地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)在市政工程勘察中的應(yīng)用研究

王延輝　李仁?！√K鵬

摘要：由于市政工程的特點，常規(guī)的勘察手段有時會有局限性。地質(zhì)雷達(dá)具有高效、無損、可靠、工作條件寬松等特點，在工程領(lǐng)域中的應(yīng)用日趨廣泛。某市政工程地下通道進(jìn)行巖土勘察，首先需要查明勘探孔位置處的地下管線分布情況，進(jìn)而查明工程地質(zhì)條件。常規(guī)的鉆探手段，現(xiàn)場暫不允許采取施工圍擋等措施。為了滿足工程的工期、質(zhì)量要求，通過采用地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)，良好地解決了地下管線分布情況以及補充完善勘探孔之間的地質(zhì)剖面，保證了工程的順利進(jìn)行。實踐證明了地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)在市政工程中具有良好的應(yīng)用效果和應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：市政；地質(zhì)雷達(dá)；地下通道

引言

隨著一帶一路建設(shè)的不斷推進(jìn)，西安成為重要的節(jié)點城市，使得近些年西安市政建設(shè)工程越來越多。如今，城市管道在城市中的密集鋪設(shè)，其所構(gòu)造出的“地下世界”如同人體血脈一樣分布在城市中，向城市輸入水、電、天然氣、網(wǎng)絡(luò)等，還有當(dāng)今地鐵快速發(fā)展的時代，如果沒有很好規(guī)劃地下管道布局，其后果十分嚴(yán)重。市政工程具有現(xiàn)場工作空間限制多、工作時間有限等特點，常規(guī)的勘察手段有時候具有局限性，不能保證工程質(zhì)量、工期要求。除了常規(guī)的勘探手段，地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)在市政工程勘察具有經(jīng)濟(jì)、快速、高效和對環(huán)境無破壞等優(yōu)點，在市政勘察中具有重要的應(yīng)用價值：（1）地質(zhì)雷達(dá)探測方式是無損的，對道路不會產(chǎn)生破壞；（2）相對其他方法，它的探測速度更快。

1.地質(zhì)雷達(dá)工作原理與方法

地質(zhì)雷達(dá)探測技術(shù)是基于地下介質(zhì)的電導(dǎo)率、介電常數(shù)等電性參數(shù)的差異，利用高頻電磁脈沖波的反射探測地下介質(zhì)分布的一種物探手段。高頻電磁波在介質(zhì)中傳播時，其路徑、電磁場強度和波形將隨所通過介質(zhì)的電性特征及幾何形態(tài)而變化，故通過對時域波形的采集、處理和分析，可確定地下界面或目標(biāo)體的空間位置及結(jié)構(gòu)。地質(zhì)雷達(dá)在探測過程中，它通過發(fā)射天線將高頻電磁波（10⁶～10⁹Hz）以寬頻帶脈沖形式定向送入地下，電磁波在地下介質(zhì)中傳播的過程中，當(dāng)遇到存在電性差異的地層或目標(biāo)體時，便發(fā)生反射并返回地面，被接收天線所接收。若界面兩側(cè)介質(zhì)的性質(zhì)差異越大，則反射波越強，反射系數(shù)越大。電磁波從介電常數(shù)小的進(jìn)入介電常數(shù)大的介質(zhì)時，反射系數(shù)為負(fù)數(shù)，反射波振幅為反向。相反則為正數(shù)、同向。介質(zhì)的存在狀態(tài)，是否導(dǎo)電對電磁波在介質(zhì)中的傳播特性影響很大，這也是電磁自身物理性質(zhì)決定的。根據(jù)接收到波的旅行時間、幅度與波形資料可推斷介質(zhì)結(jié)構(gòu)。地質(zhì)雷達(dá)工作原理圖見圖1。

2.市政工程地質(zhì)雷達(dá)影響因素分析

城市道路表面一般為瀝青鋪成的柏油路或混凝土構(gòu)成的水泥路，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較簡單，這是地質(zhì)雷達(dá)工作的有利條件。因為道路鋪設(shè)一般可被認(rèn)為是被人工均勻壓實的，因此在雷達(dá)效果圖上會呈現(xiàn)明顯的平直連續(xù)的波形。如果埋藏有管線及管道，則表現(xiàn)為強振幅較雜亂的波形或弧形反射波。地下管線處于地下，受到很大的壓力和潮濕環(huán)境的腐蝕，所以大部分的隱患是存在空洞不密實，這在地質(zhì)雷達(dá)圖像上表現(xiàn)為強振幅較雜亂的波形或弧形反射波。

