繆愛偉，孫世國，馮少杰，王佳，劉文波

(北方工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，北京 100144)

地質(zhì)雷達(dá)在頂管施工前隱患排查中的應(yīng)用

繆愛偉?，孫世國，馮少杰，王佳，劉文波

(北方工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，北京 100144)

介紹了地質(zhì)雷達(dá)的工作原理、探測(cè)方法、結(jié)果處理方法以及如何識(shí)別異常雷達(dá)圖像，并將地質(zhì)雷達(dá)應(yīng)用到城市熱力管施工前地質(zhì)隱患排查中，結(jié)合工程資料，對(duì)探測(cè)結(jié)果進(jìn)行了分析，得出探測(cè)結(jié)果表明地表地下2.6m～4.0 m深度范圍內(nèi)存在松散土層，地下存在管線，管道埋深約為2.8m，沒有明顯地下空洞等不良地質(zhì)體，為下一步頂管施工的安全提供了有力的技術(shù)支撐，同時(shí)為類似工程的頂管施工前隱患排查提供了借鑒。

地質(zhì)雷達(dá)；頂管施工；隱患排查

1 引 言

頂管施工[1]是近年來迅速發(fā)展起來的一種地下管道施工方法，該方法具有施工方便，對(duì)城區(qū)環(huán)境無污染，施工效率高等優(yōu)點(diǎn)，因此該方法在一些管道施工中得到了較為普遍的應(yīng)用。但是頂管施工地點(diǎn)往往是在城市地下，一方面地下可能存在錯(cuò)綜復(fù)雜的管線，會(huì)對(duì)頂管施工造成一定的障礙，另一方面受地質(zhì)條件、道路老化、地面荷載復(fù)雜以及地下管線滲漏等因素影響，可能使道路路基產(chǎn)生疏松、脫空、空洞等現(xiàn)象，而對(duì)于內(nèi)部存在疏松，空洞等病害的土體，在施工擾動(dòng)作用下，病害區(qū)域可能會(huì)進(jìn)一步發(fā)展，從而可能引起施工安全隱患。因此，如何有效地排查不良隱患，保障頂管施工的安全具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

地質(zhì)雷達(dá)作為一種新型無損檢測(cè)設(shè)備，近年來已經(jīng)在公路隧道質(zhì)量檢測(cè)、堤壩安全檢測(cè)、地下管線檢測(cè)、地下空洞探測(cè)、煤礦井探測(cè)等領(lǐng)域得到了較為廣泛的應(yīng)用[2]。相對(duì)于傳統(tǒng)的物探方法(電法勘探等)，地質(zhì)雷達(dá)受客觀因素干擾要小得多，而且應(yīng)用范圍更廣，精度更高。因此，將地質(zhì)雷達(dá)應(yīng)用到頂管施工前的隱患排查中，是解決此類疑難問題的有效手段。

2 地質(zhì)雷達(dá)工作原理[2～3]

地質(zhì)雷達(dá)(Groud Penentrating Radar，簡(jiǎn)稱GPR)，是一種將高頻率(1MHz～1GHz)電磁波以脈沖的形式發(fā)送到地下的新型探測(cè)方法。地質(zhì)雷達(dá)結(jié)構(gòu)(如圖1所示)主要是由雷達(dá)控制系統(tǒng)、發(fā)射裝置、接收裝置以及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成。發(fā)射裝置包括發(fā)射控制器和發(fā)射天線，接收裝置包括接收裝置和接收天線。

圖1 地質(zhì)雷達(dá)結(jié)構(gòu)

工作時(shí)，地質(zhì)雷達(dá)發(fā)射的電磁波在地下介質(zhì)傳播過程中遇到電性變化的目標(biāo)體，比如分界面、空洞、管線等發(fā)生反射，返回地面由接收天線進(jìn)行接收，通過控制系統(tǒng)將數(shù)據(jù)傳入計(jì)算機(jī)中，然后通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的分析和處理。反射到地面的電磁波脈沖，其傳播途徑、電磁波強(qiáng)度與波形隨通過介質(zhì)的電性及幾何形態(tài)而變化，因此可以根據(jù)所接收的雷達(dá)波波形，強(qiáng)度，電性及幾何形態(tài)來得到地下不同介質(zhì)的分布情況及介電常數(shù)變化面的位置等參數(shù)。

