地质雷达与跨孔电阻率ct成像法协同在岩溶塌陷及富水区勘查中的应用

Urban Geotechnical Investigation & Surveying城　市　勘　测

Nov.2019 Sup. 145文献标识码：B

文章编号：1672-8262（2019）S1-0145-05　　　　　　中图分类号：P631 

地质雷达与跨孔电阻率CT成像法协同在岩溶

塌陷及富水区勘查中的应用

程彦*

（中国煤炭地质总局地球物理勘探研究院，河北 保定　 072750）

摘　要：随着我国城市化进程的加快，浅层岩溶塌陷及富水区引起的地质灾害日益严重，直接威胁人民生命财产安全，阻碍国家经济发展，尤其在道路、隧道、地铁等市政工程建设方面，造成的人员伤害和经济损失更为巨大，所以探明岩溶塌陷区及富水区尤为重要，且勘查精度要求较高。为此，本文尝试利用地质雷达浅层探测分辨率高与跨孔电阻率CT成像法探测深度较深的特点协同实施，探明岩溶塌陷及富水区分布情况，取得了较好的效果，提供的地质成果精度高，满足后期治理使用的要求。

关键词：管地质雷达；跨孔电阻率CT成像；岩溶塌陷；富水区

1　引　言

的Pulse EKKO系列等；国内较早研究地质雷达设备的主要有中国科学院长春地理研究所的SIZR型地质雷达、东南大学的GPR型地质雷达和大连理工大学

［2］的DTL型地质雷达。近年来，随着我国经济建设快

目前，随着我国各城市基础建设的快速发展，道

路、隧道、地铁等市政工程的建设需求也在不断增长，在工程施工中经常会遇到岩溶塌陷、富水区等很多的不良地质体影响，这些不良地质体如果不能及时地进行勘查和先期处理，极有可能会发生突水、地面塌陷、围岩崩塌等地质灾害情况，严重影响施工安全和项目进度。为了提前制定应对措施、防患于未然，确保项目顺利安全实施，在项目施工前开展浅层勘查工作、探明区域内可能存在的岩溶塌陷及富水区尤为必要。利用地质雷达探测具有无损探测、分辨率高的特点，但是其探测深度较浅；跨孔电阻率CT成像探测的深度和精度与钻孔深度和钻孔平面距离相关，具有分辨率较高、探测深度较深的特点；所以在勘查中将两种方法同时实施可以形成协同互补的勘查手段，可以提供更大范围和埋深的地质信息。

［1］

2　地质雷达

速发展和安全保障工作的需要，二维、三维雷达技术和装备均有较快发展，根据应用领域主要分为隧道检测雷达、道路检测雷达、地下管线检测雷达、建筑工程检测雷达、救援搜救雷达等。2.1　雷达基本原理

地质雷达的基本原理是基于高频电磁波理论的，

其可以利用高频无线电波的传播规律来确定介质内部物质结构，并描述介质分布规律的一种地球物理方法。地质雷达可以向地下介质发射强度为几十兆赫兹～上千兆赫兹的高频电磁脉冲，电磁脉冲在遇到不

［1］同电性介质的分界面时会产生反射或散射。探测目

标的埋藏深度可以根据电磁波双程走时的长短差别来确定；探测目标的位置、范围及形态需要通过合理布设的多条测线勘测，通过综合处理与解译来分析；而目标体属性可通过分析电磁波波形的变化特征来确定，进而结合部分室内分析工作达到对勘查目标的

［3］探测域判断。在实际探测应用过程中一般采用剖

使用地质雷达设备勘测地下目标体的历史可以

追溯到20世纪初期，但是直到20世纪末地质雷达技术随着电子技术的发展才得到了快速发展，参与研制地质雷达产品的公司也越来越多。国外研发的设备主要有日本应用地质株式会社的GEORADAR系列、瑞典地质公司的RAMAC/GPR系列、美国地球物理探测设备公司的SIR系列和加拿大探头及软件公司

