地质雷达技术在岩土工程勘察中的应用

彭家陞

（贵州省地质矿产勘查开发局１１４地质大队，贵州　遵义　５６３０００）

目前，传统的钻探方法广泛应用于岩土工程勘察工作并且方法单一。在地质条件复杂的地区，比如说断层、破摘 要：

碎带、喀斯特地貌、暗河等复杂地质结构，勘查的结果很不理想，难以反映实际地质条件，这就会导致工作量大、耗时、成本高等问题。因此，地质雷达凭借于其高分辨率的优势，相比传统的地质钻探，具有实时图像显示、轻便、灵活的特点，这样我们就可以用较少的钻孔尽可能查明复杂地质结构，提高调查的精度、降低调查成本。

地质雷达；岩土工程；地质勘察关键词：

ＴＵ１９５　　Ａ　 １００２－５０６５（２０１８）０６－０２４３－２中图分类号：文献标识码：文章编号：

Application of ground penetrating radar technology in geotechnical investigation

PENG󰀁Jia-sheng

（Ｇｕｉｚｈｏｕ　ｇｅｏｌｏｇｙ　ａｎｄ　ｍｉｎｅｒａｌ　ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　Ｂｕｒｅａｕ　１１４　Ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ　Ｂｒｉｇａｄｅ，Ｚｕｎｙｉ　５６３０００，Ｃｈｉｎａ）

Abstract: Ａｔ　ｐｒｅｓｅｎｔ，　ｔｈｅ　ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ　ｄｒｉｌｌｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄ　ｉｓ　ｗｉｄｅｌｙ　ｕｓｅｄ　ｉｎ　ｇｅｏｔｅｃｈｎｉｃａｌ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｔｈｅ　

ｍｅｔｈｏｄ　ｉｓ　ｓｉｎｇｌｅ．　Ｉｎ　ａｒｅａｓ　ｗｉｔｈ　ｃｏｍｐｌｅｘ　ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ，　ｓｕｃｈ　ａｓ　ｆａｕｌｔｓ，　ｂｒｏｋｅｎ　ｚｏｎｅｓ，　Ｋａｒｓｔ　ｌａｎｄｆｏｒｍｓ，　ａｎｄ　ｄａｒｋ　ｒｉｖｅｒｓ，　ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ　ａｒｅ　ｎｏｔ　ｉｄｅａｌ　ａｎｄ　ｄｉｆｆｉｃｕｌｔ　ｔｏ　ｒｅｆｌｅｃｔ　ｔｈｅ　ａｃｔｕａｌ　ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ，　ｗｈｉｃｈ　ｗｉｌｌ　ｌｅａｄ　ｔｏ　ａ　ｌａｒｇｅ　ａｍｏｕｎｔ　ｏｆ　ｗｏｒｋ，　ｔｉｍｅ　ｃｏｎｓｕｍｉｎｇ　ａｎｄ　ｈｉｇｈ　ｃｏｓｔ．　Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，　ｔｈｅ　ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ　ｒａｄａｒ　ｈａｓ　ｔｈｅ　ａｄｖａｎｔａｇｅｓ　ｏｆ　ｈｉｇｈ　ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ．　Ｃｏｍｐａｒｅｄ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ　ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ　ｄｒｉｌｌｉｎｇ，　ｉｔ　ｈａｓ　ｔｈｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｒｅａｌ－ｔｉｍｅ　ｉｍａｇｅ　ｄｉｓｐｌａｙ，　ｌｉｇｈｔ　ａｎｄ　ｆｌｅｘｉｂｌｅ，　ｓｏ　ｔｈａｔ　ｗｅ　ｃａｎ　ｕｓｅ　ｌｅｓｓ　ｄｒｉｌｌｉｎｇ　ｔｏ　ｆｉｎｄ　ｏｕｔ　ｔｈｅ　ｃｏｍｐｌｅｘ　ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ａｓ　ｍｕｃｈ　ａｓ　ｐｏｓｓｉｂｌｅ，　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ　ａｃｃｕｒａｃｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｒｅｄｕｃｅ　ｔｈｅ　ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ．

Keywords: Ｇｒｏｕｎｄ　Ｐｅｎｅｔｒａｔｉｎｇ　Ｒａｄａｒ；　ｇｅｏｔｅｃｈｎｉｃａｌ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ；　ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ　ｐｒｏｓｐｅｃｔｉｎｇ

