论文部分内容阅读
摘 要：结合工程实例，介绍了利用地质雷达法的基本原理和工作方法，通过对目标体的探测，准确的探测出了防空洞的具体位置和顶板埋深，经开挖验证，与实际情况吻合良好，证明了利用地质雷达对城市防空洞进行探测的有效性。
关键词：防空洞探测；地质雷达；电磁波
济南市某学校因扩建教学楼，委托中国建筑材料工业地质勘查中心山东总队对该教学楼楼基10m深度范围内防空洞存在情况进行探测，为施工提供基础资料。防空洞是属于比较大的洞体隐患，洞体顶部介质承载能力相对较弱，在上部荷载作用下，通常会形成局部下沉，甚至塌陷，给工程带来隐患[1]。当前探测防空洞的检测方法主要有常规视电阻率测深法[2]、高密度电法[3]、瞬变电磁法[4]、浅层地震方法[5]、地质雷达法[1]等。其中，电法勘探、浅层地震勘探等常受到客观因素的干扰和场地条件的制约，在应用范围和精度等方面存在不足。综合防空洞介质物性特征、结构特征、场地作业条件等方面因素的考虑，对该处地下防空洞的探测，采用地质雷达法。
地质雷达探测原理
地质雷达是一种利用高频电磁波探测地下介质分布情况的无损探测仪器，它通过剖面扫描的方式获得地下断面的扫描图像，通过在地面移动的发射天线向地下发射高频电磁波，在地下旅行的电磁波遇到不同的电性界面时，就会发生反射、透射和折射。电性介质间的电性差异越大，反射波能量也越大。反射到地面的电磁波被与发射天线同步移动的接收天线接收后，通过雷达主机精确记录反射回波到达的时间、相位、振幅、波长等特征，再通过信号叠加放大、滤波降噪、图像合成等数据加工处理手段，形成地下断面的扫描图像。通过对地质雷达图像的识别，便可得到地下介质的分布状态等信息。地质雷达是目前具有最高分辨率、對探测体无损伤的工程物探方法之一，如图1所示。
场地地球物理特征
电磁波的传播取决于物体的电性，物体的电性主要有电导率μ和介电常数ε，前者主要影响电磁波的穿透（探测）深度，在电导率适中的情况下，后者决定电磁波在该物体中的传播速度，因此，所谓电性介面也就是电磁波传播的速度介面。不同的地质体（物体）具有不同的电性，因此，在不同电性的地质体的分界面上，都会产生回波。
本次探测区域内，石灰岩、粘土、空气等各介质介电常数的差异是地质雷达探测的地球物理前提，如表1所示。地质雷达的反射波形态与目的物的组成、结构、形状、大小、埋深等因素有关。反之，从反射波曲线形态、振幅强度、波长、相位等特征可推断目的物的发育等情况。
工作布置
本次工作根据探测要求及场地条件和工作环境，共布设探测剖面26条，由于场地原因，个别测线稍有调整。采用美国劳雷公司生产的SIR-20型探地雷达进行施工，由于不同频率天线的测深能力不同，频率越低，探测深度越大，本次检测采用100MHz天线，点距0.05m，每测道垂向采样点1024个，迭加次数32次/道。根据岩性和以往工作经验，电磁波传播速度为0.10～0.12m/ns，根据探测深度要求，取采样时窗为300ns，有效探测深度范围在15m左右，满足探测深度的要求。
探测结果分析
依照地质雷达的工作原理以及以往的工作经验，防空洞上方的地质雷达波形常常会显示抛物线状的圆弧，圆弧顶中心对应洞中心，圆弧顶深则表示洞的埋深，而洞的下底由于上顶信号过强压制，使得下部信号较模糊，洞在测线方向的水平宽度有时因上顶信号强也难以确定，可依据经验判别[6]。
经实际勘察，共在6条测线的不同区域上发现有物探异常，推测有防空洞存在，现选取其中的两条测线进行简要概述。
如图2所示为9号测线的地质雷达时间剖面，该测线自东向西进行探测，自东向西3m～6m左右发育物探异常，异常顶板发育深度在7m左右。
如图3所示为23号测线的地质雷达时间剖面，该测线自西向东进行探测，自西3.5m～5m左右发育物探异常，异常顶板发育深度在8m左右。
结论
经后期开挖验证，本次雷达探测结果与开挖、勘察资料基本吻合，进一步证明在本场地使用地质雷达探测地下防空洞的有效性。同时，地质雷达也有其局限性，由于地下介质相当于一个复杂的滤波器，介质对波的不同程度的吸收以及介质的不均匀性质，使得脉冲到达接收天线时，波幅减小，波形变得与原始发射波形有较大的差异。另外，不同程度的各种随机噪声和干扰，也影响实测数据。因此，必须对接收信号实施适当的处理，以改善资料的信噪比，为进一步解释提供清晰可辨的图像。
参考文献：
[1]谷松.探地雷达在地下防空洞探测中的应用[J].地质装备，2011，12（2）：23-24.
[2]王杨.电阻率测深法探测无衬砌地下防空洞的应用[J].城市建设理论研究，2016，（17）.
[3]葛如冰，曹震峰，彭飞.高密度电阻率法在复杂防空洞探测中的应用效果[J].工程地球物理学报，2009，6（5）：620-623.
[4]郭宁宁，昌彦君，刘一峰，等.瞬变电磁法在城区建筑基坑中的防空洞探测[J].工程地球物理学报，2011，8（6）：705-708.
[5]郭有劲.综合物探方法在地下防空洞探测中的应用[J].工程地球物理学报，2009，（S1）：140-144.
[6]何峰.物探手段在防空洞探测中的应用[J].工程建设与设计，2016，（6）：72-75.