*　收稿日期：2019－09－30

面法，即在地面测线上按固定一对发射、接收天线的

［3］间距，以预先设定好的点距交互移动进行探测。脉

冲旅行时：

t=2z/v（剖面法）

（中心共点法或宽角法） （2）

（1）

作者简介：程彦（1984－），男，山东泰安人，硕士，高级工程师，主要从事地球物理勘探工作。

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式中：t为脉冲波双程旅行时；z为目标体的深度；x为测线上点的坐标，勘测时一般其值固定；v为脉冲波的传播速度。

当脉冲波在介质中传播速度v已知时，可根据记录的时间t值，有（1）、（2）两个公式得到反射体的深度。式（2）中x值在勘测时为固定值，传播速度v值可以用宽角方式直接得到，也可根据v=c/

近似

求出（介质的电导率较低时）［4］。其中c为光传播速 度，ε为地下介质的相对介电常数（可利用理论值或实际测定）。2.2　雷达数据处理

由于原始采集数据信噪比、分辨率不高，所以

需要对原始数据进行处理，主要是对雷达记录的波形作处理，其目的是压制各种随机干扰或规则干扰，在确保保真度的前提下尽最大可能地提高的雷达剖面上反射波的信噪比和分辨率，以便于提取、计算反射波的各种有效属性，用于地质解译，处理方法主要包括有效波增强、随机噪声抑制、非目标体的杂乱回波压制、图像的信噪比和分辨率提高处理等，常用的处理手段有增强处理、数字滤波与反滤波和偏移绕射处理方法等。滤波是利用波的频谱特征去除、压制各种干扰波，如去除、压制直达波和多次反射波；反滤波是将地下介质假设为一系列的反射界面，再根据反射波的特征计算各界面的反射系数值；偏移绕射处理也叫反射波的层析成像技术，是将雷达数据中的每个反射点归位到其本来位置，从而可以真实地反映地下介质分布情况；增强处理是增强雷达记录中的有效信号，尽最大可能清晰地反映介质分布情况。雷达数据剖面图一般以脉冲反射波的形式记录，波形的正负峰分别填充黑色或白色，也可以填充灰度或彩色，剖面上形成的同相轴或等灰线、等色线即可真是地反映出地下反射界面或目标

体的情况

［5］

。雷达数据一般使用设备配套软件进行处理，但大多数配套软件中包含的处理手段较少且功能单一，所以一些勘探单位尝试将雷达采集的数CGG据转为、PromaxSEGY、等专业地震处理软件中的处理模块SEGD等地震数据标准格式，再利用

进行处理，2.3　雷达数据解释

取得了较好的效果。利用雷达资料解译地下不良地质体，主要是根

据有效反射波的波形特征、振幅大小及有效反射波同相轴连续性情况来进行分析判断；反射波形的能量强弱程度，是对雷达数据进行地质解译的重要依

据，它取决于脉冲波的发射能量、波在介质界面上的反射系数及波在介质中传播时的衰减率。在均一且规律地层中，反射波的传播特征表现为弱衰减、弱反射、反射波同相轴一致性好，并且其频谱特征表现为振幅能量一般集中在一个频率上，且其值相对固定；反之在雷达数据剖面上会表现为反射波能量强、同相轴连续性较差，或者形成双曲线形态等异常波场情

况

［5］

。岩溶塌陷在雷达数据剖面图上表现为强衰减、强反射或强弱反射能量多次震荡、反射同相轴错断、发生绕射等复杂的图像特征，并且振幅能量一般不集中在一个频率上，往往集中在两个或多个频率上，同时由于岩溶塌陷区产生的位置、深度、围岩的性质差异，其反射波频率也会随之发生变化；富水区在雷达数据剖面上的特征表现为电磁波同相轴较连续、反