在岩土工程勘探中，取芯钻探技术是最为经典的勘探手段之一。它可以识别和描述土层，也可以进行标准贯入试验和波速试验以及岩心取样室内试验。然而，钻探方法存在局限性[1]。

由于钻孔资料充其量只能反映“点”的情况，钻孔与钻孔之间的分析与判断主要依赖经验和推测，存在着一些不可预见和不确定的因素[2]。

伴随着各种物探技术的发展应用，钻探技术和物探技术相结合已显示出明显的优势是创新勘察的发展趋势，因为后者能弥补前者的不足，其中地质雷达技术就可以克服“一孔之见”和钻孔之间存在“盲区”的。然而目前任何一种物探技术都不能完全取代钻探技术。取芯钻孔技术仍需实现细节的确认和验证。

布。其基本原理是：发射机通过发射天线与一个12.5M至1200M中心频率和0.1ns脉冲宽度的电磁波。当信号发生在岩层中时，它会产生反射信号。直接信号和反射信号通过接收天线输入接收机，然后用示波器放大。

根据示波器是否有反射波数，可以判断是否有目标，目标的距离可以通过反射信号的到达时间和物体的平均反射波速来粗略计算。这原理与探测雷达基本类似，都是在发射器和接收器传播电磁波，但电磁波的传播介质不是空气而是岩土体。

由于地层岩性或目标体的电性差异，电磁波的反射和折射在介质界面的反射波是不同的，由接收装置接收信号处理加工，并由技术人员解释检测结果，可以推断地下地层差异的岩体的构成。

电磁波的反射系数及穿透介质时的衰减系数，与介质的介电常数、电导率、导磁系数等相关，例如空气、水、土壤、灰岩、花岗岩的相对介电常数分别为1～81、2～15、7～8、5～7，它们的电导率（mS/m）分别为0.1～30、0.14～50、10-6～25、10-5～1。

地质雷达技术主要有四个特点。首先，其适应性强，利用无损检测技术，地质雷达可以安全地应用于城市或者施工现场的工程场地，工作条件较为宽松。二是抗干扰能力强，抗电磁干扰能力强，能在城市各种噪声环境中工作，受环境影响小。三，定位快速准确。它具有更为良好的检测深度和

1 地质雷达技术的原理及特点

地质雷达技术（GPR），也被称为地探雷达技术，是根据探测目标体利用高频反射地质界面（1MHz～1GHz）电磁脉冲波。探地雷达利用超高频电磁波探测地下介质的分

２０１８－０３收稿时间：

彭家陞，男，生于１９６４年，汉族，湖南宁乡人，本科，工程师，作者简介：

研究方向：岩土工程勘察。

2018年 3月下 世界有色金属243

分辨率，并可直接提供实时剖面图，图像清晰直观。四，灵活便携。它使用便携式计算机控制数据的采集、记录、存储和处理，便于携带。

3.2 地质雷达技术与钻探技术的结合

探地雷达技术具有分辨率高、无损检测、效率高、抗干扰能力强等突出优点。例如，在5000mh的雷达波下分辨率的误差可达几厘米，且检测过程内不会造成地下结构的破坏。所需人员和检测时间远远小于钻探作业，并且可以在各种地下环境中工作，适应性强。

然而，高频电磁波在地下介质中的高衰减的特性了其探测深度。目前，低频可以用来检测在石灰岩地区的80m深的喀斯特洞，而中低频率可以用来检测20~50m。所以探地雷达技术在浅层地下电磁特性的地质表现界面检测是合适的，但在深层地质中的表现就需要与传统的钻井技术相结合。

地质构造复杂，基岩面起伏剧烈，包括喀斯特洞穴、地下洞穴、破碎带等。将钻探技术与探地雷达技术相结合，可最大限度地发挥其优势，在这种情况下，就需要结合钻探技术和探地雷达技术来揭示勘察区的地质特征。下面将通过案例来加以说明。

某工厂地址的地层为下伏二叠系石灰岩和上覆第四纪冲积层。地形属于河谷侵蚀阶地，地势相对平坦。在勘察设计阶段完成了钻探工作，并根据钻探成果绘制了钻孔柱状图和地层剖面图。

