地質(zhì)雷達(dá)在城市道路地下空洞勘察中的應(yīng)用

【摘要】隨著現(xiàn)代城市建設(shè)的不斷發(fā)展，交通安全管理已經(jīng)成為維護(hù)人民權(quán)益、加快社會(huì)主義建設(shè)步伐的重要手段?，F(xiàn)代城市建設(shè)對(duì)地質(zhì)影響很大。對(duì)于道路安全帶來(lái)說(shuō)，在城市道路上形成地下孔洞更為重要，有潛在的危險(xiǎn)，如果不及時(shí)處理，地下隧道只會(huì)不斷增長(zhǎng)，最終坍塌，危及行人安全。地質(zhì)雷達(dá)在地下空洞探測(cè)中的應(yīng)用為道路安全管理提供了有效的幫助，其技術(shù)性和便捷性也使得地質(zhì)調(diào)查非常方便，提高了道路管理的效率。

【關(guān)鍵詞】地質(zhì)雷達(dá);城市道路;地下空洞;勘察

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展，國(guó)家在舊城區(qū)改造和新城區(qū)建設(shè)上投入了大量的人力、物力和財(cái)力[1]。在這個(gè)過(guò)程中，由于施工區(qū)域的測(cè)量數(shù)據(jù)不足，經(jīng)常會(huì)發(fā)生安全事故。原因是城市地下工程地質(zhì)條件大多不清楚，導(dǎo)致施工技術(shù)參數(shù)不準(zhǔn)確，相互影響。因此，在城市工程建設(shè)之初，首先要調(diào)查研究各種地質(zhì)條件，評(píng)價(jià)異常地質(zhì)條件，采取適當(dāng)?shù)氖┕ぜ夹g(shù)措施，降低各種安全風(fēng)險(xiǎn)。

1、城市道路地下空洞的原因與物性特點(diǎn)

1.1產(chǎn)生原因分析

城市道路建設(shè)的不斷發(fā)展下依舊存在不可避免的缺點(diǎn)，地下空洞的形成時(shí)多方面因素所造成的，分析其原因可知是因城市道路被一些大型機(jī)械和車輛的作用導(dǎo)致路面長(zhǎng)期受到振動(dòng)而出現(xiàn)空洞情況;地質(zhì)運(yùn)動(dòng)的作用和地下水位的不斷下降，導(dǎo)致地下裂縫不斷擴(kuò)大和孔隙壓力不斷減小，最終導(dǎo)致深部裂縫或裂隙擴(kuò)展;同時(shí)，我國(guó)一些人防空工程時(shí)間較長(zhǎng)，在長(zhǎng)期被忽視的狀態(tài)下，造成許多坍塌和破壞，再加上地下水的侵蝕，大量的土壤紛紛流入洞穴，造成了空洞，此外，在管道施工中，特別是非開挖管道施工中，施工縫隙很難完全封閉，使得城市道路出現(xiàn)地下空洞。

1.2物性特點(diǎn)分析

根據(jù)地下空洞形成的原因，該空洞可分為以下三種類型：空洞，含水空洞以及疏松土壤層。這三個(gè)空洞的類型不同，但具有相同的特征：尺寸、方向和延伸狀態(tài)不清晰且不規(guī)則。在正常情況下，地下空洞與周圍介質(zhì)之間的物理特性存在顯著差異，其比電阻值通常高于周圍介質(zhì)，且其介電常數(shù)不高，電磁波的傳播速度快，震波的強(qiáng)度緩慢衰減。在有水的空洞情況下，它表現(xiàn)出低電阻，高介電常數(shù)特點(diǎn)，呈現(xiàn)震波強(qiáng)度的快速衰減和電磁波傳播速度降低的特征;此外當(dāng)空洞坍塌時(shí)，洞中會(huì)形成松散現(xiàn)象，與周圍的某些介質(zhì)相比，堆積物的導(dǎo)電性、地震波傳播速度、介電常數(shù)方面也存在一定差異。

