地質(zhì)雷達(dá)在某地面塌陷區(qū)的應(yīng)用

黃建新，李金火

（1.江西省地礦局贛西地質(zhì)調(diào)查大隊(duì)，江西 南昌 330001；2.江西省地礦局贛東北大隊(duì)，江西 上饒 334001）

某灰?guī)r采礦區(qū)附近的村莊出現(xiàn)地面塌陷，危及到百姓的房屋安全，為快速查明塌陷區(qū)附近的基底和巖溶發(fā)育情況，受當(dāng)?shù)貒临Y源局委托，我隊(duì)對該村莊地面塌陷區(qū)附近2km 內(nèi)進(jìn)行地質(zhì)雷達(dá)探測工作，為地災(zāi)塌陷區(qū)開展鉆探工程提供依據(jù)，為下一步地質(zhì)災(zāi)害治理提供可靠依據(jù)。

1 塌陷區(qū)地質(zhì)情況

區(qū)內(nèi)出露地層主要有石炭系上統(tǒng)黃龍組、船山組和第四系全新統(tǒng)沖積層。石炭系上統(tǒng)黃龍組（C2h2）：位于塌陷區(qū)西南方400m 處，厚層狀白云巖夾白云灰?guī)r，局部具大理巖化及矽卡巖化。地層總體走向北西，傾向北東，傾角5°。石炭系上統(tǒng)船山組（C2c）：隱伏于塌陷區(qū)下部，淺灰色厚層狀細(xì)（微）晶灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、礫狀灰?guī)r。地層總體走向北東，傾向北北西，傾角10°。第四系全新統(tǒng)沖積層：由亞粘土、亞砂土和砂礫石層組成，主要沿東側(cè)溪流分布。厚度不詳。區(qū)內(nèi)未見巖漿巖出露。據(jù)實(shí)地調(diào)查及1/5 萬地質(zhì)調(diào)查資料，塌陷區(qū)西側(cè)見一條北西西向斷層，小角度斜切船山組和黃龍組。

2 塌陷區(qū)特征

塌陷區(qū)位于某縣西港村小組汪某等4 戶屋前。始發(fā)時(shí)間為2016 年12 月3 日22 時(shí)30 分，至12 月4 日早上共計(jì)5 處地面產(chǎn)生塌陷，12 月5 日河流內(nèi)又新增一處塌陷坑，其余塌陷坑范圍還在逐步擴(kuò)大。

1 號塌陷坑位于村口河流，坑口呈橢圓形，長軸6m，短軸3m，長軸呈北東向，深度大于7m。12 月4 日13 點(diǎn)調(diào)查時(shí)觀察坑內(nèi)水質(zhì)較清澈，14 點(diǎn)30 分坑內(nèi)水質(zhì)變渾濁，塌陷坑還在逐步坍塌。地表可見砂卵石層，厚度未知。

2 號塌陷坑位于1 號塌陷坑西南側(cè)24m 處河流內(nèi)，坑口呈圓形，直徑約2m，深度未知，岸邊可見深度約1.5m。地表可見砂卵石層，厚度未知。

3 號塌陷坑位于2 號塌陷坑南側(cè)3m 處河流中央，坑口呈圓形，直徑約1m，可見深度約0.5m。地表可見砂卵石層，厚度未知。

4 號塌陷坑位于西港村小組屋前水泥路下，坑口呈近橢圓形，長軸9m，短軸5m，深度大于6m,坑內(nèi)水面距離地面約2.5m。此塌陷坑貫通公路兩側(cè)，致公路下方懸空，坑口邊沿多處見裂縫，裂縫寬度0.5～2cm，調(diào)查 時(shí)坑口周邊還在陸續(xù)垮塌。此塌陷坑距離房屋最近約12m。根據(jù)坑壁可見：0～2.5m 為人工填土，2.5～3m 為淤泥質(zhì)粘土層，其下為砂卵石層，未見溶洞頂和基巖。