作者简介：蔡晓旭（1989-），山东菏泽人，助理工程师，研究方向：矿产物探与工程物探测。
关键词：防空洞探测；地质雷达；电磁波
济南市某学校因扩建教学楼，委托中国建筑材料工业地质勘查中心山东总队对该教学楼楼基10m深度范围内防空洞存在情况进行探测，为施工提供基础资料。防空洞是属于比较大的洞体隐患，洞体顶部介质承载能力相对较弱，在上部荷载作用下，通常会形成局部下沉，甚至塌陷，给工程带来隐患[1]。当前探测防空洞的检测方法主要有常规视电阻率测深法[2]、高密度电法[3]、瞬变电磁法[4]、浅层地震方法[5]、地质雷达法[1]等。其中，电法勘探、浅层地震勘探等常受到客观因素的干扰和场地条件的制约，在应用范围和精度等方面存在不足。综合防空洞介质物性特征、结构特征、场地作业条件等方面因素的考虑，对该处地下防空洞的探测，采用地质雷达法。
地质雷达探测原理
地质雷达是一种利用高频电磁波探测地下介质分布情况的无损探测仪器，它通过剖面扫描的方式获得地下断面的扫描图像，通过在地面移动的发射天线向地下发射高频电磁波，在地下旅行的电磁波遇到不同的电性界面时，就会发生反射、透射和折射。电性介质间的电性差异越大，反射波能量也越大。反射到地面的电磁波被与发射天线同步移动的接收天线接收后，通过雷达主机精确记录反射回波到达的时间、相位、振幅、波长等特征，再通过信号叠加放大、滤波降噪、图像合成等数据加工处理手段，形成地下断面的扫描图像。通过对地质雷达图像的识别，便可得到地下介质的分布状态等信息。地质雷达是目前具有最高分辨率、對探测体无损伤的工程物探方法之一，如图1所示。
场地地球物理特征
电磁波的传播取决于物体的电性，物体的电性主要有电导率μ和介电常数ε，前者主要影响电磁波的穿透（探测）深度，在电导率适中的情况下，后者决定电磁波在该物体中的传播速度，因此，所谓电性介面也就是电磁波传播的速度介面。不同的地质体（物体）具有不同的电性，因此，在不同电性的地质体的分界面上，都会产生回波。
本次探测区域内，石灰岩、粘土、空气等各介质介电常数的差异是地质雷达探测的地球物理前提，如表1所示。地质雷达的反射波形态与目的物的组成、结构、形状、大小、埋深等因素有关。反之，从反射波曲线形态、振幅强度、波长、相位等特征可推断目的物的发育等情况。
工作布置
本次工作根据探测要求及场地条件和工作环境，共布设探测剖面26条，由于场地原因，个别测线稍有调整。采用美国劳雷公司生产的SIR-20型探地雷达进行施工，由于不同频率天线的测深能力不同，频率越低，探测深度越大，本次检测采用100MHz天线，点距0.05m，每测道垂向采样点1024个，迭加次数32次/道。根据岩性和以往工作经验，电磁波传播速度为0.10～0.12m/ns，根据探测深度要求，取采样时窗为300ns，有效探测深度范围在15m左右，满足探测深度的要求。
探测结果分析
依照地质雷达的工作原理以及以往的工作经验，防空洞上方的地质雷达波形常常会显示抛物线状的圆弧，圆弧顶中心对应洞中心，圆弧顶深则表示洞的埋深，而洞的下底由于上顶信号过强压制，使得下部信号较模糊，洞在测线方向的水平宽度有时因上顶信号强也难以确定，可依据经验判别[6]。
经实际勘察，共在6条测线的不同区域上发现有物探异常，推测有防空洞存在，现选取其中的两条测线进行简要概述。
如图2所示为9号测线的地质雷达时间剖面，该测线自东向西进行探测，自东向西3m～6m左右发育物探异常，异常顶板发育深度在7m左右。
如图3所示为23号测线的地质雷达时间剖面，该测线自西向东进行探测，自西3.5m～5m左右发育物探异常，异常顶板发育深度在8m左右。
结论
经后期开挖验证，本次雷达探测结果与开挖、勘察资料基本吻合，进一步证明在本场地使用地质雷达探测地下防空洞的有效性。同时，地质雷达也有其局限性，由于地下介质相当于一个复杂的滤波器，介质对波的不同程度的吸收以及介质的不均匀性质，使得脉冲到达接收天线时，波幅减小，波形变得与原始发射波形有较大的差异。另外，不同程度的各种随机噪声和干扰，也影响实测数据。因此，必须对接收信号实施适当的处理，以改善资料的信噪比，为进一步解释提供清晰可辨的图像。
参考文献：
[1]谷松.探地雷达在地下防空洞探测中的应用[J].地质装备，2011，12（2）：23-24.
[2]王杨.电阻率测深法探测无衬砌地下防空洞的应用[J].城市建设理论研究，2016，（17）.
[3]葛如冰，曹震峰，彭飞.高密度电阻率法在复杂防空洞探测中的应用效果[J].工程地球物理学报，2009，6（5）：620-623.
[4]郭宁宁，昌彦君，刘一峰，等.瞬变电磁法在城区建筑基坑中的防空洞探测[J].工程地球物理学报，2011，8（6）：705-708.
[5]郭有劲.综合物探方法在地下防空洞探测中的应用[J].工程地球物理学报，2009，（S1）：140-144.
[6]何峰.物探手段在防空洞探测中的应用[J].工程建设与设计，2016，（6）：72-75.
作者简介：蔡晓旭（1989-），山东菏泽人，助理工程师，研究方向：矿产物探与工程物探测。