2、地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)的應(yīng)用原理

城市道路地下空洞勘察工作中應(yīng)用地質(zhì)雷達(dá)方式主要在于地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)的優(yōu)越性，通過(guò)基礎(chǔ)原理與物理原理兩方面分析，由淺至深的解釋地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，闡述地質(zhì)雷達(dá)在城市道路中優(yōu)勢(shì)，既展現(xiàn)了地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)的科學(xué)性，又說(shuō)明了城市道路地下空洞勘察工作中應(yīng)用地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)的必要性。

2.1基礎(chǔ)原理分析

地質(zhì)雷達(dá)屬于工程物探中的一種新型技術(shù)，通過(guò)地質(zhì)雷達(dá)中的電磁波作用，在電磁波傳播過(guò)程中可對(duì)介質(zhì)持續(xù)性發(fā)射高頻電磁波，如介質(zhì)為非均勻體，會(huì)出現(xiàn)部分電磁波反射的情況，而反射程度與反洗系數(shù)相關(guān)，當(dāng)?shù)刭|(zhì)雷達(dá)主機(jī)接收到電磁波的反射信號(hào)后，利用系統(tǒng)對(duì)信號(hào)的處理顯示出可供參考的圖像，進(jìn)而便于對(duì)介質(zhì)狀態(tài)進(jìn)行判斷，識(shí)別城市道路中可能存在的空洞情況，以此為后續(xù)設(shè)計(jì)與工程施工提供科學(xué)參考依據(jù)。

2.2物理原理分析

應(yīng)用物理學(xué)知識(shí)對(duì)地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)進(jìn)行分析能夠發(fā)現(xiàn)，當(dāng)介質(zhì)為均勻狀態(tài)時(shí)，電磁波表現(xiàn)形式為恒定速度V傳播，因速度是恒定的，因此能夠通過(guò)公示對(duì)地質(zhì)雷達(dá)中地面反射波與反射波對(duì)應(yīng)時(shí)間差△T進(jìn)行計(jì)算，當(dāng)時(shí)間差計(jì)算出后則可對(duì)異常位置深度H進(jìn)行確定，具體公式為：H（目標(biāo)層厚度）=V（電磁波探測(cè)介質(zhì)中的傳播速度）·△T（反射波對(duì)應(yīng)時(shí)間差）/2，其中傳播速度V計(jì)算公式為V=C/ ，C代表大氣中電磁波的傳播速度，約為3×108m/s; 代表相對(duì)介電常數(shù)，電常數(shù)通常由地下各層構(gòu)成物質(zhì)對(duì)應(yīng)介電常數(shù)確定[2]。同時(shí)，雷達(dá)波反射信號(hào)對(duì)應(yīng)振幅與反射系數(shù)之間的關(guān)系為正比，在地面勘察中，介質(zhì)作為低損耗介質(zhì)，反射系數(shù)r則與界面上下介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)具有直接關(guān)系，電性反應(yīng)出的差異越大，則表示反射信號(hào)越強(qiáng)。由此可知，地下介質(zhì)電性與中心頻率直接決定雷達(dá)波穿透的深度，即導(dǎo)電率越高穿透深度越弱，導(dǎo)電率越低穿透深度越強(qiáng)，表明中心頻率越低其穿透深度越強(qiáng)。地質(zhì)雷達(dá)所反映出的數(shù)據(jù)是城市道路空洞勘測(cè)的前提，也是分析勘測(cè)結(jié)果的基礎(chǔ)。

3、地質(zhì)雷達(dá)勘察的條件與影響因素

3.1勘察條件

地質(zhì)雷達(dá)勘察條件主要為四方面：①地下空洞與周圍介質(zhì)之間存在明顯的差異，可能形成反射。②地下空洞需要一定規(guī)模，深度和規(guī)模較大。另外，電磁波必須能夠穿透目標(biāo)的身體。③發(fā)射的電磁波必須具有足夠的能量，以確保它們到達(dá)掩埋目標(biāo)的深度并返回地面，以被接收天線接收。④在識(shí)別地下空洞中的異常時(shí)，它們必須不受地面干擾和地下介質(zhì)產(chǎn)生的信號(hào)的影響。

