探地雷达在小学校区废弃防空洞探测中的应用研究

时间：2024-05-18

沈方铝，陈伟，李培

沈方铝，陈伟，李培

（福建省地震局，福建福州 350001）

学校建设工程安全关系着广大师生的身心健康和生命安全，关系着千家万户的幸福，影响着社会的和谐稳定。福州鼓山中心小学地基基础工程建设时发现了易引起地质灾害的废弃土质防空洞，运用探地雷达方法技术探明了校区下伏废弃防空洞，有效防范了安全生产事故的发生。通过探地雷达对目标体的探测，分析了地下土质防空洞的雷达波组异常特征，总结了探地雷达时深剖面图的异常特征，准确地探测出了防空洞的具体位置、规模和可靠的走向延伸方向，为确保小学建楼地基的稳定提供了技术支持。

探地雷达；电磁波；防空洞探测；异常特征

1 引言

学校建设工程安全事关广大师生的生命和安全，随着国民经济快速发展，校园建筑工程安全问题得到广大学校的重视。因此，学校对校园建筑工程场地地基条件的勘察精度要求也越来越高。作为建筑场地地基条件勘察的常规手段之一，工程钻探成本过高，不能大面积高密度铺开[1]，很容易遗漏场地钻孔间的小型土洞、溶洞、防空洞等不良地质现象。因此运用价格相对低廉、工作无损、结果相对准确快速的物探手段来对学校建筑工程场地的地基条件进行调查和探测是比较合适的。

随着物探方法的进步，包括探地雷达[2]、高密度电阻率法、浅层地震反射波法、剪切波速测试[3-4]等多种物探手段都可以进行工程建筑场地地基条件探测。其中高密度电阻率法对浅部相对较深的含水裂隙或空洞的探测效果好[5]，浅层地震勘探适用探测浅部相对深度较深的空洞[6]，这两种方法在建筑工地上常受到剖面大、干扰源多等客观因素的制约。探地雷达是一种利用高频电磁波在岩体传播中遇到地质界面产生反射的特性探测异常地质体的一种方法，该方法具有精度高、连续无损、经济、快速、抗干扰强、图像直观等特点[7]，更适宜在城市建筑工程复杂条件下快速检测和识别地下不良地质体。

经初步调查，福州市鼓山中心小学教学办公综合楼建设过程中某处发现废弃土体地下防空洞，其洞体局部下沉，易导致塌陷，给工程建设带来了一定的安全隐患，需要对其位置、埋深及规模进行探测，为建筑工程提供参考。该土质防空洞相关资料遗失，揭露为充满空气的近水平的不规则柱状体或半坍塌状空洞，洞口埋藏于砂土状强风化花岗岩中，洞深小于3 m，而施测范围只能布置在狭窄短小的工地上，探测难度大。根据上述的工作条件，选择探地雷达方法对其进行探测。

2 地质概况

鼓山中心小学教学办公综合楼地处福州市晋安区鼓山鼓二村，在区域构造单元方面位于闽东火山断拗带内的次一级构造单元福鼎—云霄断陷带和闽东南滨海断隆带上，处于闽江下游地域，为鼓山—鼓岭断块低山地形。坐落于一座小山包上，属剥蚀残丘地貌类型，下伏地层岩性主要为残积土、强风化花岗岩。

3 防空洞探测的原理与方法

3.1 原理

探地雷达是利用雷达主机发射天线（T）发射高频带短脉冲电磁波，经过地下地层或目标体反射后返回地面，为接收天线（R）所接收反射来探测目标体，探地雷达工作原理如图1所示。探地雷达根据地下介质中的电性差异所得的电磁波在介质中传播的路径、电磁场强度与波形等图像剖面，进行探地解释，分析地下介质或目标体的结构、目标体埋藏深度等。

