地質雷達在頂管施工前隱患排查中的應用

繆愛偉，孫世國，馮少杰，王佳，劉文波

(北方工業(yè)大學建筑工程學院，北京 100144)

地質雷達在頂管施工前隱患排查中的應用

繆愛偉?，孫世國，馮少杰，王佳，劉文波

(北方工業(yè)大學建筑工程學院，北京 100144)

介紹了地質雷達的工作原理、探測方法、結果處理方法以及如何識別異常雷達圖像，并將地質雷達應用到城市熱力管施工前地質隱患排查中，結合工程資料，對探測結果進行了分析，得出探測結果表明地表地下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體，為下一步頂管施工的安全提供了有力的技術支撐，同時為類似工程的頂管施工前隱患排查提供了借鑒。

地質雷達；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，對城區(qū)環(huán)境無污染，施工效率高等優(yōu)點，因此該方法在一些管道施工中得到了較為普遍的應用。但是頂管施工地點往往是在城市地下，一方面地下可能存在錯綜復雜的管線，會對頂管施工造成一定的障礙，另一方面受地質條件、道路老化、地面荷載復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，而對于內(nèi)部存在疏松，空洞等病害的土體，在施工擾動作用下，病害區(qū)域可能會進一步發(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)實意義。

地質雷達作為一種新型無損檢測設備，近年來已經(jīng)在公路隧道質量檢測、堤壩安全檢測、地下管線檢測、地下空洞探測、煤礦井探測等領域得到了較為廣泛的應用[2]。相對于傳統(tǒng)的物探方法(電法勘探等)，地質雷達受客觀因素干擾要小得多，而且應用范圍更廣，精度更高。因此，將地質雷達應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 地質雷達工作原理[2～3]

地質雷達(Groud Penentrating Radar，簡稱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方法。地質雷達結構(如圖1所示)主要是由雷達控制系統(tǒng)、發(fā)射裝置、接收裝置以及計算機系統(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 地質雷達結構

工作時，地質雷達發(fā)射的電磁波在地下介質傳播過程中遇到電性變化的目標體，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行接收，通過控制系統(tǒng)將數(shù)據(jù)傳入計算機中，然后通過計算機進行相應的分析和處理。反射到地面的電磁波脈沖，其傳播途徑、電磁波強度與波形隨通過介質的電性及幾何形態(tài)而變化，因此可以根據(jù)所接收的雷達波波形，強度，電性及幾何形態(tài)來得到地下不同介質的分布情況及介電常數(shù)變化面的位置等參數(shù)。

圖2 地質雷達探測原理

如圖2所示，地表接收天線收到的電磁波的行程時間為:

式中，z為地層底界面深度，△t為電磁波傳播雙程時間，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為材料的相對介電常數(shù)。由于電磁波在同一介質上的速度是恒定的，因而可以根據(jù)地質雷達上所記錄的時間△t得到目標體的深度。

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

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

地質雷達一直存在著探測深度與分辨率的取舍問題，如果探測深度越大，則分辨率越低，探測深度越淺，則分辨率越高。在實際工程中，許多工程技術人員根據(jù)工程經(jīng)驗來確定探測深度和分辨率的關系，并將其應用到實際工程中，取得了較好的結果[4]。

3 圖形處理方法及結果分析

3.1 圖形處理[5]

現(xiàn)場采集的地質雷達信號一方面受地下介質的影響，地下介質對波的不同程度的吸收使得脈沖達到接收天線時，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，又有雷達采集中噪聲的干擾，有用的信號往往很難識別。因此有必要對地質雷達資料進行一定的處理，以消除干擾突出有用信號，提高信噪比。地質雷達的資料處理過程如下:

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

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

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

(4)雷達圖像的增強處理。建立在數(shù)據(jù)處理的基礎上，對圖像信息進行增強處理，改善圖像質量以利于識別。一般通過振幅恢復，道內(nèi)均衡，道間均衡來實現(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)生錯位。根據(jù)雷達波得相位，頻率與振幅以及圖像形態(tài)來分析影響頂管施工的隱患，從而采取相應的治理措施。

(1)地下管線[6]

