地质灾害与环境环境
JOURNAL OF GEOLOGICAL HAZARDS AND ENVIRONMENT PRESERVATION
　1999年　第10卷　第4期　Vol.4　No.12 1999



探地雷达在探测地下采空区范围中的应用
刘红军　贾永刚
摘要：由废弃的地下采空区引起的地面沉陷，已成为一种典型的地质灾害，严重影响工程建设的顺利进行。为了采取相应的治理措施，查明地下采空区的埋深及分布范围显得十分重要。通过实例，简述探地雷达在探测地下采空区范围中的应用，探测目的在于确定地下采空区的深度、查明地下采空区的范围，为公路建设选线提供可靠依据。
关键词：探地雷达；地下采空区；探测技术
中图分类号：TN959.5；TD163
文献标识码：A
文章编号：1006-4362(1999)04-0073-05
THE APPLICATION OF GROUND PENETRATING
RADAR SURVEY IN PROBING THE
UNDERGROUND MINED AREA
Liu Hongjun　Jia Yonggang
(Ocean University of Qingdao,Qingdao　266003)
Abstract：The land subsidence caused by abandoned underground mines has been a kind of typical geological disaster and influenced troublefree operation of engineering construction severely. In order to adopt homologues measure, it is important to explore the depth and distribution of underground pitting area .In this paper, the application of ground penetrating radar (GPR) in the exploration of underground pitting area is discussed by a successful example. The aim is to determine the depth and range of underground pitting area, and provide reliable information for highway line selection.
Key words：ground penetrating radar； underground pitting；probing technique
1　问题的提出
　　博山至莱芜高速公路是山东省计划建设的重点交通建设工程，前期准备工作已基本就绪。在线路复测中，发现在博山西域城地段沿路轴线及其附近地区出现不同程度的开裂和沉陷，裂缝宽最大达50 cm，且有一定的延展性，沉陷坑直径80 cm，推测是煤井采空区塌陷所致，严重地影响了道路建设工程的顺利进行。为了制定科学合理的施工方案，保证高速公路路基的安全稳定，查明路基影响范围内的采空区分布及埋深显得十分重要。
　　经山东省交通规划设计院研究，决定采用目前世界上最先进的PulseEKKO 100型数字化探地雷达查明以上问题。
2　探测条件分析及测线布置
　　本地区的地下开采规模较小，采用井采，而且地下采空区分布极不规则，无充填，只保留有煤柱。已停采，经过多年的风化，可能煤柱遭受破坏，导致整个采空区的顶板塌落，并逐渐发展到地表，引起地表开裂塌陷；鉴于地下塌落区岩体介质较松散，在应力拱的作用下，可能存在有一定规模的空隙。由于这两个原因，导致存在两种界面：一是岩体介质与空气或地下水的界面，另一则是致密岩体与松散岩体的接触界面。这两种界面都存在明显的电磁性差异，导致雷达波在传播过程中产生反射，可产生明显的反射界面。利用这一特性，即可圈定出采空区的分布范围、确定其埋深。
　　再者，由于石灰岩对雷达波的吸收相对于其他地下介质来说，具有较低的衰减系数，因而，探地雷达在灰岩地区一般具有较理想的探测深度，故用探地雷达解决灰岩地段浅部采空区的地质问题具有显著效果。
　　结合线路工程的特点及地表开裂与塌陷的分布特征，布置如下雷达测线：垂直路轴线布置，测线间距30 m，测线长度覆盖整个路面宽度范围，横跨地表开裂缝，具体测线平面布置见图1。鉴于本次探测深度较大，故采用25 MHz的天线，天线间距4 m，叠加次数64，采样间隔设为3 200 ps(ps=1015s)，时窗开至1 500 ns(ns=10-9 s)，可满足探测要求［1］。




图1　雷达测线平面布置图
Fig.1　The plane layout map of radar survey line
1.断层界线；2.地裂缝边界；3.K2+300～K2+524，路轴线；4.采空区界线；
5.K2+660，雷达测线及编号；6.等高线；7.陡坎；8.村庄
3　探测原理及解译
　　本次探测仪器采用加拿大产 PulseEKKO 100型数字化探地雷达。探地雷达是利用超高频（106～109 Hz）脉冲电磁波在地下介质中的传播来研究地下介质特征、地下结构的一种地球物理方法。
　　当高频短脉电磁波由地面天线T送入地下，经地下地层或目的体反射回地面，为另一天线R接收，脉冲波行程需时。式中，z为雷达波行程；x为天线间距。当地下介质中波速v为已知，或通过CMP法求得时，即可根据测得的精确时间t（单位：ns），求出反射体的深度。探测原理见图2。