5 號塌陷坑位于4 號塌陷坑西側(cè)10m 處公路旁，坑口呈近圓形，直徑約2m，塌陷時(shí)村民測量深度約5m，坑內(nèi)水面距離地面約3m?？涌谶呇囟嗵幰娏芽p，調(diào)查時(shí)坑口周邊還在陸續(xù)垮塌。根據(jù)坑壁可見：0m～2m 為人工填土，2m～2.5m 為淤泥質(zhì)粘土層，2.5m 下為砂卵石層，未見溶洞頂和基巖。

塌陷區(qū)西側(cè)600m 處為某水泥廠采礦區(qū)，該礦區(qū)為露采水泥用灰?guī)r，礦區(qū)已開采9 年，采取中深部爆破作業(yè)。

根據(jù)以上塌陷坑發(fā)生的規(guī)律及現(xiàn)象，推測以上塌陷坑下部溶洞已經(jīng)連接貫通，形成一條地下暗河。

該區(qū)以往局部發(fā)生過兩次塌陷坑事故，深度約1m。根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料可知，該區(qū)下部為石炭系船山組灰?guī)r，巖溶較發(fā)育，表層松散層較薄，易形成巖溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害。

3 工作方法和技術(shù)要求

采用的技術(shù)規(guī)范：①《全球定位系統(tǒng)（GPS）測量規(guī)范》（GB/T18313-2009）；②電阻率剖面法技術(shù)規(guī)程（DZ/T 0073-93）；③《公路隧道地質(zhì)雷達(dá)檢測技術(shù)規(guī)程》；④物探工程測量規(guī)程（DZ/T0153-95）中國地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目管理制度匯編；項(xiàng)目管理部門的有關(guān)規(guī)定、要求和項(xiàng)目任務(wù)書的有關(guān)技術(shù)要求。

測網(wǎng)布設(shè)：本次測網(wǎng)布設(shè)是根據(jù)實(shí)際勘查結(jié)果進(jìn)行具體布置，布設(shè)地質(zhì)雷達(dá)剖面17 條，累計(jì)長度4.55km。

地質(zhì)雷達(dá)：探地雷達(dá)檢測的工作原理是用無載波高速脈沖作為探測地下目標(biāo)的信號源，其脈沖參數(shù)因目標(biāo)探測要求而定。用寬帶天線將高速脈沖換成脈沖電磁波進(jìn)行輻射，一部分經(jīng)發(fā)射天線直接到達(dá)接收天線形成直達(dá)波，可用作地下目標(biāo)深度的參考；一部分進(jìn)入地下傳播，當(dāng)遇到地下目標(biāo)或不同媒質(zhì)界面時(shí)產(chǎn)生反射，反射的電磁波經(jīng)地表到接收天線形成反射波，反射波相對地表反射的直達(dá)波出現(xiàn)的時(shí)間是電磁波從地表到目標(biāo)再從目標(biāo)到地表傳播所需的時(shí)間。

當(dāng)電磁波在地下傳播的速度已知時(shí)，即可求出地下目標(biāo)或地下界面的深度，并且反射波帶有地下目標(biāo)和地下媒質(zhì)的性質(zhì)信息，對反射波進(jìn)行分析，可以確定地下目標(biāo)的性質(zhì)。當(dāng)發(fā)射天線和接收天線在地表的相對位置固定，而共同移動時(shí)可以得到一組反射波，將這一組反射波表現(xiàn)出來，就可得到地下目標(biāo)相對地表的位置信息，從而發(fā)現(xiàn)地下目標(biāo)。由于電磁波在不同電性，不同形態(tài)的介質(zhì)中傳播時(shí)，其路徑、強(qiáng)度、波形均隨之變化，因而可根據(jù)測得的波的傳播時(shí)間、幅度、波形來判斷介質(zhì)的結(jié)構(gòu)與深度。

