地質雷達工程應用綜述★

于 雷

(天津水運工程勘察設計院，天津 300456)

·巖土工程·地基基礎·

地質雷達工程應用綜述★

于 雷

(天津水運工程勘察設計院，天津 300456)

首先對地質雷達工作原理進行了介紹，然后主要綜述地質雷達在地下管線探測、基坑工程、地基處理、水文水利工程及圍堤工程等方面的應用，并指出在相應領域應用的優點與缺點,最后給出了地質雷達應用的相關結論及其存在的不足。

地質雷達，工作原理，工程檢測，工程勘察

地質雷達是工程技術人員探測地下目標的一種常用手段，其具有形象直觀、圖像實時顯示、經濟快速、準確定位、便于攜帶等優點。地質雷達技術的發展較為短暫，20世紀50年代～60年代，科研人員將其用于北極和南極的冰層、冰川厚度等方面的探測，70年代，該技術在采礦及地質調查方面的應用才逐漸普及。近幾十年來，地質雷達探測在探測原理、設備制造、數據處理及工程解釋等方面都取得了重大突破，并在工程驗收無損檢測、巖土工程勘察、水文地質勘探、市政管網探測、考古調查等領域得到了廣泛應用，取得了不錯的技術效果和明顯的社會經濟效益。

地質雷達的應用越來越廣泛，而以往的文獻僅對其在某個工程實例或者某一類工程中的應用做介紹，對其在整個工程領域的應用介紹極其少見，這對初次接觸地質雷達設備的個人或單位缺少整體性認識。因而，本文將在總結前人的基礎上，對地質雷達在工程領域的應用進行系統性綜述。

1 工作原理

地質雷達一般由三部分組成，即主機、天線和相應的配套軟件。根據電磁波在有耗介質中的傳播特性，高頻電磁波(1 MHz～2 500 MHz)以寬頻帶短脈沖形式進入土體等介質內傳播，當遇到電性(通常指介電常數)差異明顯的異常體時，電磁波便反射回地面，被接收天線接收。在對接收天線收到的信號波進行分析處理后，由信號波形、強度、時間等參數便可初步判斷異常體的位置、電性及幾何形態，進而達到對地下異常物體的探測[1](見圖1)。

圖1中T為發射天線，R為接收天線，電磁波在介質傳播過程中遇到異常體時反射回地面被接收天線接收，經過主機的數據處理后，就可以得到雷達記錄的反射波曲線(如圖2所示)。

實際工程應用中，將地質雷達沿事先設定的測線勻速移動，而其發射、接收天線的距離是固定的，此時所有單道反射信息便構成了雷達圖像剖面。以圖2為例，橫坐標表示天線沿測線方向的水平位置，縱坐標表示信號波的雙程旅行時間。波形的正負波峰波谷分別以黑、白表示，或者以灰色或彩色表示，這樣，同相軸或等色線便能形象地表征出地下目的體[2]。

目的體在介質中的埋藏深度為H：

其中，t為信號波的雙程反射時間；c為信號波在真空中的傳播速度；εr為目的體以上介質相對介電常數均值。

雷達探測資料解釋由兩部分組成：數據處理和圖象解釋。復雜的地下介質實際相當于一個濾波器，由于信號波在介質中的吸收損耗程度不同，于是最后被接收天線接收的脈沖強度相應不同，主機上處理后的波形便與初始波形有較大的差別。另外，環境中客觀存在的各種隨機信號噪聲和干擾波也會對接收信號圖像造成干擾。因此，接收到的信號必須經過適當的處理后，才能得到正確的信號波形，以便準確描繪地下介質的存在情況。

2 工程應用

隨著計算機技術的突破性發展，地質雷達性能越來越強大，其天線從低頻到高頻的覆蓋范圍越來越廣，探測深度和精度得到了極大拓展。因此，地質雷達在各領域的應用越來越廣泛。本文將從地質雷達在地下管線探測應用、基坑工程應用、地基處理應用、水文水利工程應用及圍堤工程應用等方面，將前人對地質雷達的應用心得做綜述性介紹。