射增强、频率降低［6］

；虽然地下管线的种类、材质不

同，反射波场特征也表现各异，但反射波同相轴呈向上凸起的弧形，顶部振幅能量最强，弧形两端绕射波振幅能量最弱是管线在雷达数据剖面上共同的表现

特征［7］

。

3　跨孔电阻率［8］跨孔电阻率CTCT成像法也称井间电阻率层析成

成像法

像法，我国从20世纪90年始相关的理论和技术研究，主要是根据地下异常体与围岩电阻率的差异或岩层间电阻率差异，利用电阻率层析成像方法计算，识别隐伏于地下的不良地质体或岩层界面。虽然地下异常体的埋深、结构、性质、形状和规模等存在差异，但是只要能使用仪器检测到由于其与围岩或界面上的电阻率差异而产生的地电场的变化，就可以使用

图1　工作原理示意图

增刊程彦.地质雷达与跨孔电阻率CT成像法协同在岩溶塌陷及富水区勘查中的应用 147

跨孔电阻率CT 方法进行地下异常体的探测，再利用已知的地质资料对照，就可以识别和解释得到的电阻率成像数据。3.1　工作原理

根据图1的工作原理示意图可知，在勘探孔1和

勘探孔2 中分别按一定间距放入供电电极和测量电极后，利用在勘探孔2 中测量到的电位或电位梯度值进行直接或间接的反演计算后成图，就可以分析出两孔间地层的电阻率分布情况，实际测量时也可以将勘探孔内的电极互换，重复测量后计算两孔间地层的电阻率分布情况。3.2　模型分析

根据探测区域实际情况，利用实际数据建立模

型，利用有限元法模拟岩溶塌陷区跨孔电阻率CT 成像特征，然后反演得到成果剖面后供解释使用，正反演使用的公式如下：

正演的基本方程式（对于稳定电流场位函数 ）：Δg（σ

ΔU）=-Iδ（r-r）

式中δ为狄拉克函数，σ为介质电导率，c）r，rc∈Ω

（3r为场点矢径，rc为源点矢径。

反演的基本方程式：

（4）

=W式中：Φd（m）=W（d0m（m-m0）2 。

d-d（m））2、Φm（m）模型分析时用如下数据定义模型：孔间距15m，

孔深40m，岩溶塌陷区规模3m×3m，如下图2（a）所200示，Ω·上部m15m，下部为灰岩，内为第四系黏土覆盖层，电阻率设定为电阻率设定为

灰岩内发育的溶洞电阻率设定为200Ω·2000m。Ω·根据模m，（a）构建模型 （b）反演结果

图2　模型分析图

型在两侧间隔1m布置电极进行正演模拟后进行反演处理，如图2（b）所示。从反演结果与模型的对比情况来看，溶洞轮廓清晰，方形结构基本能够体现，且分界面也划分较好，该方法的探测分辨率较高。

4　应用实例

应用实例是某市地铁车站建设工程，在初勘阶

段勘察的基础上，对车站地区的工程地质、水文地质条件进行分析评价；查明工程场地的不良地质、特殊地质的分布、性质、特征，提供设计、施工所需的地质参数，为工程设计、施工提供必要的依据。场地两侧高楼林立且有地下构筑物，交通繁忙，地下管线遍布密集，错综复杂，表土层以填土、第四系黏土主，下伏基岩为寒武系灰岩、页岩及粉砂岩，典型岩石与土电阻率如表1所示。探测场地采用地质雷达与跨孔电阻率CT成像法协同施工，地质雷达由于受到探测场地内低阻高介电性介质（如泥质土层、碳质灰岩、岩溶金属矿床等）的影响，雷达波衰减较快，深层信噪比较低，且场地内电器机壳接地游散电流、地下金属管道（线）、高压输电网、钢筋混凝土和工业与民用建筑物等人文电磁场对地质雷达数据采集干扰较严重，所以本次探测有效深度约5m，无法提供更深岩层内的有效信息，本次施工中还采用了避让法、排除法、20m间距、在线监测法消除干扰、深度约40m布设。