圖2 地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)原理

如圖2所示，地表接收天線收到的電磁波的行程時(shí)間為:

式中，z為地層底界面深度，△t為電磁波傳播雙程時(shí)間，c為電磁波在空氣中的傳播速度，v為電磁波在材料中的傳播速度，εr為材料的相對(duì)介電常數(shù)。由于電磁波在同一介質(zhì)上的速度是恒定的，因而可以根據(jù)地質(zhì)雷達(dá)上所記錄的時(shí)間△t得到目標(biāo)體的深度。

由電磁波理論可知電磁波在地下介質(zhì)中傳播時(shí)主要受介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)和電導(dǎo)率的影響，當(dāng)相鄰兩種介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)存在差異時(shí)，電磁波發(fā)生反射，反射波強(qiáng)度可以用反射系數(shù)ρ來表示:

這里ε1，ε2分別代表第一層介質(zhì)和第二層介質(zhì)。從上述表達(dá)式可以看出介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)相差越大，發(fā)射波強(qiáng)度越大。反射系數(shù)ρ直接反映了介質(zhì)的電性差異，因而可以利用不同介質(zhì)的電性差異來識(shí)別地下介質(zhì)或者目標(biāo)體的特征信息。

地質(zhì)雷達(dá)一直存在著探測(cè)深度與分辨率的取舍問題，如果探測(cè)深度越大，則分辨率越低，探測(cè)深度越淺，則分辨率越高。在實(shí)際工程中，許多工程技術(shù)人員根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)來確定探測(cè)深度和分辨率的關(guān)系，并將其應(yīng)用到實(shí)際工程中，取得了較好的結(jié)果[4]。

3 圖形處理方法及結(jié)果分析

3.1 圖形處理[5]

現(xiàn)場(chǎng)采集的地質(zhì)雷達(dá)信號(hào)一方面受地下介質(zhì)的影響，地下介質(zhì)對(duì)波的不同程度的吸收使得脈沖達(dá)到接收天線時(shí)，波幅減小，因此波形與發(fā)射波有了一定的差異；另一方面受到外界因素不同程度干擾，既有環(huán)境的干擾，又有雷達(dá)采集中噪聲的干擾，有用的信號(hào)往往很難識(shí)別。因此有必要對(duì)地質(zhì)雷達(dá)資料進(jìn)行一定的處理，以消除干擾突出有用信號(hào)，提高信噪比。地質(zhì)雷達(dá)的資料處理過程如下:

(1)數(shù)據(jù)預(yù)編輯。數(shù)據(jù)預(yù)編輯包括數(shù)據(jù)合并，廢道的剔除，側(cè)線方向一致化，漂移處理，其主要目的是為了得到有用的數(shù)據(jù)，同時(shí)更有利于數(shù)據(jù)結(jié)果的比較。

(2)常規(guī)處理。由于數(shù)據(jù)中同時(shí)存在有效信號(hào)和干擾信號(hào)，需要去除干擾信號(hào)，基于有效信號(hào)和干擾信號(hào)的頻譜不同的原則，可以利用數(shù)字濾波的方法去除其中的干擾信號(hào)。

(3)偏移處理。偏離測(cè)點(diǎn)的地下交界面的反射點(diǎn)，只要其法平面通過測(cè)點(diǎn)，都可以被記錄下來，為了反映地下介質(zhì)的真實(shí)位置，需要將這些偏移的測(cè)點(diǎn)移到原來的位置。處理技術(shù)通常有兩種:一類是以射線為基礎(chǔ)的偏移方法；另一種是波動(dòng)方程偏移的方法。

(4)雷達(dá)圖像的增強(qiáng)處理。建立在數(shù)據(jù)處理的基礎(chǔ)上，對(duì)圖像信息進(jìn)行增強(qiáng)處理，改善圖像質(zhì)量以利于識(shí)別。一般通過振幅恢復(fù)，道內(nèi)均衡，道間均衡來實(shí)現(xiàn)。

3.2 圖形異常分析

頂管施工前的安全隱患主要包括地下管線、松散土層以及地下空洞等，在數(shù)據(jù)剖面圖上表現(xiàn)為同相軸不連續(xù)，發(fā)生錯(cuò)位。根據(jù)雷達(dá)波得相位，頻率與振幅以及圖像形態(tài)來分析影響頂管施工的隱患，從而采取相應(yīng)的治理措施。

(1)地下管線[6]

