[陕西省]地灾资质探地雷达要求，地灾资质探地雷达要求

地质雷达探测工作布置原则

1、操作测试天线的工人必须佩戴安全帽、腰系安全带、手带手套、操作平台的防护围栏必须高过工人的腰部。

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2、在测试隧道拱腰时，操作天线的工人手举天线的手必须高过平台防护围栏的高度，手扶围栏时绝对禁止手扶靠近衬砌且与衬砌平行的围栏，以免夹上工人的手臂或手掌。

3、在测试拱顶和拱腰时，操作测试天线工人旁的观测工人应该随时注意围栏与拱顶、拱腰的距离，指挥检测台车司机操作平台的空间位置，防止撞上衬砌导致平台垮塌，酿成大事故。

4、在测试前，请隧道队将测试段落上的车辆、杂物等清理干净，方便测试检测台车或测试人员通过。

5、严禁使用挖掘机作为测试平台。

　探地雷达

11.6.1　基本原理

探地雷达（Geologic Radar或Earth Pobing Radar）主要研究电磁波在介质中传播地灾资质探地雷达要求的速度地灾资质探地雷达要求，介质对电磁波的吸收地灾资质探地雷达要求，以及电磁波在介质交界面的反射。

11.6.1.1　电磁波在介质中的传播速度

探地雷达测量的是地下界面的反射波走时 t地灾资质探地雷达要求，为地灾资质探地雷达要求了获取地下界面的深度 h=tv/2，必须有介质的电磁波传播速度v：

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式中：c为真空中电磁波传播速度，c=0.3m/ns；ε，为相对介电常数，是介质介电常数ε与真空的介电常数ε0的比值。

11.6.1.2　电磁波在介质中的吸收特性

吸收系数α决定了场强在传播过程中的衰减率，对非良导电、非磁性介质，α的近似值为

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即α与导电率σ成正比，与介质导磁率μ和介电常数ε比值的平方根成正比。

11.6.1.3　反射定律与反射系数

电磁波（又称入射波）到达介质的电性分界面时，会发生反射，被界面反射而返回的电磁波称为反射波。反射波与入射波界面处的运动学特征（即传播方向）遵循反射定律，即入射角θi（入射方向与界面法线向的夹角）等于反射角θr（反射方向与界面法线方向的夹角）。

电磁波在到达界面时，还将发生能量的再分配。入射波、反射波和折射波三者之间能量关系，因入射波电磁场相对界面的方向（极化特性）不同而异。当电场平行于界面时，电磁波从介质1入射到介质2时的电场反射系数 R12为

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对于非磁性、非良导电介质，

。垂直入射时11.6.2　观测方法

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探地雷达尽管型号很多，但都可以看成是由接收、发射两部分组成。发射部分通过天线向地下发射超高频宽带短脉冲电磁波，接收部分通过天线接收来自地下介质交界面的反射电磁波。目前常用的探地雷达观测方式有剖面法和宽角法两种。

11.6.2.1　剖面法

剖面法是发射天线（T）和接收天线（R）以固定间距沿测线同步移动的一种测量方式。当发射天线与接收天线间距为零，亦即发射天线与接收天线合二为一时，称为单天线形式，反之称为双天线形式。剖面法的测量结果可以用探地雷达时间剖面图像来表示。该图像的横坐标记录了天线在地表的位置；纵坐标为反射波双程走时，表示雷达脉冲从发射天线出发经地下界面反射回到接收天线所需的时间。这种记录能准确反映测线下方地下各发射界面的形态。图11-8为剖面法示意图及其雷达图像剖面。

图11-8　剖面法示意图及雷达图像

11.6.2.2　宽角法

为了原位测量地下介质的电磁波速度，在探地雷达工作中还常采用宽角法或共中点法观测方式。一个天线固定在地面某一点上不动，而另一天线沿测线移动，记录地下各个不同界面反射波的双程走时，这种测量方式称为宽角法。也可以用两个天线，在保持中心点位置不变的情况下，改变两个天线之间距离，记录反射波双程走时，这种测量方式称为共中心点法。当地下界面平直时，这两种方法结果一致。这两种测量方法的目的是求取地下介质的电磁波传播速度。图11-9是共中心点观测方式示意图及其雷达图像。

深度为h的地下水平界面的反射波双程走时t满足：

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式中：x为发射天线与接收天线之间的距离；h为反射界面的深度；v为电磁波的传播速度。当地层电磁波速度v不变时，t2与x2成线性关系。用宽角法或共中心点法测量得到地下界面反射波双程走时t，再利用公式（11.9）就可求得地层的电磁波速度。

11.6.3　技术要求

11.6.3.1　测线布置原则

探地雷达的野外工作常常是沿测线进行的，沿测线采集到的数据经处理后的成果就是探地雷达剖面（时间剖面或深度剖面），它是探地雷达资料解释的基本依据。测线布置的基本原则如下。

（1）主测线应垂直地下目标体走向，辅助测线平行目标体走向，目的是更好地反映目标体形态，同时也可以避免大量异常波的出现；

图11-9　共中心点观测方式与雷达图像

（2）测线应尽量通过已有的井位，以利于地层的对比。

11.6.3.2　分辨率

分辨率是地球物理方法分辨最小异常体的能力。分辨率可分为垂向分辨率与横向分辨率。类似于地震勘探，通常将探地雷达剖面中能够区分一个以上反射界面的能力称为垂向分辨率。

为了研究方便，选用处于均匀介质中一个厚度逐渐变薄的地层模型。电磁波垂直入射时，则有来自地层顶面、底面的反射波以及层间的多次波。多次波的能量较弱，所得到的雷达信号为顶面反射波与底面反射波的合成。依照相应地层厚度的时间关系所得地层顶面的反射波合成雷达信号见图11-10。由图可知，可取地层厚度 h=A/4作为垂直分辨率的下限。

