２０１２年３月 铁道工程学报 Ｍａｒ ２０１２ 第３期（总１６２） Ｊ０ＵＲＮＡＬ ０Ｆ ＲＡＩＬＷＡＹ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ ＳＯＣＩＥＴＹ ＮＯ．３（Ｓｅｒ．１６２） 文章编号：１００６—２１０６（２０１２）０３—０００６—０６ 超低频地质雷达在岩溶勘探中的应用研究。 李添翼¨ （中铁第四勘察设计院集团有限公司， 武汉４３００６３） 摘要：研究目的：高频及中低频地质雷达在工程质量检测及浅部岩溶、洞穴的探测中已得到广泛应用，但在勘 察设计阶段的较深部（１５～４０ ｉｎ）路基岩溶探测中需要采用更低频率地质雷达进行探测。通过对超低频雷达 组合天线的应用研究，可采用改变组合频率实现某些特殊情况下大深度的岩溶探测，以弥补传导类电法勘探 的不足。 研究结论：超低频雷达组合频率在某些较厚覆盖层场地条件下可取代常规直流电法，由于地表坚硬或地 形起伏较大所带来的应用能力不足，从而可提高路基岩溶勘探精度及效率。针对不同场地条件下的各种雷达 空气回波干扰特征进行了分析并找到了较合理的处理方式，在实际应用中取得了较好的岩溶探测效果。 关键词：超低频地质雷达；岩溶；勘探 中图分类号：Ｐ６３１ 文献标识码：Ａ Ｓｔｕｄｙ ｏｎ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｕｌｔｒａ——ｌｏｗ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｇｒｏｕｎｄ Ｐｅｎｅｔｒａｔｉｎｇ Ｒａｄａｒ ｉｎ Ｋａｒｓｔ Ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ ＬＩ Ｔｉａｎ—ｙｉ （Ｃｈｉｎａ Ｒａｉｌｗａｙ Ｓｉｙｕａｎ Ｓｕｒｖｅｙ ａｎｄ Ｄｅｓｉｇｎ Ｇｒｏｕｐ Ｃｏ．Ｌｔｄ，Ｗｕｈａｎ，Ｈｕｂｅｉ ４３００６３，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｐｕｒｐｏｓｅｓ：Ｔｈｅ ｈｉｇｈ ａｎｄ ｍｉｄｄｌｅ—ｌｏｗ￣ｅｑｕｅｎｃｙ ｇｒｏｕｎｄ ｐｅｎｅｔｒａｔｉｎｇ ｒａｄａｒｓ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ｗｉｄｅｌｙ ｕｓｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｔｅｓｔｉｎｇ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｑｕａｌｉｔｙ ａｎｄ ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ ｓｈａｌｌｏｗ ｋａｒｓｔ ａｎｄ ｔｈｅ ｋａｒｓｔ ｃａｖｅ，ｂｕｔ ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ ｔｈｅ ｄｅｅｐｅｒ ｋａｒｓｔ ｃａｖｅ（１ ５～ ４０ ｍｅｔｅｒｓ）ｎｅｅｄｓ ｌｏｗｅｒ￣ｅｑｕｅｎｃｙ ｇｒｏｕｎｄ ｐｅｎｅｔｒａｔｉｎｇ ｒａｄａｒ ｉｎ ｔｈｅ ｓｔａｇｅ ｏｆ ｓｕｒｖｅｙ ａｎｄ ｄｅｓｉｇｎ．Ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｍｂｉｎｅｄ ａｎｔｅｎｎａ ｏｆ ｔｈｅ ｕｌｔｒａ——ｌｏｗ￣ｅｑｕｅｎｃｙ ｒａｄａｒ ｓｈｏｗｓ ｔｈｅ ｕｌｔｒａ—－ｌｏｗ￣ｅｑｕｅｎｃｙ ｒａｄａｒ ｃａｎ ｂｅ ｕｓｅｄ ｆｏｒ ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ ｔｈｅ ｄｅｅｐｅｒ ｋａｒｓｔ ｃａｖｅ ｉｎ ｓｏｍｅ ｓｐｅｃｉａｌ ｃａｓｅｓ ｂｙ ｃｈａｎｇｉｎｇ ｔｈｅ ｃｏｍｂｉｎｅｄ￣ｅｑｕｅｎｃｙ ｔｏ ｍａｋｅ ｕｐ ｔｈｅ ｄｅｆｉｃｉｅｎｃｙ ｏｆ ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｉｒｃａｌ ｐｒｏｓｐｅｃｔｉｎｇ． Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎｓ：Ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｉｒｃａｌ ｐｒｏｓｐｅｃｔｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ ｐｏｏｒ ｉｎ ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ ｉｎ ｔｈｅ ｈａｒｄ ｇｒｏｕｎｄ ｏｒ ｒｕｇｇｅｄ ｔｅｒｒａｉｎ，ＳＯ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｕｌｔｒａ——ｌｏｗ ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｇｒｏｕｎｄ ｐｅｎｅｔｒａｔｉｎｇ ｒａｄａｒ ｃｏｕｌｄ ｂｅ ｓｕｂｓｔｉｔｕｔｅｄ ｆｏｒ ｔｈｅ ｎｏｒｍａｌ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｐｒｏｓｐｅｃｔｉｎｇ ｉｎ ｔｈｉｓ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ，ａｎｄ ｉｔ ｃｏｕｌｄ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ａｎｄ ｅｆｉｆｃｉｅｎｃｙ ｉｎ ｔｈｅ ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｋａｎｔ ｒｏａｄｂｅｄ．Ｔｈｅ ｊａｍｍｉｎｇ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｒａｄａｒ ｅｃｈｏｅｓ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｓｉｔｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｉｓ ａｎａｌｙｚｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｒａｔｉｏｎａｌ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ ｏｆｕｎｄ，ａｃｈｉｅｖｉｎｇ ｔｈｅ ｇｏｏｄ ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｎ ｔｈｅ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｋａｒｓｔ ｃａｖｅ ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｕｌｔｒａ—ｌｏｗ￣ｅｑｕｅｎｃｙ ｇｒｏｕｎｄ ｐｅｎｅｔｒａｔｉｎｇ ｒａｄａｒ；ｋａｒｓｔ；ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ 众所周知，地质雷达因采用广谱电磁波技术而具 方面：一是高精度的工程质量无损检测，采用高频 有较高的探测精度，目前，常规地质雷达主要应用于两 （２×１０ ＭＨｚ＞厂＞４００ ＭＨｚ），探测深度０．０５ ｍ＜ｈ＜ 收稿日期：２０１１—１２～２０ 作者简介：李添翼，１９７１年出生，男，工程师、注册一级建造师。 