城市道路附近樓宇、燈桿、輸電線路等眾多干擾因素的影響，采集到的雷達(dá)圖像上，就會反應(yīng)較多的干擾信息，對圖像分析結(jié)果產(chǎn)生影響。其中對地質(zhì)雷達(dá)圖像產(chǎn)生干擾較大的主要是人行天橋以及高壓輸電線路。當(dāng)?shù)刭|(zhì)雷達(dá)天線的測線方向與天橋橋向垂直時，在雷達(dá)圖像中形成較大的曲線波形，其頂部反射較強。產(chǎn)生這一圖像的原因為橋梁梁板底面會對雷達(dá)波產(chǎn)生繞射，如果橋梁底面較平而且較寬，圖像上顯示的反射波頂部就平而緩，如果底面不平，是T型梁或者是小箱梁，會產(chǎn)生與梁板數(shù)量相對應(yīng)的波峰。

另一個干擾因素就是高壓輸電線路對圖像的影響，當(dāng)雷達(dá)天線的測線方向與高壓電線輸電方向垂直時，干擾圖像呈曲線形，其頂點位于輸電線下方，對于超高壓電線，影響范圍至少有50m。該類干擾圖像與地下構(gòu)造物反射極為相似，都是曲線型，進(jìn)行雷達(dá)圖像識別時要多加注意，以免造成誤判。判斷該類干擾的方法主要是：（1）該類反射波形范圍更大，影響距離較遠(yuǎn)；（2）在進(jìn)行探測時，多注意附近是否有高壓線、燈桿等干擾源，并加以記錄，在分析圖像時加以區(qū)分。

3.應(yīng)用實例

西安某地下通道工程，處于交通繁忙的道路上，車流人流量較大，地勢平坦，地層主要是黃土及黃土狀粉土，稍濕一濕。本次巖土勘察需要解決兩個問題：一要查明鉆探勘探孔下方的地下管線分布情況，以便避開地下管線。二是需要查明地層條件，需要在兩個已知勘探孔之間布置若干鉆孔，但是現(xiàn)場條件暫不允許采取施工圍擋等措施，故采用地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)補充勘探孔之間的地層剖面。

對于第一個問題，除了搜集相關(guān)單位提供的管線資料，還必須采取措施查明地下管線的確定分布情況，防止因勘探造成的管道泄漏事故。由于地下管線的埋深一般都小于3m，對分辨率要求高，因此我們采用250M高頻率地質(zhì)雷達(dá)天線進(jìn)行探測解決這個問題。

對于第二個問題，根據(jù)任務(wù)要求需要查明20m深度內(nèi)的地層條件，除了考慮勘探深度還需要兼顧分辨率，綜合考慮采用50M的地質(zhì)雷達(dá)天線。

（1）外業(yè)采集

由于現(xiàn)場有高壓線、車輛干擾，針對此干擾，后續(xù)資料處理采用濾波、偏移等方法減弱或者消除干擾波，增強信號比。

采用的儀器是瑞典MALA公司生產(chǎn)的RAMAC II型地質(zhì)雷達(dá)。經(jīng)過現(xiàn)場試驗，電磁波速經(jīng)現(xiàn)場試驗選取0.1m/ns，考慮到工作任務(wù)，最終采用采集參數(shù)為：

①250M高頻屏蔽天線，采樣頻率2500MHz，時間窗口取35ns，測量輪速度0.1m/s，128次疊加。

②中心頻率為50MHzRTA的超強耦合非屏蔽天線，采樣頻率為400MHz，時間窗口取400ns，測點點距為0.2m，128次疊加。

（2）地下管線地質(zhì)雷達(dá)探測成果

本次在3個鉆探勘探孔處進(jìn)行查明地下管線分布情況。地質(zhì)雷達(dá)解譯成果圖見圖2～圖4。圖中縱橫坐標(biāo)軸分別表示探測雙程時間、深度和水平時間。根據(jù)波形的連續(xù)性、振幅強弱、相位等特征進(jìn)行地質(zhì)雷達(dá)解譯。