3.2影響因素

地質(zhì)雷達(dá)影響因素包括四方面，主要為：①地下管網(wǎng)。由于城市地下管線網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性和交叉性，因此有許多輔助設(shè)施，例如化糞池，管溝和人孔。這些設(shè)施的存在對(duì)地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)的實(shí)施具有重大影響。②地下介質(zhì)。地下介質(zhì)環(huán)境不統(tǒng)一，非常復(fù)雜。例如，建筑廢料，大塊石頭和薄弱的建筑基礎(chǔ)會(huì)對(duì)地雷雷達(dá)技術(shù)的實(shí)施產(chǎn)生一些影響。③表面干擾。檢測(cè)區(qū)域中的某些車輛，摩天大樓，電車電纜和電車電纜會(huì)嚴(yán)重干擾工作，從而使地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)無(wú)法發(fā)揮重要作用。④架空廣告牌和管線。該市有許多架空管線，例如通信線，電力線和供熱管道，這會(huì)影響地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用。

4、地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)的應(yīng)用途徑

地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)作為新型技術(shù)其應(yīng)用過(guò)程需要結(jié)合城市道路的具體情況開展勘察，而應(yīng)用途徑主要從資料的搜集與現(xiàn)場(chǎng)的勘探、工作的布置與異常的確認(rèn)、方法的選擇與技術(shù)的應(yīng)用、儀器與設(shè)備的選擇以及資料的整理與分析共計(jì)五個(gè)方面，層層遞進(jìn)的對(duì)地址雷達(dá)技術(shù)的應(yīng)用方式進(jìn)行闡述，充分考慮城市道路勘察過(guò)程中可能遇到的各種問(wèn)題，最大程度的對(duì)未知的內(nèi)容進(jìn)行分析，以便做好應(yīng)對(duì)方案，通過(guò)科學(xué)的技術(shù)分析，為城市道路地下空洞勘察工作打下夯實(shí)基礎(chǔ)。

4.1資料的搜集與現(xiàn)場(chǎng)的勘探

在進(jìn)行勘察之前，勘察工作人員需要充分了解城市道路路面的地質(zhì)特征和土壤類型，并根據(jù)城市道路周圍的環(huán)境大致掌握該地點(diǎn)的地質(zhì)狀況。此外，勘察工作人員需要充分了解城市道路周圍的交通狀況與施工環(huán)境，進(jìn)行地質(zhì)勘測(cè)時(shí)盡可能減少對(duì)周圍環(huán)境的影響，并確保交通順暢和勘察數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性。

4.2工作的布置與異常的確認(rèn)

勘察工作人員了解了基本信息之后，需要對(duì)勘察工作中可能遇到的意外情況，采取安全措施，并減少周圍車輛和施工對(duì)工作過(guò)程中調(diào)查結(jié)果的影響?？辈旃ぷ魅藛T可以在即將測(cè)量的道路上安裝防護(hù)柵欄，以防止車輛通過(guò)要測(cè)量的城市道路。然后，選擇合理的勘察時(shí)間時(shí)，勘察人員應(yīng)盡可能選擇較少車輛時(shí)間段與天氣適宜的環(huán)境中進(jìn)行測(cè)量，保證勘察數(shù)據(jù)受外界因素的影響。

