第１９卷第５期 ２０１１年１Ｏ月 安徽建筑工业学
Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｎｈｕｉ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ 院学报（自然科学版）
ｏｆ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ＆Ｉｎｄｕｓｔｒｙ Ｖｏ１．１９ Ｎｏ．５
Ｏｃｔ．２０１１
探地 雷达 技术在异常体探测中的应用研究 张长雷 ， （１．安徽建筑２１２业学院土木２１２程学院，合肥 宛新林 ， 席道瑛
２３０６０１；２．中国科学技术大学地球及空间科学学院，合肥２３００２６）
摘要：复杂地质条件下的异常体给盾构施工带来极大的隐患，而其独特的地球物理特征构成了探地雷达研 究的物性前提。根据实际工程，为探明隧道周边异常体，采用探地雷达中剖面法反射多次覆盖采集方式，并 通过滤波处理、增益控制等方法对采集信号进行处理。本文分析并总结了异常体雷达图像的具体特征，表现 为相应段反射波同相轴呈曲折、分叉。这些特征有助于判断出异常体的具体位置和规模，对盾构施工能起到 积极的指导作用。 一 关键词：复杂地质条件；异常体；花岗岩风化球；探地雷达技术；盾构施工 中图分类号：Ｕ４５５．９１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００６—４５４０（２０１１）０５—０１３—０３
Ａｐｐｌｉｅｄ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｏｆ ｇｒｏｕｎｄ ｐｅｎｅｔｒａｔｉｎｇ ｒａｄａｒ ｔｏ ｔｈｅ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ａｂｎｏｒｍａｌ ｂｏｄｙ
ＺＨＡＮＧ Ｃｈａｎｇ－ｌｅｉ ，ＷＡＮ Ｘｉｎ－ｌｉｎ ，ＸＩ Ｄａｏ—ｙｉｎｇ。 （１＿Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｃｉｖｉｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ａｎｈｕｉ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ ８Ｌ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ，ｈｅｆｅｉ ２３０６０１，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｅａｒｔｈ ａｎｄ Ｓｐａｃｅ Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｈｅｆｅｉ ２３００２６，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｃｏｍｐｌｅｘ ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｏｆ ａｂｎｏｒｍａｌ ｂｏｄｙ ｂｒｉｎｇ ｈｕｇｅ ｈｉｄｄｅｎ ｔｒｏｕｂｌｅ ｔｏ ｔｈｅ ｓｈｉｅｌｄ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ，ａｎｄ ｉｔｓ ｕｎｉｑｕｅ ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ ａｎｄ ｇｅｏｐｈｙｓｉｃａｌ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｉｓ ｇｅｏｐｈｙｓｉｃａｌ ｐｒｅｒｅｑｕｉｓｉｔｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ＧＰＲ ｒｅｓｅａｒｃｈ．Ｂａｓｅｄ ｏｎ ａｎ ａｃｔｕａｌ ｐｒｏｊ ｅｃｔ，ｐｒｏｆｉｌｅｓ ｒｅｆｌｅｃｔｅｄ ａｎｄ ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｃｏｖｅｒ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ｍｅｔｈ— ｏｄｓ ｗｅｒｅ ａｄｏｐｔｅｄ ｔｏ ｃｏｌｌｅｃｔ ｓｉｇｎａｌｓ ｂｙ ｔｈｅ ＧＰＲ ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｄｅｔｅｃｔ ａｎ ａｂｎｏｒｍａｌ ｂｏｄｙ ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ ｔｈｅ ｔｕｎｎｅ１．