收發(fā)一體，相對探測深度很小的情況下，則反射系數(shù)可表示為：

由式（4）可知，反射界面兩側(cè)介質(zhì)的相對介電常數(shù)的差異決定了反射系數(shù)的大小。差異越大反射系數(shù)越大，探測出的異常越明顯。

3.2 防空洞異常

揭露的防空洞為較為規(guī)則的拱形結(jié)構(gòu)，如圖2所示，設在介電常數(shù)為1的均勻半無限空間內(nèi)存在一介電常數(shù)為2的球狀體，反射點埋深為，球狀體半徑為，頂部埋深為=1，底部埋深=2，電磁波的發(fā)射點位，接收點為，天線的中點即為當次發(fā)射電磁波由空洞界面反射接收后的記錄點，由于本文采用收發(fā)一體天線，其近似為同一個點。設=，=，則（+）2=2+（+）2，整理后可得：

該式即為探地雷達探測空洞的雙曲線方程[8]，反映了防空洞異常的基本圖形特征。

電磁波反射出現(xiàn)在兩者交界面上，其反射強弱取決于兩者之間介電常數(shù)的差異大?。ń橘|(zhì)組成、圍巖風化程度和含水性質(zhì)等）。

4 定量計算及異常分析

城市地下土質(zhì)空洞這一地下不良地質(zhì)體的探測工作采用何種探測手段和工作方法，是達到工作目的關(guān)鍵所在[9]。

該防空洞出露洞口位于福州市鼓山中心小學教學樓場地西北角，洞口埋藏于強風化花崗巖中，洞頂埋深約1 m，洞寬約1 m，洞內(nèi)頂、底、壁為自然狀態(tài)，未經(jīng)人工砌護。教學樓場地工程場地處于施工狀態(tài)，工作條件較差，現(xiàn)場金屬干擾較多。由于防空洞的頂?shù)捉缑嬉话銥榛炷?、巖石或硬土，內(nèi)部結(jié)構(gòu)復雜，可以分為完整干燥無充水和有坍塌充填物兩種。完整干燥無充水的防空洞頂?shù)捉缑鎯蓚?cè)物性差異大，圖像易于分辨，有坍塌充填的空洞則相對復雜，波形較為雜亂。雷達發(fā)射波的反射系數(shù)的大小取決于探測目標與圍巖間介電常數(shù)的差異，差異越大，反射系數(shù)越大，探測效果越好。

根據(jù)上述條件，針對性采用美國勞雷工業(yè)公司研制的GSSI SIR-20型探地雷達進行探測，匹配天線選用了中心頻率100 MHz屏蔽式天線。根據(jù)現(xiàn)場狀態(tài)及揭露的情況，采用點測模式，測點距離為0.2 m，疊加次數(shù)128次。時窗（）選擇主要取決于最大探測深度max與地層電磁波速度，根據(jù)公式=1.3*2max/，計算得到=150。

4.1 速度及介電常數(shù)計算

探地雷達資料解釋的重要內(nèi)容即為探地雷達電磁波速度的產(chǎn)出，其結(jié)果直接關(guān)系時深轉(zhuǎn)換和解釋結(jié)果的準確性。常用的電磁波在介質(zhì)中傳播速度的獲取方法有已知目標換算方法、幾何刻度法、介電常數(shù)法、CDP速度分析法、反射系數(shù)法等。已知目標換算方法簡單快速準確，是最常用的方法。由于現(xiàn)場揭露已知地層和目標體的深度，因此本文采用目標換算方法即可快速得到準確的速度。

如圖2所示，根據(jù)揭露空洞頂界面埋深和雷達波的雙程走時，直接運用=2/，即可得到上覆砂土狀花崗巖的電磁波速度為0.15 m/ns。再根據(jù)公式（2）可以求得砂土狀花崗巖的介電常數(shù)。計算后得出=4.16，因此，本文在時深轉(zhuǎn)換時采用的介電常數(shù)為4。根據(jù)=/，計算可得=0.17 m。遠小于埋深。由于發(fā)射、接收天線間距離遠小于防空洞埋深，根據(jù)第一Fresnel帶的直徑的計算公式可得=0.29 m。由此也驗證，采樣的點距0.2 m已充分滿足要求。

4.2 防空洞直徑R的定量計算

設雷達波在防空洞中的傳播速度為光速，在防空洞頂界面點的雙程走時為1，底界面點的雙程走時為2，防空洞的縱向直徑為，則=/2=（2－1）/2。頂界面的雷達波雙程走時約為：1=17 ns，2=30 ns，代入后計算可得，=1.45 m。

