地質(zhì)雷達(dá)工程應(yīng)用綜述★

于 雷

(天津水運(yùn)工程勘察設(shè)計院，天津 300456)

·巖土工程·地基基礎(chǔ)·

地質(zhì)雷達(dá)工程應(yīng)用綜述★

于 雷

(天津水運(yùn)工程勘察設(shè)計院，天津 300456)

首先對地質(zhì)雷達(dá)工作原理進(jìn)行了介紹，然后主要綜述地質(zhì)雷達(dá)在地下管線探測、基坑工程、地基處理、水文水利工程及圍堤工程等方面的應(yīng)用，并指出在相應(yīng)領(lǐng)域應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn),最后給出了地質(zhì)雷達(dá)應(yīng)用的相關(guān)結(jié)論及其存在的不足。

地質(zhì)雷達(dá)，工作原理，工程檢測，工程勘察

地質(zhì)雷達(dá)是工程技術(shù)人員探測地下目標(biāo)的一種常用手段，其具有形象直觀、圖像實(shí)時顯示、經(jīng)濟(jì)快速、準(zhǔn)確定位、便于攜帶等優(yōu)點(diǎn)。地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展較為短暫，20世紀(jì)50年代～60年代，科研人員將其用于北極和南極的冰層、冰川厚度等方面的探測，70年代，該技術(shù)在采礦及地質(zhì)調(diào)查方面的應(yīng)用才逐漸普及。近幾十年來，地質(zhì)雷達(dá)探測在探測原理、設(shè)備制造、數(shù)據(jù)處理及工程解釋等方面都取得了重大突破，并在工程驗收無損檢測、巖土工程勘察、水文地質(zhì)勘探、市政管網(wǎng)探測、考古調(diào)查等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，取得了不錯的技術(shù)效果和明顯的社會經(jīng)濟(jì)效益。

地質(zhì)雷達(dá)的應(yīng)用越來越廣泛，而以往的文獻(xiàn)僅對其在某個工程實(shí)例或者某一類工程中的應(yīng)用做介紹，對其在整個工程領(lǐng)域的應(yīng)用介紹極其少見，這對初次接觸地質(zhì)雷達(dá)設(shè)備的個人或單位缺少整體性認(rèn)識。因而，本文將在總結(jié)前人的基礎(chǔ)上，對地質(zhì)雷達(dá)在工程領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行系統(tǒng)性綜述。

1 工作原理

地質(zhì)雷達(dá)一般由三部分組成，即主機(jī)、天線和相應(yīng)的配套軟件。根據(jù)電磁波在有耗介質(zhì)中的傳播特性，高頻電磁波(1 MHz～2 500 MHz)以寬頻帶短脈沖形式進(jìn)入土體等介質(zhì)內(nèi)傳播，當(dāng)遇到電性(通常指介電常數(shù))差異明顯的異常體時，電磁波便反射回地面，被接收天線接收。在對接收天線收到的信號波進(jìn)行分析處理后，由信號波形、強(qiáng)度、時間等參數(shù)便可初步判斷異常體的位置、電性及幾何形態(tài)，進(jìn)而達(dá)到對地下異常物體的探測[1](見圖1)。

圖1中T為發(fā)射天線，R為接收天線，電磁波在介質(zhì)傳播過程中遇到異常體時反射回地面被接收天線接收，經(jīng)過主機(jī)的數(shù)據(jù)處理后，就可以得到雷達(dá)記錄的反射波曲線(如圖2所示)。

實(shí)際工程應(yīng)用中，將地質(zhì)雷達(dá)沿事先設(shè)定的測線勻速移動，而其發(fā)射、接收天線的距離是固定的，此時所有單道反射信息便構(gòu)成了雷達(dá)圖像剖面。以圖2為例，橫坐標(biāo)表示天線沿測線方向的水平位置，縱坐標(biāo)表示信號波的雙程旅行時間。波形的正負(fù)波峰波谷分別以黑、白表示，或者以灰色或彩色表示，這樣，同相軸或等色線便能形象地表征出地下目的體[2]。

目的體在介質(zhì)中的埋藏深度為H：

其中，t為信號波的雙程反射時間；c為信號波在真空中的傳播速度；εr為目的體以上介質(zhì)相對介電常數(shù)均值。

雷達(dá)探測資料解釋由兩部分組成：數(shù)據(jù)處理和圖象解釋。復(fù)雜的地下介質(zhì)實(shí)際相當(dāng)于一個濾波器，由于信號波在介質(zhì)中的吸收損耗程度不同，于是最后被接收天線接收的脈沖強(qiáng)度相應(yīng)不同，主機(jī)上處理后的波形便與初始波形有較大的差別。另外，環(huán)境中客觀存在的各種隨機(jī)信號噪聲和干擾波也會對接收信號圖像造成干擾。因此，接收到的信號必須經(jīng)過適當(dāng)?shù)奶幚砗?，才能得到正確的信號波形，以便準(zhǔn)確描繪地下介質(zhì)的存在情況。

2 工程應(yīng)用

隨著計算機(jī)技術(shù)的突破性發(fā)展，地質(zhì)雷達(dá)性能越來越強(qiáng)大，其天線從低頻到高頻的覆蓋范圍越來越廣，探測深度和精度得到了極大拓展。因此，地質(zhì)雷達(dá)在各領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。本文將從地質(zhì)雷達(dá)在地下管線探測應(yīng)用、基坑工程應(yīng)用、地基處理應(yīng)用、水文水利工程應(yīng)用及圍堤工程應(yīng)用等方面，將前人對地質(zhì)雷達(dá)的應(yīng)用心得做綜述性介紹。