地下管線在地質(zhì)雷達(dá)圖像上所顯示的異常圖像在幾何形態(tài)上為雙曲線，金屬管線或者電纜介電常數(shù)與周圍土介質(zhì)的介電常數(shù)差別較大，地下管線形成的反射波或繞射波能量強(qiáng)，而對(duì)于非金屬管線由于介電常數(shù)與周圍介質(zhì)的介電常數(shù)差別較小，反射波較弱。同時(shí)地下管線在地質(zhì)雷達(dá)上所顯示的異常圖像也會(huì)受到天線頻率、管道尺寸、管道埋深的影響。

(2)松散土層[7～9]

土層松散會(huì)引起地層的變化，而地層的變化在雷達(dá)剖面圖上為反射同相軸的變化，雷達(dá)剖面圖上反射同相軸會(huì)發(fā)生錯(cuò)位，同時(shí)會(huì)出現(xiàn)平行的反射波，且呈凹陷狀。

(3)地下空洞[7～9]

空洞分為含水空洞、不含水空洞。含水空洞中水的電介質(zhì)很大，與周圍介質(zhì)相差較大，電磁波衰減小，反射能量大，異常表現(xiàn)為上部反射波較弱，下步異常形狀為縱向條帶，且反射波與入射波振幅方向相反。而不含水空洞主要是通過雷達(dá)反射相同軸的變化來判斷，不含水空洞介電常數(shù)跟周圍相差不大，因而反射波不是很明顯，且反射波與入射波振幅方向相同。形成兩者異常表現(xiàn)不一樣的根本原因在于水和空氣的介電常數(shù)的差異。

4 工程實(shí)例

4.1 地質(zhì)概況

北京望京地區(qū)某醫(yī)院采用頂管法進(jìn)行熱力管道施工，施工中需要穿越城市主干道，車道為單向車道，寬5 m，路面為瀝青面層，厚度為16 cm，基層為土，砂。工作地點(diǎn)北京望京地區(qū)某醫(yī)院前門大街南北車道，車道為單向車道，道路結(jié)構(gòu)由面層，基層，路基組成，面層主要成分為瀝青，基層為土，砂，石以及工業(yè)廢渣等組成的混合材料，厚度為40 cm，路基為粘土層。表1為常見介質(zhì)的物理常數(shù)。

常見介質(zhì)的物理常數(shù) 表1

4.2 工作布置

在北京市望京地區(qū)鋪設(shè)熱力管道，頂管施工經(jīng)過某醫(yī)院前門街道南北車道，管徑1 800 mm，要求熱力管埋設(shè)地下約7 m深，施工前發(fā)現(xiàn)該南北車道東西兩側(cè)路面出現(xiàn)隆起破壞現(xiàn)象。為了確保頂管施工的順利進(jìn)行，排除施工前方地下安全隱患，首先在車道沿走向布設(shè)剖面，發(fā)現(xiàn)目標(biāo)體引起的異常，然后再沿東西方向布設(shè)“十字”剖面進(jìn)行探測(cè)，以確認(rèn)異常的存在?？偣膊贾脗?cè)線16條，沿車道走向?yàn)?0條，間距為3 m，沿著垂直車道方向?yàn)?條，間距為2 m。

4.3 參數(shù)設(shè)置

本次所使用的地質(zhì)雷達(dá)為美國GSSI公司生產(chǎn)的SIR-20型系統(tǒng)，探測(cè)深度為7 m，天線主頻選擇100 Hz，儀器參數(shù):分辨率為5 ps，輸出數(shù)據(jù)格式為8位，記錄長(zhǎng)度為180 ns，掃描樣點(diǎn)數(shù)為512個(gè)，增益范圍為-20dB～+100dB可調(diào)，掃描速率為64掃描/秒，濾波高通為25 MHz，低通為200 MHz。

4.4 探測(cè)結(jié)果分析

本次地質(zhì)雷達(dá)采用的探測(cè)方法是反射剖面法。測(cè)量時(shí)讓反射天線和接收天線以固定的距離沿側(cè)線同步移動(dòng)進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量的結(jié)果是地質(zhì)雷達(dá)時(shí)間剖面圖像，橫坐標(biāo)為天線在地表側(cè)向上的位置，縱坐標(biāo)為發(fā)射天線到反射物得雙程走時(shí)，經(jīng)過相應(yīng)的處理后就得到目標(biāo)體的埋深。