Ｓｉｇｎａｌｓ ｃｏｌｌｅｃｔｅｄ ｗｅｒｅ ｐｒｏｃｅｓｓｅｄ ｂｙ ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，ｇａｉｎ ｃｏｎｔｒｏ１．Ｔｈｅ ｓｐｅｃｉｆｉｃ ｃｈａｒａｃｔｅｒ— ｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｔｈｅｉｒ ｒａｄａｒ ｉｍａｇｅｓ ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ａｒｔｉｃｌｅ，ｓｕｃｈ ａｓ ｔｈｅ ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ｓｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ ｗａｖｅ ｗｉｔｈ ｐｈａｓｅ ａｘｉｓ ｉＳ ｔｏｒｔｕｏｕｓ，ｂｉｆｕｒｃａｔｅ．Ｔｈｅｓｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｓ ａｒｅ ｈｅｌｐｆｕｌ ｆｏｒ ｄｅｔｅｒｍｉｎｉｎｇ ｔｈｅ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｃａｌｅ ｏｆ ａｎ ａｂｎｏｒｍａｌ ｂｏｄｙ ａｎｄ ｃａｎ ｐｌａｙ ａ ｐｏｓｉｔｉｖｅ ｒｏｌｅ ｔｏ ｔｈｅ ｓｈｉｅｌｄ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｄ ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ；ａｂｎｏｒｍａｌ ｂｏｄｙ；ｗｅａｔｈｅｒｅｄ ｇｒａｎｉｔｅ ｂａｌｌ；ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｏｆ ＧＰＲ：ｓｈｉｅｌｄ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ
１ 引 口 快速、准确和高效地查明地下地质情况是制 定盾构施工方案、加快施工进度、确保施工安全的 重要前提。在复杂地质条件下异常体的勘察中， 工程物探的重要性不言而喻，尤其是选择适宜的 工程物探技术。 工程物探是物探技术发展的一个新领域，常 用的方法有：高密度电法、浅层地震勘探等［１ ］。 高密度电法（以岩、矿石之间的电阻率差异为基 础）广泛应用于寻找金属和非金属矿床、工程地质 和水文地质等领域，探测深度最深可达数百米，由 于影响因素多，分辨率低；浅层地震勘探是利用人 工震源激发所产生的地震波在岩、土介质中的传
收稿日期：２０１１—０６—３０ 基金项目：国家自然科学基金（４０８７４０９３）。 作者简介：张长雷（１９８５一），男，硕士研究生，主要研究方向为地下结构。 １４ 安徽建筑工业学院学报（自然科学版） 第ｌ９卷 播规律，以探测有关岩土体的分布规律或测定岩 土的某些力学参数特征等。由于接收到的地震波 多为中、低频率，相对电磁信号，地震波频率低，分 辨率相对较低。这些方法为工程物探积累了大量 的实际经验，有助于工程物探技术的推广和完善。 然而，由于隧道周边地质条件复杂，各种干扰因素 多，时间紧迫，探测精度要求高等各种因素限制， 以上方法仍难以满足现场的要求。 探地雷达是目前分辨率最高（垂直分辨率 １厂— 广 一 ，水平分辨率Ｒ，＝＝＝√ 舍 ，电磁波频率越 Ｖ １ ｌ，、１、【】 高，波长越短，因而分辨率高。 为波长，．Ｒ。为反 射面的深度）的物探方法ｌ“引，具有无损性、高效 率、设备轻便、抗干扰性强等优点，在工程质量检 测、场地勘察和隧道超前预报中被广泛应用［６书］。 在盾构施工过程中，应用探地雷达技术探测异常 体位置和规模，准确率高。通过工程实例，本文证 实该方法探测精度高且准确高效，节约施工时间， 为制定施工方案和加快进度提供重要参考。本文 结合某盾构施工实例，对这一技术的工程应用进 行总结和探讨。 ２探地雷达工作原理 探地雷达是利用高频电磁波束在电性差异界 面上的反射来探测有关的目标体。通过发射机发 射的高频短脉冲电磁波辐射传人大地，电磁波在 地下传播过程中遇到电性差异的地层和目标体后 便会出现反射或折射现象并产生相应的反射信 号，被接收天线所接受。在对接收到的反射波进 行数据处理和分析的基础上，根据测得波的双程 走时、幅度、波形等参数便可推断地下界面或目标 体的几何形态和空间位置等，如图１所示。 三 著 一 图１探地雷达探测原理示意图 ３工程应用 ３．１工程概况 某工程处于复杂地质条件下，盾构穿越地层 分布极不均匀，主要穿越砾质粘土、全风化、中风 化、微风化花岗岩和花岗岩风化球。花岗岩风化 球周围岩土层主要为花岗岩强、全风化层，强度差 异大，地层稳定性差，为Ⅱ～Ⅲ类围岩，掘进困难， 在土质软硬相差大的情况下，及其容易造成盾构 刀具甚至是刀盘的损坏，最终导致盾构机无法掘 进，因此探明花岗岩风化球的具体位置和规模尤 为重要。 地下水、粘土、花岗岩与风化球在密度、电磁 性（磁导系数、电导率、相对介电常数）等方面存在 差异，电磁波在二者中传播速度、能量衰减、频率 变化等明显不同，为开展雷达探测提供良好的物 性前提。 ３．２现场测试技术 探测设备为加拿大ＳＳＩ公司生产的ｐｕｌｓｅ ＥＫＫ（）ＰＲＯ型雷达系统，本次探测数据采集方式 采用剖面法反射多次覆盖采集方式。 （１）为兼顾纵向分辨率和探测深度近３０米 的需要，天线中心频率选择为５０ＭＨｚ，采样记录 时窗为１５０ｎｓ￣ （２）综合考虑天线的中心频率与地层相对介 电常数，确定发射、接收天线以２米的间距沿测线 每隔０．２米同步移动，记录点为两天线的中心点。 ３．３数据处理和结果分析 （１）数据处理：由于存在不可避免的噪声干 扰及电磁波的衰减等问题，使得接收到的反射波 振幅降低、波形杂乱，难以直接从图像上识别深部 球状异常体的位置，需要相关数据处理后才能用 于分析解释。 滤波处理：根据探地雷达数据中有效信号和 干扰波在频率波数谱上的差异来压制或去除干 扰，突出有效信号。滤波分垂向滤波和水平滤波， 垂向滤波又分高通和低通，高通频率选为天线频 率的１／５～１／６取为８ＭＨｚ，高于这个频率的信号 顺利通过，相当于带通滤波器里的低截频率。垂 向低通频率选为天线频率的２～３倍取为 １００ＭＨｚ，低于该频率的波能顺利通过，相当于带 通滤波器的高截频率。水平滤波分为水平平滑和 背景去除，以消除仪器和环境的背景干扰。 增益控制：采用自动增益或手动增益控制可 第５期 张长雷，等：探地雷达技术在异常体探测中的应用研究 １５ 增加信号的能量，放大反射波振幅，有助于识别地 下深部目标。由于采样记录时窗为１５０ｎｓ，时窗 较短选择２点增益，点之间的增益是线性变化的， 增益的变化应该是平滑的。增益大小的调节使多 数反射信号强度达到满度的６０ ～７０ ，增益太 大将造成削顶，增益太小将丢失弱小信号Ｌ９］。 此外，道间平衡处理和反褶积也是信号处理 的常见方法。 （２）结果分析如下： 从图２中雷达图像可以看出，相应段反射波 同相轴呈曲折、分叉特征。分析认为：无论是同相 轴曲折异常还是同相轴分叉异常均反映了介质密 实度较差和介质中存在物理性质差异较大的局部 异常体，是判断风化球存在的依据。故：推测图（ａ） 水平距离６．２～８．０、１２．１～１４．８ｍ对应地下深度 分别为１１．８～１５．２ｍ、１５．０～１８．６ｍ为孤石聚集 区；图（ｂ）水平距离２１．０～２３．２ｍ、３０．０～３２．０ｍ、 ３５．０～３７．８ｍ，对应地下深度分别为２１．６～ ２５．４ｍ、１６．２～１８．５ｍ、２３．２～２６．４ｍ为孤石聚 集区。
图２实测雷达剖面图 为更好地验证探地雷达此次探测效果，对
雷达图像所确定的异常部位进行了钻孑Ｌ验证， １＃～８ 钻孔分别布置在水平距离７．０ｍ、１３．０ ｍ、１４．０ｍ、２２．０ｍ、２３．０ｍ、３１．０ｍ、３６．０ｍ、 ３７．０ｍ处（如表１所示）。从钻孔揭露的花岗岩 区发现，花岗岩残积层和风化岩中偶： 存在差 异风化现象，表现为残积层中存在中 等～微风 化花岗岩；全风化、强风化花岗岩地层中存在中 等～微风化花岗岩，钻孔１ 、４ 揭露：百球状中 等风化岩体；钻孔６＃、８ 揭露有球状微风化岩 体。将８个点的探测结果与钻探资料对比，两 者的深度基本相符，可满足工程使用的精度要 求。通过两种方法的互补和综合，从空间分布 和异常体的性质上较好地推断了花岗岩风化球 的范围和特征。