K6解譯成果：兩側(cè)雷達(dá)圖形連續(xù)性好，表明地層穩(wěn)定連續(xù)，K6處沒有地下管線。在60s～310s水平范圍內(nèi)，深度0.4m～1.2m內(nèi)，可見連續(xù)性很差、振幅強的同相軸。兩者對比非常明顯，可以推斷是由于地下管線或管道影響造成的?，F(xiàn)場在地面做出紅色標(biāo)記，鉆探作業(yè)規(guī)避該地段。

K8解譯成果：雷達(dá)圖形整體連續(xù)性較好，表明地層較為穩(wěn)定連續(xù)，K8處沒有地下管線。在水平時間960s左右，埋藏深度較淺約為0.2m，可見明顯的弧形、強振幅反射。可以推斷是由于測線垂直地下管線或管道引起的弧形反射?，F(xiàn)場在地面做出紅色標(biāo)記，鉆探作業(yè)規(guī)避該地段。

K9解譯成果：雷達(dá)圖形整體連續(xù)性較好，表明地層較為穩(wěn)定連續(xù)，K9處沒有地下管線。在水平時間130s～160s范圍，深度0.6m～1.4m，可見較明顯的弧形、強振幅反射。可以推斷是由于測線垂直地下管線或管道引起的弧形反射?，F(xiàn)場在地面做出紅色標(biāo)記，鉆探作業(yè)規(guī)避該地段。

（3）地層剖面地質(zhì)雷達(dá)探測成果

為了補充完善兩個已知勘探孔之間的資料空白區(qū)域，本次工作主要做了兩條地質(zhì)雷達(dá)剖面，一條剖面垂直穿過道路主干道，一條剖面順著道路東側(cè)的人行橫道。地質(zhì)雷達(dá)解譯成果圖見圖5-圖6。圖中縱橫坐標(biāo)軸分別表示探測雙程時間、深度和水平距離。根據(jù)波形的連續(xù)性、振幅強弱、相位等特征進(jìn)行地質(zhì)雷達(dá)解譯。

圖5解譯成果：第一層雷達(dá)圖像反映為一組連續(xù)性好、強振幅的同相軸，表明是路基及填土層，層底深度約2.0m。第二層雷達(dá)圖像反映為一組連續(xù)性較好、振幅較強的同相軸，跟第一層比較起來，波形的連續(xù)性和振幅強度都有減弱，推斷為稍濕的黃土層，隨著密實度的增強，介電性質(zhì)差異減弱，在6.0m左右振幅進(jìn)一步減弱。圖中還有兩處途經(jīng)高壓線電線桿，可見明顯的強振幅、弧形反射波干擾。

圖6解譯成果：第一層雷達(dá)圖像反映為一組連續(xù)性好、強振幅的同相軸，表明是路基及填土層，層底深度約2.5m。第二層雷達(dá)圖像反映為一組連續(xù)性較好、振幅較強的同相軸，跟第一層比較起來，波形的連續(xù)性和振幅強度都有減弱，推斷為稍濕的黃土層。隨著密實度的增強，介電性質(zhì)差異減弱，在6.0m左右振幅進(jìn)一步減弱。圖中還有一處途經(jīng)下水道，可見明顯的低頻強振幅下水道干擾波反映。

結(jié)語

物探作為一種高精尖技術(shù)，具有工作成本低、工作效率高等特點，且多為無損勘查，尤其適用于傳統(tǒng)手段外業(yè)進(jìn)場難、工期要求緊急的市政工程?？茖W(xué)合理地采用物探新方法新技術(shù)可以優(yōu)化勘察設(shè)計方案，提升勘察設(shè)計水平，節(jié)約勘察設(shè)計成本，具有很大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。另外，由于市政工程的干擾源較多，如何壓制干擾波，突出有效波，需要在數(shù)據(jù)處理方面重點分析研究。在探測過程中要及時觀察雷達(dá)圖像，對出現(xiàn)的異常圖像，要及時觀察附近環(huán)境情況，對雷達(dá)圖像進(jìn)行綜合分析，排除影響因素，正確解析雷達(dá)采集到的圖像。