但在施工过程中，勘察报告显示的与开挖情况和实际地质条件是不同的。主要问题是在勘探钻孔之间的区域发现了喀斯特岩溶异常情况。因此，再次引入探地雷达技术进行相关厂址的勘探。

探地雷达在除尘器所在区域勘察孔之间发现了未探明的强溶蚀区或未充填的溶洞，现场开挖证实了探地雷达的结论。在烟囱场址下约60m，探地雷达也发现勘察孔之间的几个喀斯特洞穴，通过对距地表最薄处的溶洞的钻探也得到了验证。

实例表明，钻探技术面对复杂地下结构具有明显的局限性。与探地雷达技术相结合，钻井资料以实际钻孔资料为基础，再把探地雷达作为一种有用的补充，可以对场地地质条件进行较为全面客观的分析。

2 地质雷达的参数选择

探地雷达运行时，参数选择是关乎相关勘探工作成功与否的重要环节。探测深度，雷达分辨率，天线的中心频率和天线间距是探地雷达的重要参数。探地雷达的探测深度反映了电磁波的能量衰减。它与电磁波的频率、介质的相对介电常数和电导率有关。

电磁波的频率越高，相对介电常数和电导率越大，雷达波衰减就会越快，探测深度就会越浅。例如，检测喀斯特地形，使用100mhz可以检测12m深度，而400mhz只可以检测6m深度。再比如，水的相对介电常数大，导致雷达波的衰减也大。

因此，积水的地层和潮湿的土壤层之间的有效距离是比较小的。雷达的分辨率分为水平分辨率和垂直分辨率。他们与雷达波长和地层厚度有关。波长越高，其探测深度较浅，分辨率越高，那么在检测较浅深度时应该选择相对较高的频率，而在较深的土层选择较低的频率是有利的，他可以探索更深的深度、获得更大的信息量。发射和接收天线距离是对回波信号的强度密切相关。它可以通过实验或经验选择。如果没有数据，对目标体的最大深度20%选择，或目标体2倍角的接收和发射天线。

3 地质雷达技术在岩土工程勘察中的应用

3.1 地质雷达技术应用实例

目前，探地雷达已广泛应用于岩土工程勘察中，以探测地下洞穴、喀斯特洞穴、构造断裂带和地层构造。例如，一个RIS-K2地面耦合雷达用来对住宅建筑进行勘察的项目中，选择100MHz天线，通过greswin2软件处理数据。通过对雷达反射剖面的解释，了解到在4到8m持力层下面存在长2.5m，宽1.5m的喀斯特洞穴，通过与频谱特性的分析，推测喀斯特洞穴中充满了饱和的流塑状红粘土或充水溶洞。钻孔后果然得到了证明，施工方通过注浆加固消除了隐患。再如，某体育场位于页岩和灰岩接触带，存在岩溶发育，溶隙、溶洞和页岩软化夹层等不良地质条件。

其基础采用深孔灌注桩基，为查明桩底7m范围内的岩溶发育情况，施工队采用了SIR-3000地质雷达仪，使用100MHz和270MHz的发射接收一体化天线，并且设定了点距0.10m的点测方式，在其中一个深约14m的桩位探测到在桩底4m～5m范围内存在反射异常的波形，推测那里为强溶蚀区，现场开挖证实那里存在1个直径约0.45m大小的泥质充填型溶洞。

4 结语

总之，地质雷达技术已在各种工程实践中证明了它的有效性。作为一种新型的勘察手段，它可以弥补钻探技术的局限性和不足，并将两者结合起来，解决传统勘查手段难以解决的问题，成为复杂地层岩体勘察工作的“王道”。希望本文能对读者有所启发。

[1]󰀡蒋家龙,方必量.地质雷达在岩溶地区岩土工程勘察中的应用[J].安徽

地质,2008,18(4):292-296.

[2]󰀡陈昌彦,张在明,张彦峰,等.地质雷达技术在复杂工程地质条件下的

岩土工程勘察中的应用[J].工程地质学报,2004,12(z1):401-405.

244世界有色金属 2018年 3月下