地質(zhì)雷達(dá)在城市雨污分流頂管施工中的應(yīng)用

韓可林 安子玥 盛松濤 楊維婷 王新衛(wèi)

摘 ?要：分析現(xiàn)行主要地質(zhì)超前預(yù)報(bào)技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)和地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)原理。以某市雨污分流改造工程為背景，介紹RIS-K2型地質(zhì)雷達(dá)測(cè)試儀對(duì)掌子面前方地質(zhì)情況進(jìn)行探測(cè)的方法步驟。分析復(fù)雜地質(zhì)區(qū)頂管施工地質(zhì)條件與相應(yīng)雷達(dá)圖像的關(guān)聯(lián)關(guān)系，對(duì)復(fù)雜地質(zhì)區(qū)情況進(jìn)行預(yù)報(bào)，并針對(duì)具體地質(zhì)情況為頂管安全施工提出相應(yīng)解決辦法。

關(guān)鍵詞：頂管施工；超前預(yù)報(bào)；地質(zhì)雷達(dá)；雷達(dá)數(shù)據(jù)分析；雨污分流

中圖分類號(hào)：TU992.05 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2024）18-0177-04

Abstract： The advantages and disadvantages of the current main geological advanced prediction techniques and the detection principle of GPR are analyzed. Taking the rain and pollution diversion reconstruction project of a city as the background， this paper introduces the methods and steps of RIS-K2 ground penetrating radar tester to detect the geological conditions in front of the palm face. This paper analyzes the correlation between the geological conditions of pipe jacking construction in complex geological areas and the corresponding radar images， forecasts the situation of complex geological areas， and puts forward corresponding solutions for safe pipe jacking construction according to the specific geological conditions.

Keywords： pipe jacking construction; advance prediction; ground penetrating radar; radar data analysis; rain and pollution diversion

在老舊城區(qū)排水系統(tǒng)升級(jí)改造中，雨污分流便于雨水收集利用和集中管理排放，降低水量對(duì)污水處理廠的沖擊，保證污水處理廠的處理效率。由于老舊城區(qū)地下排水管道施工涉及城市的方方面面，應(yīng)針對(duì)雨水分流進(jìn)行合理的施工管理，進(jìn)而充分發(fā)揮雨污分流工程改建性能，有效改善城市水環(huán)境[1]。在城鎮(zhèn)地下排水管道修建時(shí)采用頂管施工技術(shù)，能夠穿越公路、地面建筑物、地下構(gòu)筑物以及各種地下管線等[2]。但在頂管頂進(jìn)的過(guò)程中，前方不明確的地質(zhì)情況會(huì)對(duì)安全施工造成一定的威脅，超前地質(zhì)預(yù)報(bào)可以為頂管施工參數(shù)的合理確定提供依據(jù)，從而避免出現(xiàn)頂偏、塌陷等質(zhì)量安全問(wèn)題。

1 ?地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)分析

目前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)有TSP地震波法、超前鉆探法、瑞雷波和地質(zhì)雷達(dá)法等。各種地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)對(duì)比見(jiàn)表1。

可見(jiàn)，地質(zhì)雷達(dá)法進(jìn)行地質(zhì)預(yù)報(bào)具有非破壞性、抗電磁干擾能力強(qiáng)、具有較滿意的探測(cè)深度和分辨率等優(yōu)點(diǎn)，采用便攜微機(jī)控制數(shù)字采集、記錄、存儲(chǔ)和處理[4]。因此，地質(zhì)雷達(dá)法進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)優(yōu)勢(shì)較明顯。

2 ?地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)原理

電磁波在介質(zhì)中傳播時(shí)，根據(jù)接收到波的傳播時(shí)間、幅度與波形資料可推斷介質(zhì)結(jié)構(gòu)[5]。地質(zhì)雷達(dá)法超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程為：由發(fā)射天線將高頻電磁脈沖波送入掌子面前方巖土體，當(dāng)高頻電磁脈沖波在傳播過(guò)程中遇到不同目標(biāo)體（斷層、空洞等）的電性介面時(shí)，部分反射回來(lái)的電磁波被接收器所接收、記錄，并獲取電磁波從發(fā)射到反射回來(lái)被接收所用的時(shí)間。當(dāng)電磁波在介質(zhì)中的傳播速度已知時(shí)，即可確定目標(biāo)體的位置[6]，其原理如圖1所示。

地質(zhì)雷達(dá)常采用剖面法（收發(fā)天線等距移動(dòng)）進(jìn)行測(cè)量，收發(fā)天線之間的距離與探測(cè)目標(biāo)深度相比數(shù)量較小，故假設(shè)雷達(dá)波垂直入射（收發(fā)天線間距為0），則雷達(dá)波探測(cè)目標(biāo)地質(zhì)缺陷體的埋深為

3 ?工程實(shí)例分析

3.1 ?工程概況

某市城鎮(zhèn)生活污水處理提質(zhì)增效工程內(nèi)容包括：現(xiàn)狀截流總管改遷、雨污混接改造及污水管網(wǎng)建設(shè)。新建污水管網(wǎng)約14.7 km、雨水管網(wǎng)約1.2 km，并對(duì)流域內(nèi)雨污管網(wǎng)進(jìn)行清淤及缺陷修復(fù)，工程布局如圖2所示。采用RIS-K2地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行連續(xù)掃描測(cè)量，對(duì)復(fù)雜地質(zhì)區(qū)頂管施工進(jìn)行超前預(yù)報(bào)，并提出相應(yīng)的解決方案。

