孟云霞

（山西省煤炭地质115勘查院，山西大同037003）

1 概述

地质雷达（Georadar）也叫探地雷达（Ground ene⁃trating Radar），地质雷达主要用于无损检测以及浅层隐蔽物调查。随着理论研究、正演模拟、处理解释技术的不断提高，地质雷达的应用效果不断得到证实。主要有可连续、无损地、高效探测，仪器操作以及处理流程简单、精度高等优点[1]。在隧洞超前探测方面，通过归纳地质等效介电常数，可以更清晰地识别隧洞掌子面[2-3]；同样，在调查机场地基加固厚度的变化情况和其他人类硬化工程隐患中地质雷达的探测效果也取得很好的效果[4]；在隐蔽性管线、暗道暗渠等方面的调查应用较多，效果较好[5-6]。此外，地质雷达也可以用于在地下工程中地下水发育情况、土壤湿度测定、垃圾场调查、采空区及熔岩裂隙调查、古建筑保护及考古等的调查等。

在地基处理前，需要勘查基坑情况。长治市某建筑的地基选在以前开挖的双层地洞上部。为排除潜在危险，给地基处理提供依据，需要查清楚地洞的分布情况。选择地质雷达对洞体的展布进行调查。本文基于地质雷达对地洞展布情况调查，针对金属干扰进行滤波，取得良好效果。并对地质雷达参数选取、采集、数据处理解释等进行分析。由于地质情况复杂，干扰严重，加大了数据的处理解释的难度。

2 实验准备

2.1 地质概况

调查区属于市区边缘，位于某政府建筑旁边，民宅零散分布，地下遗留有2层人工地洞。洞体宽0.8～1.2m不等，高度1.4m左右，没有固定走向和埋深，叉洞多，总体上纵横交错。2层洞大致深度分别为3m与6m，最深处可达8m，其中3m以上的洞体基本挖除，第二层洞体从探查基准面（基坑底面）开始，深度在3m左右。调查区地下潜水位较浅，主要在2～4m左右，基坑开挖2m之后，部分区域地下水出露，基坑表有积水。这不仅给采集带来困难，还因电性不均匀造成干扰。另外，基坑内挖掘机、抽水车、钻机以及金属堆积分布较多，对天线造成严重干扰，给数据处理带来困难。本次调查目的在于查清洞体在平面上的分布情况，为地基处理提供依据。

2.2 采集参数

本次探测使用俄罗斯OKO-2地质雷达进行数据采集，配属50MHZ的蛇形屏蔽天线进行探测。本仪器扫描样点数Samples/Scan有128、256、512可供选；时窗有50、100、200、400、800、1600ns可选择。参数的选取主要依据介电常数、电导率、磁导率以及探测深度。试验对比50和150MHz的2种天线采集效果，150MHz天线分辨率高但探测深度满足不了需求，因此50MHz蛇形天线效果较好。时窗范围：800ns，采样率：512样点/扫描，叠加次数：20次，探测深度可达0～8.0m。

在仪器选取时必须要考虑的是分辨率。水平及垂直分辨率与相对电介质常数（介电常数）及磁导率有关，但主要取决于天线中心频率。垂直分辨率在相对电介质常数为0～5之间时增加剧烈，在10～50之间增加小并且趋于平稳；水平分辨率取决于第一菲涅尔半径，它随深度增加而降低，随电介质增加先快速增大，后趋平稳。电磁波在大多数情况下都可以以水平面波形式叠加。电磁波与地震波传播机制虽然存在差别，但它们对异常情况的响应一致，并且均满足snail定理，因此地质雷达资料处理方式总体与地震资料处理相似。但由于地质雷达极高频、短波场发射，因此衰减快，探深浅，处理与解释精度要求高，因此难度也大。带宽计算依据最大功率对应的中心频率衰减3dB后最大与最小频率差[7]。探测深度与频率的选取：频率提高，点介质常数磁导率加大，衰减增大，探深变小。

探测深度依据电场、磁场和电磁波三者在传播方向上总是相互垂直的特点来选择中心频率，依据探测深度与分辨要求，满足分辨的情况下尽量选择低频[8-9]。时窗选取过小则采样不全，太大则降低垂向分辨率。一般选取探测深度H为目标深度的1.5倍。根据探测深度H和介电常数ε确定采样时窗长度Range（ns）：