探地雷达在水平方向上所能分辨的最小异常体的尺寸称为横向分辨率。雷达剖面的横向分辨率通常可用菲涅尔带加以说明。设地下有一水平反射面，以发射天线为圆心，以其界面的垂距为半径，作一圆弧与反射界面相切，此圆弧代表雷达到达此界面时的波前，再以多出1/4及1/2子波长度的半径画弧，在水平面界面的平面上得到两个圆。其内圆称为第一菲涅尔带，两圆之间的环形带称作第二菲涅尔带。根据波的干涉原理，法线反射波与第一菲涅尔带外缘的反射波的光程差λ/2（双程光路），反射波之间发生相长性干涉，振幅增强。第一带以外诸带彼此消长，对反射的贡献不大，可以不考虑。设反射界面的埋深为 h，发射、接收天线的距离远远小于h时，第一菲涅尔带半径可按下式计算：

图11-10　地层厚度对波形影响示意图（据Widess　1973修改）

（a）为反射射线图解，b为地层厚度；（b）为单个反射波形，利用地层厚度算出的时间延迟把得自顶底界面的单个反射波形相加，即得到如（c）中的波形；（c）为复合反射波形，它是地层厚度的函数，T为入射子波主周期，λ2=tv为地层内的波长。等时线间隔为t/2。标有x的线为波谷时间线，点线为零振幅时间线，为各复合子法的中心线；（d）为振幅与视厚度的定义

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式中：λ为雷达子波的波长；h为异常体的埋藏深度。

图11-11为处于同一埋深、间距不同的两个金属管道的探地雷达图像。该图像在水槽中获得，实验使用铁管φ5cm，钢管φ3cm。测量时使用中心频率为100MHz天线，其在水中的子波波长λ＝0.33m。从图中可以看出一些内容：①处在深度为1.06m的φ3cm铁管仍可以很清晰地为探地雷达所分辨，由于其管径约为0.1rf，说明探地雷达对单个异常体的横向分辨率要远小于第一菲涅尔带的半径。②图11-10(a）两管间距0.5m大于第一菲涅尔带半径，由雷达图像可以准确把两管水平位置确定出来；（b）两管间距0.4m小于第一菲涅尔带半径rf=0.42m，已很难用雷达图像确定两管精确位置。这表明区分两个水平相邻的异常体，其最小横向距离要大于第一菲涅尔带半径。

11.6.3.3　探测距离与探距方程

探地雷达能探测最深目标体的距离称为探地雷达的深测距离。当雷达系统选定后，系统的增益 Q。就确定。Qs为最小可探测的信号功率 Wmin与输入到发射天线的功率Wt之比，即：

图11-11　两个同深金属管的地质雷达图像

（a）钢管（右）直径3cm，顶深1.06m；铁皮管（左）直径5cm，顶深1.04m，管中心距0.5m;（b）钢管（右）顶深0.52m；铁皮管（左）顶深0.5m，管中心距0.4m;（c）钢管（右）顶深1.04m；铁皮管（左）顶深1.06m，管中心距0.4m

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探地雷达从发射到接收的过程中能量会逐渐损耗。雷达系统从发射到接收过程中的功率损耗 Q可由雷达探距方程来描述。

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式中：ηt、ηr分别为发射天线与接收天线的效率；Gt、Gr分别为在入射方向与接收方向上天线的方向性增益；g为目的体向接收天线方向的后向散射增益；σ为目的体的散射截面；α为介质的吸收系数；r为天线到目的体的距离；λ为雷达子波在介质中的波长。

满足Qs+Q＞0的最大距离r，称为探地雷达的深测距离，亦即处在距离 r范围内的目的体的反射信号可以为雷达系统所探测。

11.6.3.4　探地雷达方法有效性评价

每接受一个探地雷达测量任务，都需要对探地雷达解决地质问题的有效性进行评价，以确定探地雷达测量能否取得预期效果。

（1）目标体深度是一个非常重要的问题。如果目标体深度超出雷达系统探测距离，则探地雷达方法就要被排除。雷达系统探测距离可根据雷达探距方程（11.12式）进行计算。

（2）目标体几何形态（尺寸与取向）必须尽可能了解清楚，包括高度、长度与宽度。目标体的尺寸决定了雷达系统可能具有的分辨率，关系到天线中心频率的选用。如果目标体为非等轴状，则要搞清目标体走向、倾向与倾角，这些将关系到测网的布置。

（3）目标体的电性（介电常数与导电率）必须搞清。雷达方法成功与否取决于是否有足够的反射或散射能量为系统识别。当围岩与目标体相对介电常数分别为εh与εT时，目标体功率反射系数的估算式为：

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一般说目标体的功率反射系数应大于0.01。

（4）测区的工作环境必须搞清。当测区内存在大范围金属构件并成为无线电射频源时，将对测量构成严重干扰，在进行资料解释时必须加以排除。

11.6.4　信号处理

11.6.4.1　滤波技术

探地雷达测量中，为了保持更多的反射波特征，多采用宽频带进行记录，但在记录各种有效波的同时，也记录了各种干扰波。一维滤波技术就是利用频谱特征的不同来压制干扰波，以突出有效波，它包括一维频率域滤波和一维时间域滤波。

探地雷达数据中，有时有效波和干扰波的频谱成分十分接近甚至重合，这时无法用频率滤波压制干扰，需要用有效波和干扰波在空间位置上的差异进行滤波。这种滤波要同时对若干道进行计算才能得到输出，因此是一种二维滤波。