图1 探地雷达工作原理

电磁脉冲波从发射经深度为的地层界面或目标体反射到接收天线，在地下介质中的双程传播时间为：

式（1）中：为地下介质界面或目标体的深度；为发射天线与接收天线之间的距离（本文采用一体式屏蔽天线，近似为0）；为反射波在介质中的传播速度。

因此，该式可以进一步简化为：

电磁波传播速度与介质相对介电常数的关系为：

式（3）中：为真空中电磁波传播速度（＝0.3 m/ns）；为介质相对介电常数。

当介质的传播速度或介质相对介电常数已知时，即可求出地层界面或目的体的深度。在采用的仪器天线为收发一体，相对探测深度很小的情况下，则反射系数可表示为：

由式（4）可知，反射界面两侧介质的相对介电常数的差异决定了反射系数的大小。差异越大反射系数越大，探测出的异常越明显。

3.2 防空洞异常

揭露的防空洞为较为规则的拱形结构，如图2所示，设在介电常数为1的均匀半无限空间内存在一介电常数为2的球状体，反射点埋深为，球状体半径为，顶部埋深为=1，底部埋深=2，电磁波的发射点位，接收点为，天线的中点即为当次发射电磁波由空洞界面反射接收后的记录点，由于本文采用收发一体天线，其近似为同一个点。设=，=，则（+）2=2+（+）2，整理后可得：

该式即为探地雷达探测空洞的双曲线方程[8]，反映了防空洞异常的基本图形特征。

电磁波反射出现在两者交界面上，其反射强弱取决于两者之间介电常数的差异大小（介质组成、围岩风化程度和含水性质等）。

4 定量计算及异常分析

城市地下土质空洞这一地下不良地质体的探测工作采用何种探测手段和工作方法，是达到工作目的关键所在[9]。

该防空洞出露洞口位于福州市鼓山中心小学教学楼场地西北角，洞口埋藏于强风化花岗岩中，洞顶埋深约1 m，洞宽约1 m，洞内顶、底、壁为自然状态，未经人工砌护。教学楼场地工程场地处于施工状态，工作条件较差，现场金属干扰较多。由于防空洞的顶底界面一般为混凝土、岩石或硬土，内部结构复杂，可以分为完整干燥无充水和有坍塌充填物两种。完整干燥无充水的防空洞顶底界面两侧物性差异大，图像易于分辨，有坍塌充填的空洞则相对复杂，波形较为杂乱。雷达发射波的反射系数的大小取决于探测目标与围岩间介电常数的差异，差异越大，反射系数越大，探测效果越好。

根据上述条件，针对性采用美国劳雷工业公司研制的GSSI SIR-20型探地雷达进行探测，匹配天线选用了中心频率100 MHz屏蔽式天线。根据现场状态及揭露的情况，采用点测模式，测点距离为0.2 m，叠加次数128次。时窗（）选择主要取决于最大探测深度max与地层电磁波速度，根据公式=1.3*2max/，计算得到=150。

4.1 速度及介电常数计算

探地雷达资料解释的重要内容即为探地雷达电磁波速度的产出，其结果直接关系时深转换和解释结果的准确性。常用的电磁波在介质中传播速度的获取方法有已知目标换算方法、几何刻度法、介电常数法、CDP速度分析法、反射系数法等。已知目标换算方法简单快速准确，是最常用的方法。由于现场揭露已知地层和目标体的深度，因此本文采用目标换算方法即可快速得到准确的速度。

如图2所示，根据揭露空洞顶界面埋深和雷达波的双程走时，直接运用=2/，即可得到上覆砂土状花岗岩的电磁波速度为0.15 m/ns。再根据公式（2）可以求得砂土状花岗岩的介电常数。计算后得出=4.16，因此，本文在时深转换时采用的介电常数为4。根据=/，计算可得=0.17 m。远小于埋深。由于发射、接收天线间距离远小于防空洞埋深，根据第一Fresnel带的直径的计算公式可得=0.29 m。由此也验证，采样的点距0.2 m已充分满足要求。

4.2 防空洞直径R的定量计算

设雷达波在防空洞中的传播速度为光速，在防空洞顶界面点的双程走时为1，底界面点的双程走时为2，防空洞的纵向直径为，则=/2=（2－1）/2。顶界面的雷达波双程走时约为：1=17 ns，2=30 ns，代入后计算可得，=1.45 m。