3.2 ?地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)處理過(guò)程

本次對(duì)頂管施工進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)采用地質(zhì)雷達(dá)法，使用意大利IDS公司生產(chǎn)的RIS-K2高精度探地雷達(dá)。該雷達(dá)具有信號(hào)穩(wěn)定、分辨率高、軟件功能強(qiáng)大、輕質(zhì)便攜及能適應(yīng)惡劣的環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)[6]。RIS-K2雷達(dá)系統(tǒng)包括主機(jī)、天線和控制處理軟件等（圖3），具有極高的發(fā)射速率和掃描速度，頻率從25～2 500 MHz。

本工程測(cè)線布設(shè)采用平行測(cè)線法，在選定測(cè)段上，地質(zhì)雷達(dá)沿平行測(cè)線來(lái)回探測(cè)，一條測(cè)線探測(cè)4次，以減少數(shù)據(jù)采集過(guò)程中產(chǎn)生的誤差?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)線布置如圖4所示。

地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)處理是雷達(dá)數(shù)據(jù)分析的重要環(huán)節(jié)。使用GRESWIN2軟件對(duì)RIS探地雷達(dá)系統(tǒng)獲得的雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，步驟如下。

1）使用Move start time 菜單模塊去除直達(dá)波，使雷達(dá)圖的深度值與探測(cè)物體的深度值相一致。

2）使用Background removal 菜單模塊進(jìn)行背景消除，使用Clear-X濾波算子，去除水平背景噪聲和振鈴效應(yīng)所造成的干擾。

3）使用Vertical bandpass filter（TD） 菜單模塊進(jìn)行時(shí)域垂直帶通濾波。

4）使用Linear gain菜單模塊進(jìn)行線性增益。

處理后正常無(wú)地質(zhì)缺陷區(qū)域地質(zhì)雷達(dá)剖面圖如圖5所示。

處理后典型異常區(qū)域地質(zhì)雷達(dá)剖面如圖6所示。

3.3 ?地質(zhì)雷達(dá)超前預(yù)報(bào)結(jié)果分析

本工程頂管埋深為地下11 m左右，為使探測(cè)分析更精確，地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)分析軟件GRESWIN2設(shè)置顯示深度為20 m，選取3個(gè)典型測(cè)段的地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與分析。測(cè)段一經(jīng)處理后的雷達(dá)數(shù)據(jù)如圖7所示，圖中黑框內(nèi)為45°傾斜節(jié)理，左邊黑框范圍在水平10～35 m、深度7.5～15.5 m內(nèi)，右邊黑框范圍在水平40～60 m、深度8～14 m內(nèi)。白框內(nèi)為含水層，范圍在水平0～30 m、深度0～12 m內(nèi)，疏松、緊密土層相夾，疏松土層含水量豐富。

測(cè)段二經(jīng)處理后的雷達(dá)數(shù)據(jù)如圖8所示，圖中黑框?yàn)?0°傾斜節(jié)理，范圍水平20～45 m、深度5.5～14.0 m內(nèi)。其余土層均勻。

測(cè)段三經(jīng)處理后的雷達(dá)數(shù)據(jù)如圖9所示，圖中黑框內(nèi)為探溝，在水平18 m處，作用是探明施工區(qū)域內(nèi)地下管線的埋設(shè)情況。白框?yàn)楹畬?，范圍在深?.5 m以內(nèi)，含水量豐富。

4 ?結(jié)束語(yǔ)

頂管施工頂進(jìn)過(guò)程中，掌子面處難免會(huì)遇到傾斜節(jié)理、含水層、砂卵石等復(fù)雜地質(zhì)情況。對(duì)通過(guò)地質(zhì)雷達(dá)超前預(yù)報(bào)所發(fā)現(xiàn)的地質(zhì)異常部位必須采取相應(yīng)保護(hù)措施，以避免出現(xiàn)頂管抱死、頂偏等施工事故。

圍巖存在節(jié)理面會(huì)削弱其穩(wěn)定性，在頂管施工擾動(dòng)時(shí)節(jié)理面可能會(huì)產(chǎn)生較大位移，還可能導(dǎo)致圍巖產(chǎn)生偏壓現(xiàn)象。當(dāng)節(jié)理傾角為45°時(shí)，圍巖不易失穩(wěn)，地表沉降值最小[8]；本工程節(jié)理傾角為60°時(shí)容易失穩(wěn)，相應(yīng)地表沉降值最大。在節(jié)理傾角為60°處，應(yīng)采取相應(yīng)的支護(hù)方案進(jìn)行加固，施工時(shí)對(duì)該處巖體部位進(jìn)行加強(qiáng)注漿控制。

針對(duì)頂管局部地層處含水量豐富的情況，可以考慮在頂管管口設(shè)置三道橡膠止水，保證管口止水效果，降低管口涌水、涌砂、突泥風(fēng)險(xiǎn)。還應(yīng)考慮頂管內(nèi)排水設(shè)備的配備，做好強(qiáng)排設(shè)施設(shè)備投入的應(yīng)急準(zhǔn)備[9]。

本文提到的地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)對(duì)地面建筑復(fù)雜處適應(yīng)性不強(qiáng)，且采取單一的地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)容易出現(xiàn)預(yù)報(bào)不全的問(wèn)題，可以考慮采用綜合地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)相互驗(yàn)證，以保證預(yù)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

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