表1是常见地表介质的介质属性。

表1 不同介质电磁波传播速度

3 数据采集

3.1 试验

3.1.1 时窗试验

时窗即对比是2种不同频率的天线的采集效果对比。地质雷达具有高效高频高分辨率的特点，同时其衰减也十分迅速，要求调查中对勘探深度、分辨率和激发频率和时窗四者匹配。在采集之前，依据探测目标地洞大致深度进行不同时窗范围调试，在800ns时，天线对5～8m的异常体识别较清晰，洞体顶底界面能产生清晰的反射波，两壁侧面干扰波明显。为查明防空洞的平面展布情况，将测线分为东西和南北2种走向，测量定点后，在测线之间以麻绳作为引导天线拖曳发方向并确保其不偏移。

从试验资料可以看出150MHz的天线对薄层显示明显，同相轴较细，对于1.5m内的浅层目标，选取150MHz的***天线可以清晰调查出地下异常，能满足工程目的。50MHz的天线原始记录对于浅层和深层反映均较明显，但分辨率明显低于150MHz天线。选取50MHz天线，对5m探测深度以内的地质情况进行探测。150MHz和50MHz两种可选雷达进行实验对比，具体如图1、图2所示。

图1 150MHz天线原始数据

图2 50MHz天线原始记录

3.1.2 目标异常和金属堆干扰特征

地震波对不同地质构造响应不同，干地质雷达电磁波对不同洞体响应也不同。为了解各种异常特征，为处理过程中消除扰波做铺垫，在正式进行数据采集之前，选择洞体出露、存在多种干扰的地方进行试验，对洞体异常以及各种干扰的响应进行识别。工区需要了解洞体异常响应、基坑开挖壁响应以及地表堆积金属的异常响应，具体见图3。

50MHz天线能很好识别该区洞体，而且各种干扰的响应特征也十分明显。从图3可以看出，该试验线第二层洞体主要在基坑以下3～4m处。洞体的异常响应有2个特点：（1）洞顶电磁波反射曲线向上弯曲；（2）洞壁两侧有洞壁侧面波，主要呈“V”形分布于洞体两侧。原始数据上，干扰波种类较多，能量较强。主要有规则干扰（单频干扰外）波、侧面干扰波以及金属堆积物的干扰波。规则干扰的特征为平行而短小的同相轴，自上而下出现；侧面波主要来自洞体侧面以及基坑施工壁，主要呈倾斜同相轴的形式出现；金属堆积物的干扰在测线方向上表现为较强能量的同相轴，若沿测线分布的金属延伸较长，则同相轴平行分布，自上而下能量较强。试验对了解异常以及后期针对性的消除干扰波存在较大意义。

图3 干扰波及洞体异常特征

3.2 数据处理分析解释

图4 异常区原始（上）和处理剖面（下）

在采集之前，必须对测线两端进行定点测量，以保证测线两端的位置。测线中间用测绳连接，以保证雷达不偏离测线。为保证剖面长度的准确性，采用测距轮进行测量。

对于洞体异常十分突出的资料只需简单归位，洞体异常难以识别的资料则需消除各种干扰波，突出信号才能准确找到洞体位置。为此，针对本区地下水位浅、金属干扰强以及基坑侧面波干扰严重等特点，对资料进行如下处理：静校切除、振幅增益、减背景、减均值、滤波、反褶积。在处理过程中，为使处理资料更好，可以对部分流程重复操作。经过处理后洞体异常区得以突出，侧面波大部分消除，如图4所示。

采集分析结束后，对所有剖面进行处理后，将各测线异常（空洞）区解释出来，标出空洞位置和深度。在已绘制成的测线分布图上，将异常区附到测线上，生成空洞平面分布图，如图5所示。由图5可知，地下洞体具有一定展布规律，相互连续。不足之处在于测线密度不高，不能精细测出洞体展布情况。

4 结论

（1）在满足分辨率和探测深度的前提下，地质雷达在地下双洞体调查中可取得效果。在用地质雷达调查地下隐蔽物体时，先找到异常体出露位置进行试验，了解其信号响应特点；其次应该在干饶区进行试验，了解干扰特点。这在数据处理和解释中具有较大意义。

（2）地质雷达调查过程中需要注意几个问题是：洞体异常的响应特点；洞体深度和于激发频率的匹配，即激发频率应当满足分辨率和探测深度的要求；覆盖次数和采样率的匹配；对测线方向的把控以及测量起始点的准确性对于处理解释异常体的位置归位十分重要。

（3）对地下水位浅、金属干扰严重的地质雷达资料，进行静校切除—振幅增益—减背景—减均值—滤波—反褶积等处理，可以很好消除干扰信号，突出洞体反射信息。为达到良好处理结果，可以重复上述某些步骤。