圖3為側(cè)線3所得到的地質(zhì)雷達(dá)剖面圖，從圖中可以看出，在埋深為2.8 m處出現(xiàn)異常，存在著明顯的反射弧，反射波同相軸不連續(xù)，向上彎曲，圖形幾何形狀為雙曲線，反射波能量強(qiáng)，且反射弧較大，因而可以判定在地下埋深約2.8 m處存在管道，直徑約為20 cm。圖4為測(cè)線7所得到的雷達(dá)圖像，從圖中可以看出在埋深2.4 m以下存在著多個(gè)反射弧，反射弧較小，呈拋物線，且反射弧能量越來越弱，可以判斷地下埋深2.4 m左右范圍內(nèi)存在著電纜，反射弧能量越弱，電纜埋深越大。

圖3 地下管道雷達(dá)圖像

圖4 地下電纜雷達(dá)圖像

圖5 為側(cè)線12所得到的地質(zhì)雷達(dá)剖面圖，可以看出在地下埋深2.6 m～4.0 m范圍內(nèi)存在異常，出現(xiàn)了平行的反射波，回波能量大。結(jié)合掃描斷面的位置以及反射異常的埋深位置可以認(rèn)為，這種反射弧分布體現(xiàn)了該部地層存在松散土層。

經(jīng)分析地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)所提供的資料較為吻合，探測(cè)結(jié)果表明道路下方?jīng)]有發(fā)現(xiàn)明顯的空洞等不良地質(zhì)體，但存在著松散土層，也會(huì)對(duì)頂管施工造成一定的安全隱患，因此應(yīng)及時(shí)制定相應(yīng)的防治措施，以確保頂管施工的順利進(jìn)行。另外地下管線會(huì)對(duì)頂管施工造成一定的影響，所以，在頂管施工中應(yīng)給予足夠的重視，并制定合理的施工方案。

圖5 地下土層松散地質(zhì)雷達(dá)圖

5 結(jié) 論

通過對(duì)該頂管施工前的隱患探測(cè)，可以得出:

(1)找出了松散區(qū)域的范圍，查明了地下管線和電纜的位置，為制定相關(guān)措施提供了依據(jù)，保障了頂管施工的安全。

(2)相比于傳統(tǒng)的物探方法，地質(zhì)雷達(dá)具有精度高，速度快，探測(cè)方便等優(yōu)點(diǎn)，在頂管施工前隱患排查應(yīng)用中極具發(fā)展?jié)摿Γ请姶挪ǖ哪芰繌?qiáng)度高低，目標(biāo)體的規(guī)模大小等方面對(duì)地質(zhì)雷達(dá)的探測(cè)結(jié)果有較大的影響，因此在探測(cè)前需要對(duì)地質(zhì)雷達(dá)的應(yīng)用條件進(jìn)行正確的分析。

(3)若能配合其他探測(cè)方法如地震映像等，地質(zhì)雷達(dá)應(yīng)用效果會(huì)更好，另外利用綜合物探方法進(jìn)行聯(lián)合反演分析能夠提高探測(cè)精度，探測(cè)效果應(yīng)該會(huì)更好。

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The Aplication of GPR in the Detecting Defent Before Jacking Pipeline Construction

Miao Aiwei，Sun Shiguo，F(xiàn)eng Shaojie，Wang Jia，Liu Wenbo
(Col.of Architectural Engineering，North China Univ.of Tech，100144，Beijing，China)

This paper briefly introduced operating principle of Ground Penentrating Radar，detectionmethod，method of dealing the results and how to identify abnormal radar images.And then GPR was applied to the construction of geological hazards investigation before jacking pipe construction in cities.Combined with engineering data，it analysis the detection results.The detection results showed that there existed loose soil layer in the underground with depth ranging from 2. 6m to 4.0m.Meanwhile there existed underground pipeline whose depth is 2.8m.And there was no obvious underground cavity.In a word，the detecting results supplied good technical support to next jacking pipe construction，meanwhile this engineering provided good preference for similar engineering.

GPR；pipeline work；detecting defens

1672-8262(2013)02-160-04

P631

A

2012—02—22

繆愛偉(1988—)，男，碩士研究生，研究方向:巖土工程。

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41172250)；“十二五”國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2012BAK09B06)；北京市創(chuàng)新人才基金項(xiàng)目(PHR201006118)