第３期 李添翼：超低频地质雷达在岩溶勘探中的应用研究 ７ ３ ｍ；二是较浅部的路堑岩溶探测中，采用中低频 （４００ ＭＨｚ＞．厂≥１００ ＭＨｚ），探测深度１ ｍ＜ｈ＜２０ ｍ。 当第四系覆盖层厚度超过１０ ｍ以上时，要探测下 伏基岩中的岩溶洞穴等不良地质体，采用１００ ＭＨｚ以 上的中高频地质雷达往往是为力的。长期以来， 一直以传导类电测深法进行类似场地类型的物探工 作，但是电测深法的应用存在以下缺陷： 其一，当地表不平坦，为山区起伏地形时，电测深 法应用受地形影响较大，畸变点较多，效果不好。 其二，当覆盖层地表为坚硬的水泥路面或石渣地 面时，电测深法电极不能良好接地，在类似城市地表或 高铁路基上时，无法采用电测深法进行探测。 为了解决上述特殊场地条件下的岩溶探测问题， 超低频雷达组合天线的应用是目前比较理想的选择。 该天线用于较深部探测，发射／接收天线排列可变，天 线的发射频率可以调整，其组合天线频率从（１５～８Ｏ） ＭＨｚ几个频段通过调节发射／接收天线杆的长度来改 变从而实现变频探测。当测区、项目条件、需求发生变 化时，频率可调的性质可以给实际探测带来极大方便。 通过应用研究该套低频组合频率地质雷达天线来解决 较深部岩溶或洞穴探测中的类似特殊问题，具有实际 意义和可行性。 １基本原理 组合低频雷达天线（即通常所说的杆状天线），它 可以通过改变发射及接收电磁波金属杆的长度来改变 天线的中心频率，其中心频率的变化范围为（１５～８０） ＭＨｚ之间，因而具有较大的探测深度，但天线没有屏 蔽性，受外界的干扰也较大。主要用于探测具有较大 埋藏深度的情况，如水文地质调查，２５～４０ ｍ左右岩 溶洞穴的探测等。 低频组合天线天线杆长度不同，天线的波长不同， 对应的中心频率也不同，另外探测深度和分辨率也不 一样。各组合天线杆长、中心频率及发射脉冲长度 （子波波长）对应如表１所示。 表１超低频雷达天线物性参数对应表 天线长度／ｃｍ 中心频￣ｇ－／ＭＨｚ 脉冲波Ｋ／ｎｓ １２０ ８０ １２ ２４０ ４０ ２５ ３６０ ３５ ３０ ４８０ ２０ ５０ ６ｏｏ １５ ６０ 该组合天线为分离式天线（探测原理及组合模式 如图１、图２所示），固定发射、接收天线间隔，可进行 剖面的连续测量或点测。也可采用ＣＭＰ或者ＣＤＰ方 法用于速度测量。发射天线、接收天线沿一个水平面 向相反的方向移动，每次同时移动相同的距离。这样 就可以清楚地看到首波反射信号，天线在地面的位置 不同，接收到反射信号的时间信息也不同，采用下面公 式计算电磁波在地下传播速度信息。 Ｖｍ－志 式中 ——电磁波在传播介质中的传播速度； ——发射和接收天线间距； ｔｄ——初始旅行时间； ——收发间距为 的情况对应的传播时间。 ｔ 和ｔ 是从直达波在时间延时０点开始计时，天 线都对应中心位置。 图１雷达探测示意图 固定块 １２０ Ｉ ６０ ｌ ６０ Ｉ １２０ 图２（１５—８Ｏ）ＭＨｚ雷达天线组合示意图 ２钻孔处对比试验研究 试验场地情况：石常铁路某特大桥ＤＫ ４７＋８９０～ ９１０段钻孔处试验场地，从该处几个钻孔揭示地质情 况来看，该地段泥灰岩强风化层以上覆盖层厚约 １５ ｍ，地表为粉质黏土，硬塑，层厚３—４ ｍ。 ＤＫ ４７＋９０６．６右２．３５ Ｉｎ钻孔揭示１０．３～１３ ｍ 为泥灰岩中发育的岩溶空洞，在采用低频组合天线的 试验过程中，以该钻孔为中心，两边各布置２５ ｍ测线， 测线长度总计５０ ｍ，点距采用０．５ ｍ进行点式精测。 探测频率采用了１５ ＭＨｚ、２０ ＭＨｚ、３５ ＭＨｚ、４０ ＭＨｚ、 ８０ ＭＨｚ全部五种低频天线组合分别进行了探测，探测 雷达记录如图３一图７所示，对以上几个不同频率的 第３期 李添翼：超低频地质雷达在岩溶勘探中的应用研究 ５ 结论 （１）当覆盖层地表为坚硬的水泥路面或石渣地 面，电极不能良好接地，无法采用电测深法进行探测的 情况下，山地缓坡段无较大的台阶地形时或在类似城 市地表条件下需要探测覆盖层厚度大于５—１０ ｍ的地 下岩溶洞穴等不良地质体时，采用超低频地质雷达组 合天线进行探测，可取得较好的探测效果。 （２）针对本套超低频率非屏蔽组合天线来说，探 地雷达空气中反射介质回波是不可避免的，在野外工 作中需要充分认识，并做好相关的记录。一个重要的 原则就是根据现场地形地物条件情况，使空气中的反 射回波尽量不影响要探测的目标，测线应平行或垂直 面状或线状反射介质，这样可有效减少空气中反射波 的影响范围，同时可以在后续的处理中利用波速参数 进行识别。 （３）在地面相对潮湿的环境下可以探测到地下 ３０ ｍ左右深度的基岩界面，倘若在地表干燥或覆盖层 比较薄的区域，其探测深度还有进一步提高，同时也存 在一定缺点，由于天线长度达６ ｍ长，其外业数据采集 中对于台阶状的陡坎地形应用时天线与地面的耦合较 差，探测效果不佳，但对于缓坡地形耦合相对较好时则 具有较好的探测效果。 （４）天线方向对雷达数据采集结果的影响是不一 致的，试验结果表明，频率越低天线方向性差异越大。 在这种情况下，条件允许时最好是两个方向的数据同 时采集或多种方法（如与地震反射波法）联合工作综 合解释，条件不允许的情况下，最好是能多收集地质资 料，了解所需查明地质异常体的大致产状，这样有针对 性的布置更利于雷达接收异常体反射波方向的天线 方向。 参考文献： ［１］黄南晖．地质雷达探测的波场分析［Ｊ］．地球科学，１９９３ （３）：２９４—３０２． Ｈｕａｎｇ Ｎａｎｌｍｉ．Ｗａｖｅ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｉｎ ＧＰＲ Ｐｒｏｓｐｅｃｔｎｉｇ［Ｊ］． Ｅａｒｔｈ Ｓｃｉｅｎｃｅ．１９９３（３）：２９４—３０２． ～ 崔德海，杨庆波．宜万铁路隧底岩溶探查物探技术应用研 究［Ｊ］．铁道工程学报，２００９（２）：７６—８１． Ｃｕｉ Ｄｅｈａｉ， Ｙａｎｇ Ｑｉｎｇｂｏ． Ａｐｐｌｉｃａｂｌｅ Ｓｔｕｄｙ ｏｆ Ｇｅｏｐｈｙ￣ｃａｌ Ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｆｏｒ Ｋａｒｓｔ ｕｎｄｅｒ Ｔｕｎｎｅｌ ｏｎ Ｙｉｃｈａｎｇ—Ｗａｎｚｈｏｕ Ｒａｉｌｗａｙ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ 一一 Ｒａｉｌｗａｙ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｓｏｃｉｅｔｙ，２００９（２）：７６—８１． 崔德海．路堑基底隐伏岩溶探查的物探技术应用研究 ［Ｊ］．铁道工程学报，２０１０（Ｓ）：３２—３６． Ｃｕｉ ＤｅＨａｉ． Ａｐｐｌｉｃａｂｌｅ Ｓｔｕｄｙ ｏｆ Ｇｅｏｐｈｙｓｉｃａｌ Ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｆｏｒ Ｈｉｄｄｅｎ Ｋａｒｓｔ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ Ｃｕｔｔｉｎｇ Ｂａｓｅｍｅｎｔ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｒａｉｌｗａｙ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｓｏｃｉｅｔｙ，２０１０（ｓ）：３２—３６． 『４］ 翟波，杨峰，孙水明，等．基于二维滤波的探地雷达数据 去噪研究［Ｊ］．南京师范大学学报，２００７（９）：７９—８３． Ｚｈａｉ Ｂｏ，Ｙａｎｇ 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