二维滤波原理是建立在二维傅里叶变换基础上的。沿地面观测频率波数谱 G（ω，kx）是频谱的时空函数。

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上式说明，g(t,x）是由无数圆频率为ω＝2πf，波数为kx的平面简谐波所组成，它们沿测线以视速度v＊传播。

如果有效波和干扰波的平面简谐波成分有差异，有效波的平面谐波成分与干扰波的平面谐波成分以不同的视速度传播，则可用二维视速度滤波将它们分开，达到压制干扰、提高信噪比的目的。

11.6.4.2　二维偏移归位处理方法

探地雷达测量的是来自地下介质交界面的反射波。偏离测点的地下介质交界面的反射点只要其法平面通过测点，都可以被记录下来。在资料处理中需要把雷达记录中的每个反射点移到其本来位置，这种处理方法被称为偏移归位处理。经过偏移处理的雷达剖面可反映地下介质的真实位置。常用的偏移归位方法有绕射偏移、波动方程偏移和克希霍夫积分偏移，有关偏移方法可参考相关地球物理信号处理书籍。

11.6.5　数据处理方法

数据处理的目的是对原始雷达记录进行初步加工处理，使实测的雷达资料更便于计算机处理。常用的处理方法有不正常道处理与多次叠加处理。

当天线与地面接触不良，或者由于发射电路工作不正常产生废记录道，在预处理时必须废除该道记录，并用相邻道的均值补全。

在地下介质对电磁波吸收较强的测区，为了增加来自地下深处的信息，加大探地雷达的探测深度，常常使用多次叠加技术。目前适用于探地雷达多次叠加处理的测量方法有两种：一种是多天线雷达测量系统，应用一个发射天线，多个接收天线同时进行测量；另一种是多次覆盖测量，使用几种不同天线距的发射—接收天线沿测线进行重复测量。多次覆盖测量在同一测点上有几组共反射点的雷达数据，经天线距校正后，进行叠加使得来自地下的反射波得到加强，而干扰波信号大大减弱，从而增加了探测深度。

11.6.6　成果表达形式

（1）探地雷达实际材料图集中显示雷达测网布置；

（2）雷达剖面成果图显示雷达测线下地层与构造形态；

（3）平面等值线图表达测线范围内某些目的层分布特征，其中包括基岩高程图、目的层等深图等；

（4）雷达推测成果图，包括推断构造分布、滑体范围成果图，岩溶平面分布图等；

（5）三维雷达成果，包括垂直切片图、水平切片图、三维体显示以及格栅显示图。

11.6.7　资料解释原则

探地雷达资料的地质解释是探地雷达测量的目的，这项工作通常是在数据处理后所得到的探地雷达图像剖面中，根据反射波组的波形与强度特征，通过同相轴的追踪，确定反射波组的地质含义，构筑地质—地球物理解释剖面并依据剖面解释获得整个测区最终成果图，为地质灾害的治理方案提供依据。

探地雷达资料反映的是地下介质的电性分布，要把地下介质的电性分布转化为地质情况，必须要把地质、钻探、探地雷达这三方面的资料结合起来，建立测区的地质—地球物理模型，并以此得到地下地质模式。

11.6.7.1　雷达剖面与地质剖面的关系

雷达剖面不是地质剖面的简单反映，两者既有内在联系，又有区别。

（1）雷达反射界面与地层界面的关系

雷达反射界面是电性界面，而地质剖面反映的是岩层界面。地层划分的依据是岩性、生物化石种类及沉积时间等。地质剖面中由于沉积间断或岩性差异而形成的面，如断层面、侵蚀不整合面、流体分界面及不同岩性的分界面，均可成为反射面，这时反射面与地质分界面是一致的，即大多数雷达反射面大体上反映地层界面的形态。然而在许多情况下，反射面与钻井或测井所得到的地质剖面的地层分界面并不一致。主要体现在以下几种情况：

首先是有些埋藏深的古老地层，在长期的构造运动和压力的作用下，相邻地层可能有相近的波阻抗，因而地质上的层面不足以构成反射面。

其次，同一岩性的地层，其中既无层面又无岩性分界面，但由于岩层中所含流体成分不同，而构成物性界面，如饱水带与饱气带界面，因而雷达反射界面有时也并非是地质界面。

再次，雷达反射面是以同相轴表达的，当多个薄层组成多个地质界面时，在雷达剖面中由于雷达子波有一定的延续度使多个薄层界面的反射波叠加成复合波形，从而产生反射波界面与地层界面的不一致。

（2）雷达反射界面的几何形态与地质构造关系

雷达反射波剖面图像一般可以定性反映地质构造形态，尤其当构造形态比较简单时，反射波同相轴的几何形态所反映的地质构造是直观的、明显的。但由于分辨率限制及其噪声，雷达剖面反映构造细节有限，使两者之间存在不少差别。

首先，雷达剖面通常是时间剖面而地质剖面是深度剖面。雷达时间剖面要经过时深转换后才能成为深度剖面。时深转换后的雷达深度剖面与地质剖面的符合程度，主要取决于速度资料的可靠程度。速度不准，会导致雷达深度剖面上的反射层与地质剖面上的真实地层不符，甚至会引起构造畸变。

其次，由于雷达波的垂向分辨率的限制，致使在薄层情形下，雷达反射层与地质层位往往不是一一对应的，有可能一个地质界面对应多个雷达相位，多个薄的地层界面对应多个雷达相位。