地下管線在地質雷達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，而對于非金屬管線由于介電常數(shù)與周圍介質的介電常數(shù)差別較小，反射波較弱。同時地下管線在地質雷達上所顯示的異常圖像也會受到天線頻率、管道尺寸、管道埋深的影響。

(2)松散土層[7～9]

土層松散會引起地層的變化，而地層的變化在雷達剖面圖上為反射同相軸的變化，雷達剖面圖上反射同相軸會發(fā)生錯位，同時會出現(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很大，與周圍介質相差較大，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 工程實例

4.1 地質概況

北京望京地區(qū)某醫(yī)院采用頂管法進行熱力管道施工，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，道路結構由面層，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為常見介質的物理常數(shù)。

常見介質的物理常數(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，要求熱力管埋設地下約7 m深，施工前發(fā)現(xiàn)該南北車道東西兩側路面出現(xiàn)隆起破壞現(xiàn)象。為了確保頂管施工的順利進行，排除施工前方地下安全隱患，首先在車道沿走向布設剖面，發(fā)現(xiàn)目標體引起的異常，然后再沿東西方向布設“十字”剖面進行探測，以確認異常的存在?？偣膊贾脗染€16條，沿車道走向為10條，間距為3 m，沿著垂直車道方向為6條，間距為2 m。

4.3 參數(shù)設置

本次所使用的地質雷達為美國GSSI公司生產(chǎn)的SIR-20型系統(tǒng)，探測深度為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，記錄長度為180 ns，掃描樣點數(shù)為512個，增益范圍為-20dB～+100dB可調，掃描速率為64掃描/秒，濾波高通為25 MHz，低通為200 MHz。

4.4 探測結果分析

本次地質雷達采用的探測方法是反射剖面法。測量時讓反射天線和接收天線以固定的距離沿側線同步移動進行測量，測量的結果是地質雷達時間剖面圖像，橫坐標為天線在地表側向上的位置，縱坐標為發(fā)射天線到反射物得雙程走時，經(jīng)過相應的處理后就得到目標體的埋深。

圖3為側線3所得到的地質雷達剖面圖，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，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為測線7所得到的雷達圖像，從圖中可以看出在埋深2.4 m以下存在著多個反射弧，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 地下管道雷達圖像

圖4 地下電纜雷達圖像

圖5 為側線12所得到的地質雷達剖面圖，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。結合掃描斷面的位置以及反射異常的埋深位置可以認為，這種反射弧分布體現(xiàn)了該部地層存在松散土層。

經(jīng)分析地質雷達探測結果與現(xiàn)場所提供的資料較為吻合，探測結果表明道路下方?jīng)]有發(fā)現(xiàn)明顯的空洞等不良地質體，但存在著松散土層，也會對頂管施工造成一定的安全隱患，因此應及時制定相應的防治措施，以確保頂管施工的順利進行。另外地下管線會對頂管施工造成一定的影響，所以，在頂管施工中應給予足夠的重視，并制定合理的施工方案。

圖5 地下土層松散地質雷達圖

5 結 論

通過對該頂管施工前的隱患探測，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，地質雷達具有精度高，速度快，探測方便等優(yōu)點，在頂管施工前隱患排查應用中極具發(fā)展?jié)摿?，但是電磁波的能量強度高低，目標體的規(guī)模大小等方面對地質雷達的探測結果有較大的影響，因此在探測前需要對地質雷達的應用條件進行正確的分析。

(3)若能配合其他探測方法如地震映像等，地質雷達應用效果會更好，另外利用綜合物探方法進行聯(lián)合反演分析能夠提高探測精度，探測效果應該會更好。

[1] 余彬泉，陳傳燦.頂管施工技術[M].北京：人民交通出版社，1988.

[2] 曾昭發(fā)，劉四新，王者江等.探地雷達方法原理及應用[M].北京：科學出版社，2006：207～237.

[3] 李大心.探測雷達方法與應用[M].北京：地質出版社，1994：27～63.

[4] 譚紹泉，劉泰生，徐金璽等.地質雷達技術在表層結構調查中的應用與研究[J].石油物探，2003，42(1)：59～62.

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[6] 張鴻升，王萬順，楊鳳召等編.地下管線探測原理、方法[M].北京：中國礦業(yè)大學，1988.

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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。

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