2.1 地下管線探測應用

地下管線是一個城市重要的基礎設施，也是城市賴以生存和發展的物質基礎，擔負著信息傳輸、能源輸送等工作。目前，對管線資料信息的掌握主要通過工程設計和竣工資料、直接現場開挖驗槽和地質雷達探測等。很多管線由于施工時間久遠造成資料缺失或錯誤，而現場開挖驗槽成本太高，且影響市民的正常生活，因此依靠地質雷達的探測方法就顯得極有必要。

陳軍[2]簡要介紹了金屬管道和非金屬管道的雷達反射波場特征的異同，同時結合江蘇丹陽某工地超深天然氣管道的情況，提出雷達圖像解釋需要遵從由已知區域向未知區域解釋的原則進行，圖像識別時既要考慮探測目標本身可能產生的異常波形，也要對目標體所處的地質環境進行影響分析。

2.2 基坑工程應用

基坑工程建設中，由于土體開挖引起的土應力變化、水位變化等，致使土體產生變形，嚴重時會影響周圍建筑的安全使用。同時，基坑自身圍護的質量影響工程的順利進行和施工人員的人身安全。地質雷達作為一種無損檢測方法，在檢測基坑圍護質量和周圍環境的安全方面有著巨大優勢，近年來已經逐漸開始使用。

何亮[3]結合工程實例，開展了地質雷達檢測基坑開挖引起的地基病害的應用研究。根據現場檢測得到的試驗數據，對地基病害(如基坑開挖引起的土體疏松和脫空等)進行了圖像解釋，并通過現場靜力觸探試驗進行了對比驗證。

成詞峰[4]利用地質雷達對武漢地鐵二號線一期工程洪山廣場車站進行了無損檢測，通過對基坑底部隱伏巖溶的地質進行探測，并采用地質鉆探進行驗證，成功地將地質雷達技術應用于地鐵車站深基坑底部巖溶探測的領域，節省了時間和金錢。

陳軍[5]應用地質雷達對基坑圍護工程中的注漿效果進行了檢測。在對具體檢測場所的物性條件進行詳細分析的基礎上，通過對比注漿前后的地質雷達圖像，基本探測出注漿的工程效果。

趙強[6]以某輕軌車站深基坑圍護工程為例，應用地質雷達探明了基坑的圍護情況，針對該基坑圍護質量的評價標準，結合以往工程經驗，提出了相應的處理措施，極大地保障了基坑的安全開挖。

2.3 地基處理工程應用

地基處理工程的質量檢測方法眾多，根據不同的檢測目的，檢測方法包括十字板試驗、靜載試驗、動力觸探檢測等等。對于某些硬質地基處理，如拋石堆填等，傳統的檢測方法效率低、費用高。最近，工程人員開始嘗試采用地質雷達的檢測方法，取得了不錯的效果。

葛雙成[7]應用地質雷達對某圍堤深厚軟弱地基處理的爆破擠淤效果進行檢測，通過低頻天線取得了拋石層落底深度和寬度，以及腰部寬度等堤身參數。通過與鉆探結果對比，驗證了雷達探測拋石層厚度的工程可行性。

詹金林[8]在某拋石填海造陸工程異型錘高能級強夯置換進行地基處理后，通過地質雷達對置換墩的直徑和長度進行檢測，通過與鉆探及開挖結果進行對比驗證，表明地質雷達檢測結果準確可靠。

2.4 水文水利工程應用

水利工程投資巨大，其工程質量關系著下游人民的生命安全，提高工程的安全質量檢測具有重大意義；水文調查中，查明包氣帶含水量的分布情況對水文循環和污染防治具有重要意義。地質雷達在水文水利工程中的應用主要體現在地下包氣帶含水量的調查，水壩滲漏和混凝土質量的檢測等方面。

閆永帥[9]總結了3種常用的地質雷達測量包氣帶含水量的方法，即固定距離法、多偏移距反射法、鉆孔雷達法，通過對地質雷達測量包氣帶含水量原理的分析，指出了這3種檢測方法的優缺點及適用性，最后得出固定距離法與多偏移距反射法相結合可解決地質雷達測量包氣帶含水量的問題的結論。

薛建[10]介紹了水壩滲漏的原因和滲漏時的地質雷達圖像特征，即滲漏部位因介質含水量的變化產生電性異常，通過雷達波幅頻特性發生的變化，對雷達圖像的分析可以確定滲漏的部位和埋深。結合兩個工程實例，證明了地質雷達方法在水壩滲漏檢測中有較好的應用效果。