4.3 雷達圖像分析

界面反射信號的強弱和反射波相位與直達波相位的關(guān)系是判讀空洞依據(jù)[9]。追蹤雷達波同相軸的連續(xù)性和識別波阻抗反射界面是探地雷達剖面圖像解釋的關(guān)鍵[10]。在雷達圖像上，空洞表現(xiàn)為反射振幅較強、連續(xù)、呈弧狀等特征[11]。實際探測所得的探地雷達圖像顯示，空洞頂?shù)捉缑娴耐噍S相位相反，雷達波由砂土狀強風化花崗巖進入防空洞有強烈的反射，防空洞底界面也存在較為強烈的反射波，說明了防空洞內(nèi)部與圍巖有較大的介電常數(shù)差異。防空洞頂?shù)捉缑胬走_單道波形識別如圖3所示。探地雷達時間剖面及解譯如圖4所示。

圖4 探地雷達時間剖面及解譯圖

從圖3可以看出，探地雷達剖面第32道顯示出了較為明顯的電磁波低速到高速，高速到低速的特征，頂?shù)捉缑嫘盘枙r差較大，體現(xiàn)了空洞的雷達波響應特征。

從圖3可以看出，測線里程為6～8 m，縱向時深17～30 ns附近存在一能量很強的波組界面，伴隨多次強反射，存在繞射現(xiàn)象，總體呈較為對稱的雙曲線同相軸形態(tài)。根據(jù)雷達圖像識別并參考揭露空洞等資料，推測該處存在一下埋防空洞，經(jīng)時深轉(zhuǎn)換后頂?shù)捉缑媛裆顬?.3～2.7 m，橫向界面大約在測線6.5～8 m位置，寬1.2 m；在測線12～17 m，縱向時深1.3～2.7 m位置附近存在兩處呈雙曲線型的雷達電磁波強反射。該處寬幅反射雷達電磁波能量強有規(guī)律，伴隨多次強反射疊加，總體呈雙峰雙曲線，推測該位置存在兩處下埋防空洞，位置分別在測線12～13.5 m附近和測線15.5～17 m附近，寬1.3 m；在埋深大約3.5～4.0 m處存在一反射能量分布較均勻、同相軸連續(xù)好、圖像清晰穩(wěn)定的波組界面，其反射波的首波相位與入射波同相，且上層反射波呈現(xiàn)低頻大振幅連續(xù)反射，下層呈現(xiàn)高頻弱振幅反射。根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查推測該界面為強風化花崗巖與中風化花崗巖間的土體層位分界面，強風化層中礦物按深度分布，垂向電磁參數(shù)差異較大，呈現(xiàn)低頻大振幅連續(xù)反射；其下的新鮮基巖中呈現(xiàn)高頻弱振幅反射，從頻率特性中可較為清楚地將兩層分開。

針對探地雷達探測所發(fā)現(xiàn)的地下異常目標，現(xiàn)場進行了開挖驗證，直接驗證解釋結(jié)果的正確性，如圖5所示。該防空洞埋藏深度約為地表以下1.5 m，洞寬1.2 m，底界面為地表下2.8 m，基本完好，部分有少量坍塌。開挖結(jié)果與雷達數(shù)據(jù)解譯結(jié)果相比，探地雷達所解譯的地下防空洞頂界面深度為1.4 m，洞寬底界面埋深2.9 m，頂?shù)捉缑鎺缀跻恢拢瑑H相差0.1 m，效果較為理想；防空洞橫向解譯寬度為1.2～1.3 m，開挖實際寬度為1.0～1.2 m，誤差最大0.2 m，位置中心點與開挖結(jié)果吻合較好。

圖5 防空洞開挖驗證照片

5 結(jié)語

探地雷達方法是一項應用十分廣泛的近地表地球物理探測方法。與其他物探手段相比，設備便攜、速度快、探測精度高、實時顯示圖像、無損探測及剖面連續(xù)等是探地雷達的技術(shù)優(yōu)勢。但是實際工作中，需要根據(jù)探測目的體、周邊工作環(huán)境與探地雷達自身的優(yōu)劣特性有機結(jié)合來針對性地選擇天線頻率和工作參數(shù)。

探地雷達的數(shù)據(jù)采集直接影響雷達圖像的質(zhì)量。探地雷達的雷達波同相軸變化、反射界面的識別、圖譜幅值和相位情況是判斷防空洞特征的重要信息。通過對探地雷達實測資料的處理和圖像分析，表明在城市校園建筑工程場地使用探地雷達探測可以較為快速、準確得到淺部土質(zhì)防空洞的空間位置、規(guī)模、延伸方向，減少因工程探地條件不佳引起的工程質(zhì)量問題。配置100 M天線的探地雷達，可探測深度10 m以內(nèi)保存相對完好的土質(zhì)防空洞，效果較好，空洞異常表現(xiàn)為反射波頻率較低，波幅變大，異常形態(tài)通常為相對對稱的雙曲線同相軸形態(tài)。根據(jù)本次探地雷達實測，鼓山小學附近砂土狀花崗巖的電磁波速度為0.15 m/ns，介電常數(shù)為4.16，可被參考使用在周邊相似條件工程的電磁波速度預測。

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P631.83

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.16.004

2095－6835（2019）16－0010－04

沈方鋁（1983—），男，工學碩士，工程師，主要從事工程地震及地球物理探測工作。

〔編輯：嚴麗琴〕