再次，只要观测点处在界面的法线上，就会接收到旁侧界面的反射波，使雷达剖面上所反映的地质构造在空间上发生了偏移。尤其当地质构造比较复杂时，雷达剖面上反射波同相轴的几何图形并不能直接反映复杂构造的真实形态，甚至面目全非，给雷达资料带来很多假象，使得雷达剖面解释存在多解性。

11.6.7.2　雷达时间剖面对比

时间剖面的对比就是在雷达反射波时间剖面上，根据反射波的运动学和动力学的特征来识别和追踪同一反射界面反射波的过程。它实际上包括两方面的工作，一个工作是在某条剖面上根据相邻接收点反射波的某些特点来对比同一界面反射波，一般叫波的对比；另一个工作是在相邻多条雷达剖面上追踪同一界面的反射波，称为时间剖面的对比。在时间剖面上对比反射波，严格地说应该对比反射波的初至。但是，由于反射波是在各种干扰背景下记录下来的，当子波为最小相位时，其初至很难辨认。为了便于对比，总是利用剖面上比较明显的波形相位对比。一个反射界面在雷达剖面上往往包含有几个强度不等的同相轴，选其中振幅最强、连续性最好的某个同轴相进行追踪，这叫做强相位对比，有时反射层无明显的强相位，可对比反射波的全部或多个相位，这称为多相位对比。另外还可以利用波组和波系进行对比。波组是指由三四个数目不等的同相轴组合在一起形成的，或指比较靠近的若干界面所产生的反射波组合。由两个或两个以上波组所组成的反射波系列，称为波系。利用这些组合关系进行波的对比，可以更全面考察反射层之间的关系。因为从地质观点来说，相邻地层界面的厚度间隔、几何形态是有一定联系的，沿横向变化是渐变的，反映在时间剖面上反射波在时间间隔、波形特征等方面也是有一定规律的。有时在剖面的某段长度内，因某种原因（如岩性横向变化）有的同相轴质量较差（振幅弱、连续性差），我们可以根据反射波相互之间总的趋势的极值点（波峰或波谷）依次对比同相位。所以波的对比又称为波的相位对比或称同相轴对比。

11.6.8　仪器设备

探地雷达仪器设备见表11-6。

表11-6　探地雷达一览表

参考文献

傅良魁主编.1983.电法勘探教程，北京：地质出版社

李大心.1994.探地雷达方法及其应用，北京：地质出版社

李金铭，罗延钟主编.1996.电法勘探新进展，北京：地质出版社

刘煜洲等.1994.甚低频电磁法边界元数值模拟及地形影响与改正，物探与化探，Vol.18.No.6

刘天佑.2002.应用地球物理的数据采集与处理，武汉：中国地质大学出版社

史保连.1986.甚低频电磁法，北京：地质出版社

王兴泰等.1996.工程与环境物探新方法新技术，北京：地质出版社

Annan A.P.,Cosway,S.W.,1992.Ground Penetrating Radar Survey Design,Annual Meeting of SAGEEP,Chicago

Daniels,J.J.,Guntun,D.J..and Scott,H.F.,1988.Introduction to Subsurface Radar,IEE Proceeding,135(4),278～300

J.P..VanGestl,P.L.,Stoffa,2000.Migration using multiconfiguration GPR data,Proceedings of the 8th International Conference on GPR,Australia

探地雷达的应用

探地雷达是一种高分辨率探测技术,可以对浅层地质问题进行详细填图,也可以对地下浅部埋藏的目的体进行无损检测。由于电子技术与数字处理技术的发展,使探地雷达的分辨率与探测深度大大提高,探地雷达已在工程地质勘察、灾害地质调查、地基基础施工质量检测、考古调查、管线探测、公路工程质量检测等多个领域中得到了广泛应用。下面介绍探地雷达在两个领域中的应用。

（一）探地雷达在工程地质勘察中的应用

大型工程建筑对地基质量要求很高,当地下工程地质条件横向变化较大时,常规的钻探工作由于只能获得点上的资料,无法满足基础工程施工对地质条件的要求,而探地雷达由于能对地下剖面进行连续扫描,因而在工程地质勘察中得到了广泛的应用。

1.基岩面的探地雷达探测

高层建筑对地基的附加应力影响深、范围广,对地基土的承载力要求高。当场地的地基土层软弱,而在其下不太深处又有较密实的基岩持力层时,常常采用进入基岩的桩基础,在基岩面起伏剧烈地区,详细描述基岩面的起伏对桩基础设计有重要意义。

图3-53 灰岩与覆盖地层的探地雷达图像

广州同德花园位于广州西北郊同德乡广佛高速公路旁。第四系覆盖在基岩（灰岩）上,第四系为淤泥、粉质黏土与砂,比较松软；其下为灰岩,有较高的承载力。建筑物拟采用预制桩桩基础。在楼址范围30.8 m× 30.8m内,基岩深度为18～43.5 m,高差达25.5m,为此需要详细调查基岩面的起伏。由于灰岩与上覆地层之间电性差异大,探地雷达图像中灰岩极易识别,图3-53为该场地地层的探地雷达图像,图中灰岩反射波特征明显。

图3-54是由探地雷达测量结果绘制的基岩等深图。该场地西北角为基岩深凹陷,基岩面起伏最大之处,在10m水平距离内基岩面高差可达19m。显然,用钻探很难控制基岩面的剧烈起伏,上述结果表明,应用探地雷达探测基岩起伏效果明显。

