地质雷达在浙江某高速公路路面检测中的应用.doc

1、地质雷达在浙江某高速公路路面检测中的应用摘要：地质雷达方法是地球物理方法中的一种高分辨率、高效率的探测方法，近年来非开挖管线施工对周围土体扰动造成不同程度的伤害，本文对地质雷达原理及工作方法进行了系统介绍，通过地址雷达在浙江某高速公路路面探测的案例证明：地质雷达对路面进行探测是一种较为有效的物探技术方法。路面探测中应选用合适的主频天线，长三角地区第四纪覆土较厚，且上部潜水较发育，电脉冲信号衰减较为严重，在数据处理时要采用信号放大增益后再进行滤波，数据解释过程中首先要确定实际探测深度，结合现场踏勘情况，进行数据分析解释。 关键词：地质雷达 路面检测 地球物理 中图分类号：F407.1 文献标识码

2、：A 文章编号： 前言 近几年，随着市政工程的增多，管线的埋设方式由开挖直埋发展到非开挖穿越，埋设深度越来越大。在非开挖管线穿越过程中对管道周边的土体会造成不同程度的破坏，会导致空洞或管道周边土体扰动，严重时会导致塌陷，在物探技术方法中地质雷达是对施工道路附近进行探测，通过探测结果对施工道路附近的影响范围和程度进行评价。 工作方法原理 地质雷达方法原理类似于探空雷达和地震反射技术，是地球物理方法中的一种高分辨率、高效率的探测方法。脉冲时域地质雷达是利用高频电磁波（1MHz1GHz） ，以脉冲的形式通过发射天线被定向地向地下发射,电磁波在地下介质中传播时，当遇到存在电性差异的地层或目标体时发生反

3、射和折射，反射回地面的电磁波被接收天线所接收和被雷达系统采集和显示。在对采集到的雷达回波进行数据处理的基础上，根据雷达波的波形、振幅强度和时间的变化特征推 断地下介质的空间位置、结构、形态和埋藏深度，达到对地下地层或目标体探测的目的。 2.1 地质雷达的测距方程 电磁波从发射天线发射到被接收天线所接收，行程时间 t 为： （2-1） （2-2） 式中，t 为电磁波旅行时；Z 为反射界面深度；X 为发射天线到接收天线间的距离；V 为电磁波在介质中的传播速度；C 为光速（C0.3m/ns） ；r 为介质的相对介电常数。当速度 V 已知时，通过对雷达剖面上反射信号双程旅行时间的读取计算反射界面的埋藏

4、深度 Z 值。地质雷达是一种高频电磁波方法。电磁波在介质中的传播满足麦克斯韦方程。 （1） 、电磁波在介质中的传播速度 地质雷达测量的是地下界面的反射波的走时，为了获取地下界面的深度，必须要有介质的电磁波传播速度 v，其值为 （2-3） 绝大多数岩石介质属非磁性、非导电介质，在高频情况下，常常满足1，于是可得 （2-6） 式中 c 为真空中电磁波传播速度；为相对介电常数。上式表明对大多数非导电、非磁性介质来说，其电磁波传播的相速度 v 主要取决于介质的介电常数。 （2） 、电磁波在介质中的吸收特性 吸收系数决定了场强在传播过程中的衰减速率，对以位移电流为主（）的介质，的近似值为: （2-4）

5、即与导电率成正比，与介电常数的平方根成正比。 2.2 相对介电常数 介质的相对介电常数，是在对介质施加电场时，衡量介质存储电荷的能力的物理量，数值范围为 181，主要受介质含水量和矿化度的控制，是形成电磁波反射的主要参数。相邻界面介质的相对介电常数存在差异是电磁波在地下介质层面上发生反射的根本原因。常见介质的介电常数如表 2-1 所示。 表 2-1 常见介质的相对介电常数和电导率 2.3 电磁波的反射系数与吸收系数 电磁波的反射能量取决于相邻地层间的反射系数和介质的吸收系数，当电磁波垂直入射，在以位移电流为主的介质中，反射系数可表示为： （2-5） 式中和为相邻地层的相对介电常数，由关系式可见

6、，反射系数与界面上下介质层的相对介电常数有关，相对介电常数差别越大，反射系数越大，反射能量强。 电磁波在地下介质中的传播，其能量将因介质的吸收而损耗，吸收的程度取决岩土介质的吸收系数，当介质的电导率很低时，吸收系数表示为： （2-6） 这是一个与电磁参数有关的量，随介质电导率 的增大而增大，随介质介电常数 的增大而减小。 2.4 电磁波在两种不同介质界面上的特性 对于非均匀介质中电磁波的传播情况，首先要研究电磁波在两种不同的均匀介质分界面上发生的情况。偶极子源的辐射场虽然是一种球面波，但在离开辐射源很远的区域，可以将其看成是平面波。平面电磁波到达两种不同的均匀介质的分界面处会发生反射与折射。入

7、射波、反射波与折射波的传播方向遵循反射定律与折射定律。电磁波在到达界面时，还将发生能量再分配。入射波、反射波和折射波三者之间的能量关系，因入射波电磁场相对界面的方向（极化特性）而不同。下面仅讨论垂直极化波（电场矢量垂直入射面）在界面的反射与折射，这相当干有一平行于界面的水平电偶极子从远处入射到界面的情况，如图 2-2 所示。 图 2-2 介质表面电磁波传播示意图 工程实例 浙江杭州绕城高速公路某段地下管道采用了非开挖穿越施工，穿越管道为管径 1500mm 的水泥管道。为了查明此处的非开挖穿越施工对绕城高速公路是否有影响，使用较先进 sir-20 型地质雷达对高速公路双向行车道和超车道进行探测，

8、现场探测采用 100M 天线和 400M 天线进行了实地探测，对探测数据进行增益放大、滤波后发现地下一米处有一个异常反射波信号，经现场开挖发现下部为一个空洞，经初步分析可能由于非开挖过程对地下土体进行扰动，后期经雨水冲刷后形成一个空洞。 图 3-1100M 天线杭州绕城高速某段下部空洞地质雷达横断面异常图 图 3-2100M 天线杭州绕城高速某段下部地质雷达纵断面空洞异常图 图 3-3400M 天线杭州绕城高速某段下部空洞地质雷达纵断面异常图 结论 使用地质雷达探测及时发现了非开挖管线施工对路面造成的不良影响，经过该工程案例证明地质雷达对路面进行探测是一种较为有效的物探技术方法。 通过对探测数据曲线进行仔细分析发现本次地质雷达探测深度并没有达到仪器的理论深度，本次探测采用 100M 天线有效深度约为 2.5m，采用 400M 天线探测深度约为 1.8m，初步分析可能由于长三角地区第四纪覆土较厚，且上部潜水较发育，电脉冲信号衰减较为严重，因此在数据处理时要采用信号放大增益后再进行滤波，在进行解释过程中首先要确定实际探测深度，再进行数据分析解释。 参考文献：何金武 徐干成 郑建中 地质雷达在地下洞穴探测中的应用 铁道建筑技术 2008（增）：548550 刘文伍 郭江宁 林海 利用地质雷达探测地下暗沟的应用 城市勘测 2011 年 12 月第 6 期