地質(zhì)雷達(dá)是利用無線電波檢測地下介質(zhì)分布和對不可見目標(biāo)或地下界面進(jìn)行掃描，以確定其內(nèi)部形態(tài)和位置的電磁技術(shù)，其理論基礎(chǔ)為高頻電磁波理論，利用高頻電磁波以寬頻帶短脈沖形式由地面通過發(fā)射天線送入地下，經(jīng)地下不連續(xù)體或目標(biāo)體反射后返回地面被接收天線所接收，反射電磁波經(jīng)過一系列的處理和分析之后可以得到探測介質(zhì)的有關(guān)信息（比如厚度、脫空、不密實(shí)、鋼筋等解譯），其探測原理如圖所示。從反射波的連續(xù)性特點(diǎn)看，電磁波在正常衰減過程中因遇到較強(qiáng)的反射界面時(shí)，波幅會驟然增加，同相軸明顯，之后恢復(fù)正常變化規(guī)律。反之，若目標(biāo)體中存在有許多雜亂無章的界面時(shí)，雷達(dá)接收到的這些界面的反射回波信號波幅小、波形雜亂無章，同相軸將很不連續(xù)。

根據(jù)公式：V=C/√ε

式中 C——為電磁波在真空中的傳播速度（km/s）。

ε——為介質(zhì)的介電常數(shù)。

可以得到電磁波在介質(zhì)中的傳播速度V（km/s），再根據(jù)記錄的從發(fā)射經(jīng)巖體界面反射回到接收天線的雙程走時(shí)，可以精確求得目標(biāo)體的位置和深度。通過步進(jìn)式或連續(xù)的探測可以得到一組雷達(dá)反射波，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，可以得到探測目標(biāo)體的地質(zhì)雷達(dá)剖面圖，進(jìn)而檢測目標(biāo)體的(缺陷)位置和分布特征。

根據(jù)使用領(lǐng)域要求，本次使用SIR-4000 型探地雷達(dá)主機(jī)配置100MHz。有效深度約8m，檢查精度和深度可以滿足道路路基和房屋地基工程要求。

4 資料解釋推斷

地質(zhì)雷達(dá)檢測覆蓋西港村附近小路及鄉(xiāng)道，共16 條線，整體襯砌信號幅值較弱，波形均勻，基底較為密實(shí)，沒有明顯脫空區(qū)。

3 線、4 線、12 線局部出現(xiàn)異常。

（1）3 線如圖2 位于塌陷區(qū)圍欄，經(jīng)過塌陷區(qū)兩個(gè)塌陷坑至山坡附近，可見地質(zhì)雷達(dá)剖面4m～20m 位置反射雜亂無章，深度約0.3m，34m～40m 位置可見拋物線狀反射，并伴有多次反射發(fā)生，此兩處異常即為塌陷坑所引起的異常，在地質(zhì)雷達(dá)上很好的反映了出來。

（2）4 線如圖3 從測線起點(diǎn)開始20m，60m，110m，襯砌界面反射信號強(qiáng)，呈三角形分布三震相明顯有多次反射信號深度三米多的位置推測可能存在脫空區(qū)。

（3）12 線如圖4 從起點(diǎn)開始在70 到80m 之間與4 線發(fā)射信號相似推測可能存在脫空區(qū)。

5 結(jié)論與建議

本次地質(zhì)雷達(dá)探測了西港村小組塌陷區(qū)周邊地下情況，探查出4 線從測線起點(diǎn)開始20m，60m，110m，深度三米多的位置可能存在脫空區(qū)，12 線從起點(diǎn)開始在70 到80m 之間，深度約2.4m，出現(xiàn)形態(tài)和3 線塌陷區(qū)相似的異常，推測可能存在空洞，其他測線相對完整連續(xù)，深度十米之內(nèi)未發(fā)現(xiàn)脫空區(qū)。建議在推測異常區(qū)域布置淺鉆驗(yàn)證。

2016 年12 月底經(jīng)鉆孔驗(yàn)證，在3 線、4 線、12 線異常區(qū)發(fā)現(xiàn)多個(gè)脫空區(qū)及空洞，為地質(zhì)災(zāi)害治理工作提供了可靠的依據(jù)。