图3-54 同德花园10栋基岩等深图（单位：m）

2.岩溶地区的探地雷达探测

岩溶（又称喀斯特）是指碳酸盐岩等可溶性岩层受水的化学和物理作用所产生的沟槽裂隙和空洞,以及由于空洞顶板塌落使地表产生陷穴、洼地等现象和作用的总称。

在岩溶地区进行工程地质勘察的主要目的是查明建筑场地范围内岩溶的分布、形状和规模。下面对各类岩溶的探地雷达图像特征加以描述。

（1）节理裂隙岩溶

水对灰岩的侵蚀一般从节理裂隙开始,岩溶本身往往就是裂隙溶蚀、扩大的结果,因此节理裂隙交叉处或密集带往往就是岩溶发育带。图3-55为湖北黄石某地裂隙溶蚀带的探地雷达图像。从图中可以看出地下6m以上为覆盖层,其下为灰岩。灰岩致密无溶蚀特征时,基本上无雷达反射波存在；灰岩中存在溶蚀裂隙并充水时,由于电性差异大,形成强反射波。在探地雷达确定的裂隙岩溶处进行钻探,其结果表明该处没见明显空洞,但该处岩体裂隙发育,钻孔漏水严重。由此证实该雷达图像反映的是由地下水在裂隙发育带形成的裂隙岩溶。

图3-55 裂隙岩溶的探地雷达图像

图3-56 溶蚀沟的探地雷达图像

（2）溶蚀沟槽

灰岩长期出露地表时,其表面遭受风化后强度降低。灰岩表面地形变化剧烈的地方,会由于地表的大径流,使其表面受强烈侵蚀而形成溶沟、溶槽。图3-56为广州市某处溶蚀沟的探地雷达图像。由图可见,灰岩中反射波明显减弱,同相轴中断的区域为灰岩的溶蚀沟。由于沟壁陡直,在地表接收不到来自沟壁的反射波,而沟壁周界的灰岩会由于溶蚀作用形成强反射波,因此溶蚀沟圈定应以强反射波为周界。该处地下灰岩为石炭系灰岩,曾长期出露地表,在灰岩的斜坡面上会由于地表径流的侵蚀形成溶蚀沟。在地壳下降后,溶蚀沟逐渐为粉土充填。

（3）溶洞与开口溶洞

溶洞是可溶岩中的空洞,对建筑基础影响最大的是可溶岩面附近的溶洞。当岩面覆盖着易被冲蚀的渗透地层,且岩溶与上覆地层存在水力联系时,这种水力联系会加速岩溶发育。当岩溶顶部变薄,不能支持上覆地层负荷时,就会发生塌落,形成开口溶洞。在开口溶洞上方土体中存在被冲蚀,以致土体密度降低的现象,我们称为土体扰动。图3-57为广州市某处的开口溶洞的探地雷达图像。该处覆盖层为细颗粒粉砂,有一定的渗透性,其下为灰岩。灰岩面附近岩溶发育,可见不规则强反射波。在强反射波所围绕的区域内有一组短周期细密反射波。该反射波组特征与上覆地层反射波特征类似,这表明灰岩中空洞已被上覆地层冲蚀的土体所充填。由于开口溶洞上方土体已遭冲蚀,其反射波形态与周围土层的反射波形态不同,表明上覆地层已遭扰动。扰动土层与充填溶洞构成了开口溶洞特征。这类岩溶使上覆地层承载力明显降低,极易引起坍塌,在岩溶地区勘察时这类开口溶洞应引起注意。

图3-57 开口溶洞的探地雷达图像

（二）探地雷达在地基基础施工中的应用

1.探地雷达在桩基础施工障碍成因调查中的应用

近年来,大型建筑物采用桩基础施工的数量越来越多。由于勘探程度不够或地下介质不均匀程度加剧,造成桩基础施工遇阻。实践表明,探地雷达在判断桩基础施工遇阻的原因方面有独到作用。

（1）桩位处地层断裂性质判别

武汉火炬大厦桩基础施工过程中,在武珞路北拟建的33层高层建筑东北角51＃挖孔桩遇到破碎地层。为评价桩位下地层破碎的成因及其对桩位的影响,围绕桩位进行了探地雷达测量。场区基坑已开挖,第四系填土已被挖除,地层系志留系泥岩。志留系原岩曾长期出露地表,经风化自上而下可分为全风化层、中风化层与微风化层。无破碎带存在时,反射波同相轴连续。当基岩因断裂而形成破碎带时,反射波同相轴明显错断。由于破碎带为地下水入侵提供了通道,造成风化程度加深,错动带内雷达反射波强度明显减弱。图3-58为基岩破碎带的探地雷达图像特征。为了了解桩位处断裂情况,围绕桩位布置了雷达测线。根据地质雷达图像,得到基岩破碎带的平面分布,如图3-59所示。由图可见,51＃桩位于两条断裂之间,这两条断裂应为褶皱形成时的伴生断裂,断距小（＜2m）,断裂带宽度不大（1.6m左右）,因此只要根据破碎带力学性质对桩的设计做些小改动,就可以继续进行挖孔桩施工。上述结论已为设计部门接受并为随后的挖孔桩施工所证实。