图2　雷达探测原理图
Fig.2　Schematic diagram of GPR survey
　　雷达资料的整理主要包括两部分，一是数据处理，二是图象解释。数据处理主要是对所记录的波形进行处理，包括单点饱和校正、时间滤波、空间滤波等简单处理，以及瞬时幅值、瞬时频率、包络等复杂处理，旨在优化数据资料，突出目的体，最大限度地减少外界干扰，为进一步解译提供清晰可辨的图像。探地雷达资料的地质解释，是在数据处理后所得的探地雷达图像剖面上进行，根据反射波组的地质含义，构筑地质－地球物理解释模型，依据剖面解释获得整个测区的最终成果图，为工程建设提供依据［2］。
4　探测资料的解译结果
　　本次在地表开裂严重地段共布置了13条雷达测线，每条测线都作了地形测量，以便对所得雷达剖面进行地形校正。由于篇幅所限，这里选择两条典型测线进行分析。
　　(1) K2＋390剖面：　探测线长89 m，剖面方向由西向东，路中轴线位于测线70 m处，地形总体起伏不大。在63～39 m，54～59 m处分别发育一条断层，产状近于直立，雷达图像表现为带状强反射，在此带状区域内同相轴连续性较好，而与周围存在明显的不连续性；在测线20 m，25 m处见两条地面裂缝，裂缝张开宽度20～30 cm，呈NE方向展布；剖面线0～33 m范围内标高180 m，200 m处有采空区分布，表现为雷达图像同轴连续性较好，形成明显的强反射界面(图3)，推测为采空区顶板或塌落区顶板所在位置。


图3　K2+390 地质雷达剖面图
Fig.3　The GPR map of profile No.K2+390
　　(2) K2＋450剖面：探测线长91.5 m，剖面线方向由西向东，路中轴线位于60 m处，地形起伏较大。测线上56 m以西第四系发育，以东基岩直接出露。基岩面标高242～272 m，第四系沉积物厚0～22 m。剖面线42～47 m处发育一条断层，产状近于直立，雷达图像表现为带状强反射；测线42 m处见地表开裂，裂缝宽20～30 cm，近南北向延伸；测线0～30 m范围，标高170，185，200 m处分别有采空区分布，表现为雷达图像同轴连续性较好，反射界面清晰(图4)。推测为采空区顶板或塌落区顶板所在位置。


图4　K2+450 地质雷达剖面图
Fig.4　The GPR map of profile No.K2+450
　　综合这13条测线，即可圈定出采空区的边界位置，参见图1。由图1中可见，采空区边界线大致与路轴线平行，埋深大多在75～95 m范围内；深度100 m以下已无明显采空分布，分析其原因，很可能是由于原有采空区塌陷已基本完成的缘故。
5　结语
　　(1) 探地雷达系统用于地下洞室探测具有快捷、精确的特征，尤其是对地下采空区、地下人防工程洞室、地下溶洞等的探测更具有优越性，可为工程建设、规划提供可靠的地质资料。
　　(2) 探地雷达的探测深度，与其天线中心频率、地下介质有密切关系：频率低、介质电磁波吸收弱，则探测深度大；反之，探测深度小。据本次探测结果表明，采用25 MHz频率天线，灰岩地区的最大探测深度可达100 m。
　　(3) 据本段探测结果表明，地下采空区仅位于75～95 m深度范围内。深度100 m以下已无明显采空区，这可能是原采空区塌陷已基本完成所致。但考虑到新近塌陷地质体密实度较差，在自重作用下还有待于进一步压密沉陷，建议对路基及两侧各10 m范围内的路基土层，进行高能量的强夯处理；对路基范围内的采空区段，建议采用高压注浆进行处理，以防后期沉降变形。
第一作者简介：刘红军，男，33岁。工程地质专业，博士。讲师。主要从事环境岩土工程等研究，现任职青岛海洋大学，海洋地球科学学院环境建设系。发表论文数篇。
作者单位：刘红军　贾永刚　青岛海洋大学，青岛　266003
参考文献
［1］　Annan A P, Cosway S W. Ground penetrating radar survey design［C］. Paper prepared for the annual meeting of SAGEEP Chicago, April,1992:26～29.
［2］　李大心.探地雷达方法与应用［M］.北京：地质出版社，1994.12.
收稿日期1999-09-27