劉濤[11]利用地質雷達對橡膠壩混凝土內部缺陷進行了定性和定量檢測，同時給出了地質雷達在水利工程質量檢測中應注意的問題，包括不同位置、不同混凝土配比的波速標定等問題。

2.5 圍堤工程應用

圍堤工程因其作業環境特殊，常規的勘察、檢測手段較難實施，且成本巨大。地質雷達因其經濟、快速和高效等優點，工程人員開始嘗試將其應用于圍堤工程的勘察檢測等領域。

張欣海[12]以深港西部通道一線口岸區工程勘察為例，通過地質雷達對圍堤的斷面特征以及首底情況的探測，成功地將地質雷達運用于海上圍堤勘察。最后，文章總結了地質雷達在勘察應用中的優缺點：對類似大塊石、碎石地層的勘察相比鉆探具有施工簡單、快速、經濟等優點，但在海上圍堤勘探中由于海水介質對電磁波的高吸收性，不能有效反映海水的深度等缺點。

3 結語

地質雷達憑借其經濟、高效、快速和無損等優勢，逐漸在各個工程領域得到了廣泛應用。除了上文提及的工程領域外，地質雷達還在隧道工程質量檢測、礦井探測及考古探察等方面發揮重要作用。本文在介紹了地質雷達工作原理的基礎上，綜述了近些年其在工程領域的常見應用。另外，應當指出的是，地質雷達在實際應用時，還存在介質波速較難確定，雷達圖像難以判斷解析，使用經驗依賴性等問題，這些方面還需要更好的加以總結才能拓展其在更大范圍的應用。

[1] 常 錚.地質雷達的工作原理及應用[J].山西建筑,2007,33(21):126-127.

[2] 陳 軍,趙永輝,萬明浩.地質雷達在地下管線探測中的應用[J].工程地球物理學報,2006,2(4):260-263.

[3] 何 亮,楊 放,王旭東,等.地質雷達檢測基坑開挖引起的地基病害[J].南京工業大學學報(自然科學版),2007(5):7.

[4] 成詞峰,李鵬飛.地質雷達在地鐵基坑底隱伏巖溶探測中的應用[J].巖土工程技術,2012,26(6):321-323.

[5] 陳 軍,趙永輝,王永強,等.基坑圍護工程注漿效果的雷達檢測[J].上海地質,2007(1):75-78.

[6] 趙 強,孫 鵬,楊學嘉,等.基于地質雷達檢測的深基坑隱患風險評價[J].鐵道建筑,2011(6):117-120.

[7] 葛雙成,張孚專,孫伯永,等.洞頭縣楊文圍涂東圍堤拋石層雷達檢測與分析[J].浙江水利科技,2006(3):35-36.

[8] 詹金林,水偉厚.某拋石填海造陸工程異型錘高能級強夯置換試驗研究[A].工程排水與加固技術理論與實踐——第七屆全國工程排水與加固技術研討會論文集[C].2008.

[9] 閆永帥,趙貴章,潘紀順,等.地質雷達測量包氣帶含水量的方法綜述[J].華北水利水電大學學報(自然科學版),2014,35(6):25-28.

[10] 薛 建,董彥明.地質雷達方法在水壩滲漏檢測中的應用[J].長春科技大學學報,2001,31(1):89-91.

[11] 劉 濤.地質雷達在水利工程質量檢測中的應用[J].大科技,2014(3):180-181.

[12] 張欣海,趙竹占.海上圍堤的地質雷達勘探[J].勘察科學技術,1999(2):58-60.

Asurveyontheapplicationofgroundpenetratingradar★

YuLei

(TianjinSurveyandDesignInstituteforWaterTransportEngineering,Tianjin300456,China)

The working principle of ground penetrating radar is introduced, then its applications in prospecting underground pipeline, building excavation, groud treatment, hydrogeology and hydraulic engineering, reclamation engineering are surveyed, finally, the relevant conclusios of the application of ground penetrating radar and its weakness are pointed.

ground penetrating radar, working principle, project exploiting, engineering investigation

1009-6825(2017)23-0053-03

2017-06-06★:交通運輸部天津水運工程科學研究所基金項目(TKS170214)

于 雷(1988- )，男，碩士，助理工程師

TU435

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