4.3方法的選擇與技術(shù)的應(yīng)用

其一為使用觀察方法收集數(shù)據(jù)。探底雷達(dá)在天線的發(fā)射和接收過(guò)程中主要采用剖面法，并根據(jù)時(shí)間沿觀測(cè)剖面線移動(dòng)，如果波形記錄是在特定的測(cè)量點(diǎn)獲取的，則需要將天線移至下一個(gè)測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行觀察，以此類推，最終形成了由多個(gè)波形記錄組成的雷達(dá)圖像。其二為方法測(cè)試技術(shù)。城市地下空洞的物理勘探工作的發(fā)展需要方法測(cè)試作為基礎(chǔ)。主要過(guò)程如下：在現(xiàn)有的人防工程或方溝中放置一個(gè)測(cè)試區(qū)，執(zhí)行地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)測(cè)試，選擇更科學(xué)合理的工作方法和參數(shù)，并捕獲運(yùn)行中的雷達(dá)異常的圖像特征，確定該方法對(duì)城市道路勘察的有效性[3]。其三為選擇工作參數(shù)。選擇合適的工作參數(shù)的能力直接影響檢測(cè)的最終結(jié)果，工作參數(shù)的主要內(nèi)容是地質(zhì)雷達(dá)的點(diǎn)距，運(yùn)行頻率，疊加數(shù)，采樣時(shí)窗，天線間距，介質(zhì)的電磁速度等。選擇相應(yīng)參數(shù)時(shí)，必須使用方法測(cè)試進(jìn)行確定。其四為探測(cè)剖面。地質(zhì)雷達(dá)將方法試驗(yàn)作為勘察的基礎(chǔ)，根據(jù)選擇的參數(shù)和觀測(cè)方法對(duì)剖面施以探測(cè)，主要布局原則如下：盡可能避免出現(xiàn)干擾區(qū)域，盡可能的保證雷達(dá)剖面走向與被測(cè)物體方互相垂直。

4.4儀器與設(shè)備的選擇

在進(jìn)行儀器與設(shè)備選擇時(shí)，應(yīng)結(jié)合勘察收集的地質(zhì)信息和勘測(cè)方法確定勘測(cè)儀器與設(shè)備。通常，城市道路上的凹陷越寬，其地下空洞的空隙越大，針對(duì)此種地面情況選擇測(cè)量設(shè)備時(shí)，應(yīng)選擇測(cè)量深度更深的雷達(dá)。另外，勘察進(jìn)行前應(yīng)準(zhǔn)備調(diào)查所需的工具，例如數(shù)碼相機(jī)、皮尺等，在確定儀器和設(shè)備完整性與數(shù)量之后，勘察工作人員需要根據(jù)城市道路測(cè)量區(qū)域的特征設(shè)計(jì)雷達(dá)勘察路線。

4.5資料的整理與分析

地質(zhì)勘察完成后，技術(shù)人員將比較同一路段不同位置的勘察信息，并參照勘察前電磁脈沖基數(shù)，以查看路段中可能出現(xiàn)的空隙和疏松的地質(zhì)土壤，對(duì)數(shù)據(jù)圖層予以分析，進(jìn)而采取對(duì)應(yīng)措施。根據(jù)勘察與測(cè)量地質(zhì)環(huán)境情況確定地下空洞或松散底層形成原因，進(jìn)而對(duì)空洞類型予以判斷，針對(duì)不同類型的地下空洞采取不同的補(bǔ)救措施。另外，要對(duì)路段中的地質(zhì)信息進(jìn)行完整分析，進(jìn)而對(duì)地下空洞擴(kuò)大的走向進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)，研究城市道路所能支撐的時(shí)限，以此確定最晚的施工時(shí)間，避免出現(xiàn)城市道路安全事故。

結(jié)語(yǔ)：

地下空洞已成為現(xiàn)代城市建設(shè)的潛在安全隱患之一，有效改善地下空洞勘察情況，應(yīng)用先進(jìn)技術(shù)，提高勘察工作內(nèi)容，是實(shí)現(xiàn)交通安全，減少道路危害的重要措施。 地質(zhì)雷達(dá)的勘察時(shí)間短而有效、優(yōu)良而便捷的優(yōu)越功能是現(xiàn)代地質(zhì)勘查中最有效的勘察技術(shù)。地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)的應(yīng)用使城市道路地下空洞的勘察更加方便快捷，此外，“實(shí)踐是檢驗(yàn)真相的唯一標(biāo)準(zhǔn)”，在城市道路勘察中有必要加強(qiáng)對(duì)不同頻率天線和不同異常物體的檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，比較不同頻率天線的優(yōu)缺點(diǎn)和不同異常物體的反射波特性，經(jīng)過(guò)知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)的積累，推動(dòng)城市道路地下空洞勘察工作的優(yōu)化與發(fā)展。

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作者簡(jiǎn)介：

李曉元，男，1982年2月出生，民族：漢，碩士研究生，籍貫：江西省贛州市，高級(jí)工程師，研究方向：巖土勘察。