4.3 雷达图像分析

界面反射信号的强弱和反射波相位与直达波相位的关系是判读空洞依据[9]。追踪雷达波同相轴的连续性和识别波阻抗反射界面是探地雷达剖面图像解释的关键[10]。在雷达图像上，空洞表现为反射振幅较强、连续、呈弧状等特征[11]。实际探测所得的探地雷达图像显示，空洞顶底界面的同相轴相位相反，雷达波由砂土状强风化花岗岩进入防空洞有强烈的反射，防空洞底界面也存在较为强烈的反射波，说明了防空洞内部与围岩有较大的介电常数差异。防空洞顶底界面雷达单道波形识别如图3所示。探地雷达时间剖面及解译如图4所示。

图4 探地雷达时间剖面及解译图

从图3可以看出，探地雷达剖面第32道显示出了较为明显的电磁波低速到高速，高速到低速的特征，顶底界面信号时差较大，体现了空洞的雷达波响应特征。

从图3可以看出，测线里程为6～8 m，纵向时深17～30 ns附近存在一能量很强的波组界面，伴随多次强反射，存在绕射现象，总体呈较为对称的双曲线同相轴形态。根据雷达图像识别并参考揭露空洞等资料，推测该处存在一下埋防空洞，经时深转换后顶底界面埋深为1.3～2.7 m，横向界面大约在测线6.5～8 m位置，宽1.2 m；在测线12～17 m，纵向时深1.3～2.7 m位置附近存在两处呈双曲线型的雷达电磁波强反射。该处宽幅反射雷达电磁波能量强有规律，伴随多次强反射叠加，总体呈双峰双曲线，推测该位置存在两处下埋防空洞，位置分别在测线12～13.5 m附近和测线15.5～17 m附近，宽1.3 m；在埋深大约3.5～4.0 m处存在一反射能量分布较均匀、同相轴连续好、图像清晰稳定的波组界面，其反射波的首波相位与入射波同相，且上层反射波呈现低频大振幅连续反射，下层呈现高频弱振幅反射。根据现场地质调查推测该界面为强风化花岗岩与中风化花岗岩间的土体层位分界面，强风化层中矿物按深度分布，垂向电磁参数差异较大，呈现低频大振幅连续反射；其下的新鲜基岩中呈现高频弱振幅反射，从频率特性中可较为清楚地将两层分开。

针对探地雷达探测所发现的地下异常目标，现场进行了开挖验证，直接验证解释结果的正确性，如图5所示。该防空洞埋藏深度约为地表以下1.5 m，洞宽1.2 m，底界面为地表下2.8 m，基本完好，部分有少量坍塌。开挖结果与雷达数据解译结果相比，探地雷达所解译的地下防空洞顶界面深度为1.4 m，洞宽底界面埋深2.9 m，顶底界面几乎一致，仅相差0.1 m，效果较为理想；防空洞横向解译宽度为1.2～1.3 m，开挖实际宽度为1.0～1.2 m，误差最大0.2 m，位置中心点与开挖结果吻合较好。

图5 防空洞开挖验证照片

5 结语

探地雷达方法是一项应用十分广泛的近地表地球物理探测方法。与其他物探手段相比，设备便携、速度快、探测精度高、实时显示图像、无损探测及剖面连续等是探地雷达的技术优势。但是实际工作中，需要根据探测目的体、周边工作环境与探地雷达自身的优劣特性有机结合来针对性地选择天线频率和工作参数。

探地雷达的数据采集直接影响雷达图像的质量。探地雷达的雷达波同相轴变化、反射界面的识别、图谱幅值和相位情况是判断防空洞特征的重要信息。通过对探地雷达实测资料的处理和图像分析，表明在城市校园建筑工程场地使用探地雷达探测可以较为快速、准确得到浅部土质防空洞的空间位置、规模、延伸方向，减少因工程探地条件不佳引起的工程质量问题。配置100 M天线的探地雷达，可探测深度10 m以内保存相对完好的土质防空洞，效果较好，空洞异常表现为反射波频率较低，波幅变大，异常形态通常为相对对称的双曲线同相轴形态。根据本次探地雷达实测，鼓山小学附近砂土状花岗岩的电磁波速度为0.15 m/ns，介电常数为4.16，可被参考使用在周边相似条件工程的电磁波速度预测。

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