图3-58 基岩破碎带探地雷达图像

图3-59 雷达测线布置与破碎带分布平面图

（2）桩基础下异常性质判断

粤汉码头滩地改造一期工程住宅楼场址在进行沉管灌注桩施工过程中,有的桩位遇阻打不下去,有的桩位水泥超量使用。为查明桩基施工过程中问题的症结,围绕桩位用探地雷达进行了探测。在桩基础施工中主要出现的问题有两类：一是遇障碍物,桩很难打下去；二是桩非常容易打下去,但浇灌的混凝土大大超出桩的体积。探地雷达测量所发现的异常有三种类型：一是杂填土中硬物异常；二是杂填土中的不密实区；三是淤泥液化形成的空穴。本场地为紧靠长江的滩地,为防洪在地表下填充了大量杂填土。当杂填土中存在建筑垃圾等杂物时,便形成了与周围介质差异极大的强、宽反射波,这类异常没能在周围测线形成有规则的排列,故定为硬性杂物,如图3-60（a）所示。当杂填土堆积比较疏松,形成杂填土中的不密实区,这类填土可能是生活垃圾等细软物质,形成同相轴杂乱的反射波,如图3-60（b）所示。按场地地质勘测结果,粉砂层上有一层粉质黏土。当粉质黏土中淤泥质含量高且下伏的粉砂颗粒较粗时,淤泥质土受到桩基础施工扰动形成液状土,当其水分通过下伏透水性好的砂层渗漏时便会形成空穴。这种空穴形成有下列三个条件：一是下伏粉砂颗粒较粗,透水性好；二是粉土颗粒变细向淤泥质土靠近,含水率高；三是在这种土中进行桩基础施工造成扰动。当这三个条件都具备时,会在这类土中形成空穴,如图3-60（c）所示。

图3-60 三种地下异常的探地雷达图像

（a）杂填硬物的地质雷达图像；（b）不密实区的地质雷达图像；（c）淤泥液化成空穴的地质雷达图像

2.探地雷达在地下顶管问题调查中的应用

在老城区改造进行地下水管道及煤气管道铺设时,为不影响地面交通,常采用地下顶管工艺铺设管道。在地下地质情况复杂区,顶管常会遇到问题,极需查明情况采取对策。实践表明,探地雷达在查明地下顶管问题过程中效果明显。

（1）顶管引起地下塌陷原因剖析

上海曲阜路地下煤气管道的地下顶管施工过程中,文安路口东头路面发生陷落,为决定煤气管是继续采用地下顶管施工,还是采用大开挖施工,必须查明陷落范围与成因,为此应用探地雷达进行探查。图3-61为该段探地雷达图像。在地表32～54m范围,深度1.5～4m处可见到反射波特征明显不同于周围介质的区域。该处反射波强度明显加大,反射波同相轴明显不连续,呈现杂散充填物的反射波特征。该处紧挨吴淞江,地表有流入吴淞江的支流,因此在筑路时填充有杂填土。由图还可见到,在更大范围（地表2～54m）内有反射波强度变弱、周期变短的区域,具有均质淤泥反射波特征,故该处应为杂填土的沉积物范围。淤泥液化度高,在地下顶管过程中受到扰动,饱和孔隙水释放,淤泥塌陷,造成路基承载力下降,路面陷落。淤泥变形区的周界处可见到反射波同相轴的明显错断。

图3-61 上海曲阜路探地雷达图像

（2）地下顶管前方障碍物探查

根据市政建设需要,南京市下水管道需在水关桥公铁立交桥下通过。水关桥公铁立交桥采用沉箱工艺建筑,由于地下存在淤泥质软基地层,在沉箱下填有碎石加固基础。下水管过立交桥采用地下顶管工艺,为了顶管安全,要求应用探地雷达探测管线通过处有无地下障碍物存在。测量采用顶管前方超前预报的环形剖面与管线地表剖面探测相结合的方法。图3-62为1＃管超前探测环形剖面雷达图像,可见有两道雷达波形在顶管前方10m以远,尤其在11.6～14.8m范围内有孤立的人为障碍物存在。图3-63为1＃管线地表剖面的雷达图像,表明该处箱体下软基发育,淤泥底界深约4m。在箱体下软基发育段,淤泥底界面上有一不连续窄反射波。这与顶管前方探测的异常是一致的,该异常应为箱体基础施工过程中加固物没入淤泥底所形成的。工作结果表明,在管线通过处前方无人为的大直径障碍物存在,而孤立的小块障碍物由于处在淤泥中,极易被顶管推动而移开,不会造成施工障碍,上述结论已为施工所证明。

图3-62 1＃管超前预报环形剖面雷达图像

1＃顶管面前方10～14.5m有孤立的接近0.3m的块石

图3-63 1＃管线地表剖面雷达图像

本项目重点

本项目重点介绍了电磁感应法理论基础,并将频率测深,尤其可控源音频大地电磁测深法,以及瞬变电磁法作为重点方法给予介绍。

思考题

1.方法名词理解：

电磁法；电磁测深法；电磁剖面法；瞬变电磁法；可控源音频大地电磁法；探地雷达法。

2.阐述电磁法的基本原理。

3.阐述电磁测深法的基本原理和应用范围。

4.阐述电磁剖面法的基本原理和应用范围。

5.阐述瞬变电磁法的基本原理和应用范围。

6.阐述可控源音频大地电磁法的基本原理。

7.阐述探地雷达的基本原理和应用范围。

8.试对比时间域和频率域电磁法的优缺点。

9.试述对称四极装置直流电测深、大地电磁测深、频率测深和瞬变测深曲线的共同点和不同点。

10.试论用电磁法评价异常源性质的可能性和局限性。

11.在电阻率为100Ω·m的均匀介质中传播1000 Hz的平面电磁波,试计算电磁系数m及趋肤深度δ（已知εr＝36）。

12.比较f＝1000 Hz的电磁波在空气中和电阻率为10Ω·m的导电介质中的波长。

13.在我国的某一工区开展大地电磁测深工作,所使用仪器的频率范围为320～0.001Hz,已知地下的平均电阻率为100Ω·m,求大地电测深在该区工作的最大穿透深度是多少?