提高信噪比；勘探孔按典型岩石与土电阻率 　　　　　　　表1

岩石、土类型

电阻率数值（欧姆·米）

黏土<50裂隙、破碎带200～800完整灰岩>1000含水、黏土溶洞<50未充填溶洞

无穷大

本次雷达探测采用的是GSSI公司SIR-30E探地雷达系统，天线频率从10MHz～1000MHz组成一个系统，根据本工程的目的、任务和浅层地震地质条件，选用的主要采集参数为：天线频率200MHz、叠加次数次、点距0.3m、天线间距3m，对周边土层进行了详细探测，数据采集后通过数字滤波、反滤波、偏移绕射处理和增强处理等手段得到的成果剖面，如图3～5所示，剖面上清晰地反映了浅层地下不良地质体和特殊地质体的分布情况，根据前述的数据解释

方法将管线异常用红色框在图中绘出，解释的岩溶塌陷及富水区异常用蓝色框在图中绘出。

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图3　雷达剖面及解释成果图1

图4　雷达剖面及解释成果图2

图5　雷达剖面及解释成果图3

Imaging本次跨孔电阻率研发中心的FlashRESCT成像采用的是-井直流电法勘探系统，多通道超高密度地

ZZ Resistivity

面／井-地／井根据本工程的目的、任务和浅层地震地质条件，选用的主要采集参数为：250v井中激发、质解译，，采样时间成果如图2s。接收电极距均为1m、供电电压6、将采集的数据反演分析后进行地图7所示，成果剖面上清晰地反

映了浅层地质结构和地下不良地质体和特殊地质体的分布情况。从图中分析可知：该方法对岩性的电阻率差异反应灵敏，高、低阻异常边界清晰，溶洞表现的高

图6　跨孔电阻率CT反演剖面及解释成果图1

图7　跨孔电阻率CT反演剖面及解释成果图2

阻中的低阻闭合圈特征十分明显，但受方法本身体积效应和插值算法的影响，解译的边界存在一定误差。

5　结　论

通过研究、分析和实例论证认为利用地质雷达

进行地面探测，结合跨孔电阻率CT成像法可以形成表层与浅层互补的立体探测模式，能够准确识别出管线和岩溶塌陷及富水区等地质异常体，针对已探明的塌陷区可以及早制定治理方案，消除施工中的隐患。

当前我国各大城市正在进行大规模的基础建设，复杂的浅层塌陷等不良地质条件引发的施工难题往

往是在建设中急需解决的关键性问题，浅层塌陷的勘查和预测方法多种多样，技术层出不穷，优缺点各自鲜明，与其他电法手段相比，利用跨孔电阻率CT成像法勘查地下异常体时可以把供电电极和测量电极直接放入勘探孔中，电极接近勘查目标体，接收到的信号可以直接反映相应层位，从而使勘测成果的信噪比大大提高，也提高了相应的勘探精度和准确度；再配合使用地面雷达设备定期重复扫描测线，得到动态的剖面数据，通过对比分析不同时间的探测成果，还能对浅地表的空洞或土层扰动情况进行监控，对后续工程实施中可能发生的地质灾害起到了提前预警的效果。

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Application of Geological Radar and Cross-hole Resistivity CT Imaging Method in Karst Collapse and Water-rich Area Exploration

（Research institute of coal geophysical exploration，China national administration of coal geology，Baoding 072750，China）areas are becoming more and more serious，directly threatening people's life and property safety and national economic development，especially in the construction of municipal projects such as roads， tunnels， and subways. Personnel injuries and economic losses requirements are high. To this end，this paper attempts to use the characteristics of shallow depth detection of geological radar and the deep depth of trans-hole resistivity CT imaging to detect the distribution of karst collapse and water-rich areas，and has achieved good results. The geological results are highly accurate and meet the requirements for later use.

Key words：Geological radar; Cross-hole resistivity CT imaging; Karst collapse; Water-rich area

are even greater，so it is particularly important to identify karst collapse zones and water-rich zones，and the exploration accuracy

Abstract：With the acceleration of urbanization in China，shallow karst collapse and geological disasters caused by water-rich

Cheng Yan