探地雷达在地道探测中的应用

赵忠海

（北京市地质研究所，北京100120）

探地雷达（ground penetrating radar，简称GPR）是20世纪70年代发展起来的一种用于确定地下介质分布的广谱电磁法，具有探测效率高、对探测场地和目标无破坏性、有较高的分辨率及较强的抗干扰能力等特点，随着信号处理技术和电子技术的发展，探地雷达技术不断发展，应用范围不断扩大，现已广泛应用于工程地质勘察、水文地质调查、地质灾害调查、工程病害检测以及地道、防空洞等人防工程探测等众多领域。本文在北京顺义地区地道塌陷灾害隐患勘查工作基础上，结合工程实例，着重介绍了探地雷达在地道探测方面的应用。

1 探地雷达的探测原理

探地雷达是一种用于确定地下介质分布的广谱电磁技术，雷达通过发射天线（T）向介质中发射高频（106～109Hz）、宽频带电磁波，经介质中的分层界面或目标的反射界面产生反射回波信号，由接收天线（R）接收并数据化（图1）。由于电磁波在介质中传播时的路径、强度与波形均随介质的电性特征及几何形态的变化而变化，故可根据接收到的电磁波的走时（双程）、幅度以及波形等数据，来推断介质的结构特征及目标的几何形态等［1]。

由图1所示，反射界面或目标的深度位置为：

式中，x为天线间距；v为电磁波在不同介质中的传播速度（表1）；t为电磁波双向传播时间。

图1 探地雷达探测原理示意图Fig.1 Detection principle of GP Radar

表1 电磁波在介质中的传播参数表Table 1 Transmission parameters of electro magnetic waves

除此之外，反射界面或目标的深度位置也可以通过下式求得：

式中，v为电磁波在真空中的传播速度；εr为介质的相对介电常数；t为电磁波双向传播时间［2]。

2 探地雷达用于地道探测的可行性

探地雷达探测技术属于应用地球物理范畴。能否有效地应用地球物理勘查方法解决地质问题，关键取决于该方法的地球物理前提存在与否，即所要探测的目标与其周围的介质是否具有明显的地球物理物性差异。物性差异愈大，界面反映愈明显，探测效果愈好。

顺义地区的地道主要修建于20世纪40年代初的抗日战争时期和60年代末的全国战备运动时期，地道的顶底距地表的埋深均比较浅，顶深多为1.8～2.5 m，底深多为3.0～4.5 m。由于年代久远，加之人类活动影响强烈，许多地道均发生了不同程度的垮塌破坏，地下空间得到了不同程度的充填。但由于有些地道并没有完全填满，加之充填物的物质成分及密实程度与其周围介质有很大的不同，故地道边界两侧介质的物性差异很大，致使电磁波穿过该界面时的反射能量发生增减、波形幅值出现明显变化，据此可解译出该界面的准确位置及大致形态等相关信息，因此认为，探地雷达用于地道探测是可行的。并且由于使用了高频、宽频带、短脉冲及高速采样等技术，其探测精度及速度均高于其他物探手段。

3 探地雷达在地道探测的应用

本次探测使用加拿大pulse ＆software公司生产的pulse EKKO Pr o型探地雷达，采用100 MHz天线，探测点间距0.2 m，天线间距1.0 m。

采集到的数据经偏移校正、滤波及反演处理后，提取电磁波异常反应。探测工作表明，区内地道的异常反应主要表现为电磁波同线轴错动、反射波波幅增强以及在地道位置形成圆拱形异常等特征。此外，有些已塌陷充填的地道，其反射波呈现出漏斗状异常。

图2为山里辛庄附近某地道的探测图像与槽探剖面对照图。从中可以看出，在测线2.0～3.5 m、深2.4～3.0 m处的电磁反射波明显增强，且同相轴在此处产生错断，推断为地道异常。经槽探开挖证明，解译结果准确（图3）。经实际测量，地道的顶底埋深分别为2.5 m和3.8 m，边界较为明显。

图2 山里辛庄地道的雷达图像与槽探剖面Fig.2 GPR image and costeaning section for Shanlixinzhuang Tunnel

图3 山里辛庄地道开挖结果Fig.3 Excavation of Shanlixinzhuang Tunnel

图4为七连庄附近某地道的探测图像与钻孔剖面对照图。从中可以看出，在测线36～39 m、深3.0～5.0 m处的电磁反射波的波幅突然增强，与周围反射波形成鲜明对比，波形表现出圆拱形异常特征，且同相轴在此处产生错断，推测为地道异常。经钻探验证，解译结果准确。根据钻探结果，在距地表2.9 m处存在空洞，空洞的顶底间距为2.1 m［3]。

图4 七连庄地道的雷达图像与钻孔剖面Fig.4 GPR image and drilling section of Qilianzhuang Tunnel

4 结语

探地雷达作为一种快速、高效和经济的高新探测技术，在工程地质勘察、水文地质调查、地质灾害调查、工程病害检测以及其他领域的作用日益显著，从文中的应用实例看，该技术手段在地道、防空洞等人防工程探测方面的应用也具有较明显的效果。在某些受施工场地、建筑结构物等条件限制的情况下，探地雷达以其无损、快速、准确的特点，较钻探、槽探等技术手段更具优势。随着对电磁波研究的日益深入，该技术方法将会进一步完善，其应用范围也会越来越广。

［1]王国群.探地雷达技术在堤坝工程中的应用［J].江苏地质，2000，24（2）：101－104.

［2]徐宏武，邵雁，等.探地雷达技术及其探测的应用［J].岩土工程技术，2005，19（4）：191－194.

［3]北京市地质研究所.北京顺义龙湾屯镇地道塌陷灾害隐患勘查报告［R].北京市地质研究所，2012.