探地雷达的探地雷达技术参数

1）雷达系统控制器计算机（工业一体式专用电脑，强抗震性能设计）：

处理器：Intel Celeron 400MHz或更好配置

雷达界面卡：专用

内存：≥512MB

硬盘（编程和存储）：≥4G

显示器： 10.4英寸超高亮度透反射日光下可读彩色液晶显示器

电源：10.5～18 VDC@ 45W（室内可交流电直接供电，室外可由充电电池提供电源）

基于Windows XP操作系统的全屏幕菜单系统，内置雷达数据采集和处理控制软件

触摸屏界面，可外接使用键盘和鼠标

提供以下输入/输出端口：雷达界面接口，两个USB接口，电源接口

2）天线控制单元：

总体动态范围：130dB

接收器动态范围：90dB

最小时间范围：6.3ns

最大时间范围：820ns

脉冲重复时间：1μs

有效带宽：3GHz

3）可与100MHz、250 MHz、500 MHz、1000 MHz和2000 MHz屏蔽天线配合使用，以满足不同的探测深度要求。

地质雷达

3.3.7.1 方法简介

3.3.7.1.1 基本原理

地质雷达也称探地雷达，是利用高频电磁波束在界面上的反射来探测目标物，由发射天线和接收天线组成。发射天线向地下发射高频短脉冲电磁波，接收天线则接收来自地下介质交界面的反射电磁波。由于电磁波向地下传播速度主要受地下介质电性控制，在介质电性发生变化的界面，电磁波会发生反射。通过研究电磁波在介质中的传播速度、介质对电磁波的吸收及介质交界面的反射，并用时间剖面图像表示出地下各分界面的形态，从而推测地下地质体及地层结构的分布规律。

3.3.7.1.2 应用范围及适用条件

地质雷达是一种高分辨率探测技术，可以对浅层地质问题进行详细的地质填图，浅层埋藏物进行无损探测。由于电磁波能量在碳酸盐岩区衰减快，勘探深度较浅主要适用于碳酸盐岩裸露或覆盖层浅的地区，目前广泛用于地基探查、地下空洞、岩溶、破碎带、断层等地质构造探测。

要求发射的电磁波能量必须足够大，探测距离能够达到目标体，并能返回地面被系统接收；目标体阻抗差别足够大，有足够的反射或散射能量为系统所识别；目标体的几何形态必须尽可能了解清楚，正确选用天线中心频率；测区干扰不足以影响目标物的反射信息。

3.3.7.1.3 工作布置原则与观测方法

主测线应垂直地下目标体走向，辅助测线平行目标体走向，可更好地反映目标体形态，测线应尽量通过已有的井位，以利于地层的对比。

目前常用的观测方法有剖面法和宽角法两种。

剖面法：发射天线和接收天线以固定间距沿测线同步移动的一种测量方式。

宽角法：发射天线固定在地面某一点上不动，而接收天线沿测线逐点移动，记录地下各个不同界面反射波的双程走时的测量方式。

3.3.7.1.4 资料整理及成果解释

检查验收合格的原始数据，经滤波及二维偏移归位等处理，经过反射层的拾取，编绘探地雷达图像剖面，最终形成推断成果图等。

由于雷达反射界面是电性界面，与地层分界面并不一致，如相邻地层有相近的波阻抗、同一岩层中的含水带界面、多个薄层的地质界面组合等。同时雷达时间剖面转换为深度剖面的精度，分辨率的限制，旁侧界面反射波的影响等因素，给雷达资料带来很多假象，使雷达剖面解释存在多解性。因此成果解释必须结合地质、钻探资料，根据反射波组的波形与强度特征，通过同相轴的追踪，确定反射波组的地质意义，建立测区地质—地球物理模型，构筑地质—地球物理综合解释剖面。

3.3.7.2 试验情况

本次实验主要选择了表层带富水块段纳堡村地区、天然出露的岩溶水源地皮家寨工区，目的是为了查明地表至30m深度的盖层结构、完整稳定性、水文地质结构、岩溶发育特征及富水性。对裸露型隐伏的岩溶水源地大衣村和万亩果园及覆盖型隐伏的岩溶水源地三家村和大兴堡实验区拟实施钻孔位置也布置了少量地质雷达剖面。共布置剖面94条，总长3.4km，其中纳堡村实测66条剖面，长1635m。

本次试验使用SIR-20型地质雷达，天线类型SIR-100MHZ，扫描时窗250～600ns，工作方法为连续剖面测量。

3.3.7.3 主要成果

纳堡村探测结果，表层结构大致分为两层：第一层为第四系覆盖层，岩性为粘土，厚度在2～6m，时窗为0～100ns，表现为能量强、频率较高，连续性较好的波组特征；第二层为个旧组风化灰岩，厚度8～16m，时窗为50～300ns，表现为能量较弱且变化大、频率较低，连续性差的波组特征；向下则表现为无明显反射或杂乱零星反射的“平静带”波组特征，表明已进入基岩(完整灰岩)层。

图3-18为纳堡小学L20线的测量结果，雷达反射波大致分为三层，第一层时窗0～80ns，为能量强、频率较高的波组特征，深度约5m，反映了第四系覆盖层；第二层时窗80～300ns，为能量弱、变化大、频率较低的波组特征，深度约5～16m，反映了风化灰岩层；第三层时窗300ns以上，为无明显反射或杂乱零星的波组特征，推断已进入完整的灰岩层。在剖面10～15m处，时窗范围160～200ns，深度约9～12m范围内，地质雷达记录出现明显的强反射波异常，推断解释为岩溶裂隙含水层。经施工的浅钻验证，覆盖层厚5.15m，5.15～15m岩溶发育，以溶隙、溶洞、溶孔为主，为主要含水层段，涌水量36m3/d，15m以下岩溶不发育，富水性弱，与推断结果吻合。

图3-18 泸西小江流域纳堡村纳堡小学L20线地质雷达曲线

纳堡村宾珍红商店地质雷达测量未发现异常，反射波为明显的两层，顶部覆盖层为高能量波特征，时窗0～100ns，厚度约6m，下部为基岩的平静弱反射波特征，经ZK2浅钻验证，基岩埋深6.7m，孔深30.3m未见水，探测结果与验证结果一致。

纳堡村实验点共圈出8处地质雷达异常，经钻孔验证4处，除1处水量小外，3处表层岩溶水较丰富。

图3-19为皮家寨大泉旁实测地质雷达剖面，大致可分为两层，第一层时窗0～60ns，波组连续稳定，反映出第四系覆盖层厚度为1～3m；时窗60～300ns，地质雷达曲线显示为杂乱反射、振幅变强、频率变低的异常现象，推断该区地下3～16m之间的个旧组灰岩中岩溶裂隙较为发育，局部存在较大充填或未充填的溶洞，如L73线7m、28m、55m处推断为岩溶含水区，与高密度电法38线100～110点的低阻异常对应。经钻孔验证，溶洞，溶孔发育，与推断结果吻合。

图3-19 泸西小江流域皮家寨L73线地质雷达曲线

3.3.7.4 结论

地质雷达反射波组特征：岩溶裂隙含水层为明显的强反射波异常；第四系覆盖层为能量强、频率较高，连续性较好的反射波；风化灰岩层为能量较弱且变化大、频率较低，连续性差的反射波；完整灰岩层为无明显反射或杂乱零星反射的“平静带”特征。

地质雷达在探测深度0～30m范围内，分辨率较高，对表层岩溶裂隙发育带探测效果较好，划分的覆盖层厚度较接近，误差均小于1m。推断的岩溶发育异常带，准确度很高，是表层岩溶找水的有效方法之一。

2022年地质灾害防治单位资质申报条件

地质灾害防治单位资质分为 甲、乙 两个等级。地质灾害防治单位资质的类别包括 地质灾害评估、勘查、设计资质、地质灾害治理工程施工资质、地质灾害治理工程监理资质。

自然资源部负责地质灾害防治单位甲级资质的审批和监督管理。省级人民政府自然资源主管部门负责地质灾害防治单位乙级资质的审批和监督管理。

同一地质灾害治理工程的监理单位与施工单位不得有隶属关系或者其他利害关系。

【资质条件】 申请地质灾害防治单位资质应当符合下列条件：

（一）具有法人资格，其中申请地质灾害治理工程施工资质的单位应当具有企业法人资格；

（二）具有资源与环境类、土木水利类相关专业技术人员，其中单位技术负责人应当具有高级技术职称；专业

技术人员中退休人员数量不超过本办法规定的专业技术人员最低数量要求的10%；

（三）申请地质灾害评估勘查设计资质，应当具备全站仪、水准仪、探地雷达等设备；申请地质灾害治理工程

施工资质，应当具备全站仪、水准仪、锚杆锚索钻机、凿岩机等设备。

（四）具有健全的安全管理体系和质量管理体系。

【人员和业绩条件】 申请地质灾害防治单位资质，除本办法第七条规定的条件外，还应当具备以下人员

和业绩条件：

（一）甲级资质

1.人员条件： 申请地质灾害评估勘查设计资质、地质灾害治理工程施工资质的单位，专业技术人员总数不少于 50人，其中高级、中级技术职称人员总数不少于 25 人，高级技术职称人员不少于10 人；申请地质灾害治理工程监理资质的单位，专业技术人员总数不少于 30 人，其中高级、中级技术职称人员总数不少于 20 人，高级技术职称人员不少于 10 人。

2.业绩条件： 申请地质灾害评估勘查设计资质的单位，申请之日前 5 年内应当独立承担并完成地质灾害危险性评估、地质灾害治理工程勘查项目、地质灾害治理工程设计项目总数不少于5 项，完成项目总经费不少于60 万元；申请地质灾害治理工程施工资质的单位，申请之日前 5年内应当独立承担并完成地质灾害治理工程施工项目不少于 5 项，完成项目总经费不少于1000 万元；申请地质灾害治理工程监理资质的单位，申请之日前 5年内应当独立承担并完成地质灾害治理工程监理项目不少于 5 项，完成项目总经费不少于30 万元。

（二）乙级资质

人员条件： 申请地质灾害评估勘查设计资质、地质灾害治理工程监理资质的单位，专业技术人员总数不少于 10人，其中高级技术职称人员不少于3 人；申请地质灾害治理工程施工资质的单位，专业技术人员总数不少于20 人，其中高级技术职称人员不少于 5 人。

【申请材料】 申请地质灾害防治单位资质的单位，应当向审批机关提出申请，并提交以下材料：

（一）地质灾害防治单位资质申请书；

（二）营业执照或者事业单位法人证书；

（三）专业技术人员名单、身份证、职称证书、学历证书、申报前连续3个月由本单位缴纳社会保险记录文件，技术负责人的任命或者聘任文件；

（四）本单位设备的所有权材料或者租赁合同；

（五）职业健康安全管理体系认证证书或者安全管理制度文件；

（六）质量管理体系认证证书或者质量管理制度文件；

（七）申请地质灾害评估勘查设计甲级资质的单位，还应当提供申报业绩的项目合同、验收报告或者专家评审意见；申请地质灾害治理工程施工甲级资质、地质灾害治理工程监理甲级资质的单位，还应当提供申报业绩的项目合同、验收报告。申报业绩的信息应当与全国地质勘查行业监管服务平台公示的有关业绩信息相一致。