2.1 地下管線探測應(yīng)用

地下管線是一個城市重要的基礎(chǔ)設(shè)施，也是城市賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，擔(dān)負(fù)著信息傳輸、能源輸送等工作。目前，對管線資料信息的掌握主要通過工程設(shè)計和竣工資料、直接現(xiàn)場開挖驗槽和地質(zhì)雷達(dá)探測等。很多管線由于施工時間久遠(yuǎn)造成資料缺失或錯誤，而現(xiàn)場開挖驗槽成本太高，且影響市民的正常生活，因此依靠地質(zhì)雷達(dá)的探測方法就顯得極有必要。

陳軍[2]簡要介紹了金屬管道和非金屬管道的雷達(dá)反射波場特征的異同，同時結(jié)合江蘇丹陽某工地超深天然氣管道的情況，提出雷達(dá)圖像解釋需要遵從由已知區(qū)域向未知區(qū)域解釋的原則進(jìn)行，圖像識別時既要考慮探測目標(biāo)本身可能產(chǎn)生的異常波形，也要對目標(biāo)體所處的地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行影響分析。

2.2 基坑工程應(yīng)用

基坑工程建設(shè)中，由于土體開挖引起的土應(yīng)力變化、水位變化等，致使土體產(chǎn)生變形，嚴(yán)重時會影響周圍建筑的安全使用。同時，基坑自身圍護(hù)的質(zhì)量影響工程的順利進(jìn)行和施工人員的人身安全。地質(zhì)雷達(dá)作為一種無損檢測方法，在檢測基坑圍護(hù)質(zhì)量和周圍環(huán)境的安全方面有著巨大優(yōu)勢，近年來已經(jīng)逐漸開始使用。

何亮[3]結(jié)合工程實(shí)例，開展了地質(zhì)雷達(dá)檢測基坑開挖引起的地基病害的應(yīng)用研究。根據(jù)現(xiàn)場檢測得到的試驗數(shù)據(jù)，對地基病害(如基坑開挖引起的土體疏松和脫空等)進(jìn)行了圖像解釋，并通過現(xiàn)場靜力觸探試驗進(jìn)行了對比驗證。

成詞峰[4]利用地質(zhì)雷達(dá)對武漢地鐵二號線一期工程洪山廣場車站進(jìn)行了無損檢測，通過對基坑底部隱伏巖溶的地質(zhì)進(jìn)行探測，并采用地質(zhì)鉆探進(jìn)行驗證，成功地將地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用于地鐵車站深基坑底部巖溶探測的領(lǐng)域，節(jié)省了時間和金錢。

陳軍[5]應(yīng)用地質(zhì)雷達(dá)對基坑圍護(hù)工程中的注漿效果進(jìn)行了檢測。在對具體檢測場所的物性條件進(jìn)行詳細(xì)分析的基礎(chǔ)上，通過對比注漿前后的地質(zhì)雷達(dá)圖像，基本探測出注漿的工程效果。

趙強(qiáng)[6]以某輕軌車站深基坑圍護(hù)工程為例，應(yīng)用地質(zhì)雷達(dá)探明了基坑的圍護(hù)情況，針對該基坑圍護(hù)質(zhì)量的評價標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合以往工程經(jīng)驗，提出了相應(yīng)的處理措施，極大地保障了基坑的安全開挖。

2.3 地基處理工程應(yīng)用

地基處理工程的質(zhì)量檢測方法眾多，根據(jù)不同的檢測目的，檢測方法包括十字板試驗、靜載試驗、動力觸探檢測等等。對于某些硬質(zhì)地基處理，如拋石堆填等，傳統(tǒng)的檢測方法效率低、費(fèi)用高。最近，工程人員開始嘗試采用地質(zhì)雷達(dá)的檢測方法，取得了不錯的效果。

葛雙成[7]應(yīng)用地質(zhì)雷達(dá)對某圍堤深厚軟弱地基處理的爆破擠淤效果進(jìn)行檢測，通過低頻天線取得了拋石層落底深度和寬度，以及腰部寬度等堤身參數(shù)。通過與鉆探結(jié)果對比，驗證了雷達(dá)探測拋石層厚度的工程可行性。

詹金林[8]在某拋石填海造陸工程異型錘高能級強(qiáng)夯置換進(jìn)行地基處理后，通過地質(zhì)雷達(dá)對置換墩的直徑和長度進(jìn)行檢測，通過與鉆探及開挖結(jié)果進(jìn)行對比驗證，表明地質(zhì)雷達(dá)檢測結(jié)果準(zhǔn)確可靠。

2.4 水文水利工程應(yīng)用

水利工程投資巨大，其工程質(zhì)量關(guān)系著下游人民的生命安全，提高工程的安全質(zhì)量檢測具有重大意義；水文調(diào)查中，查明包氣帶含水量的分布情況對水文循環(huán)和污染防治具有重要意義。地質(zhì)雷達(dá)在水文水利工程中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在地下包氣帶含水量的調(diào)查，水壩滲漏和混凝土質(zhì)量的檢測等方面。

閆永帥[9]總結(jié)了3種常用的地質(zhì)雷達(dá)測量包氣帶含水量的方法，即固定距離法、多偏移距反射法、鉆孔雷達(dá)法，通過對地質(zhì)雷達(dá)測量包氣帶含水量原理的分析，指出了這3種檢測方法的優(yōu)缺點(diǎn)及適用性，最后得出固定距離法與多偏移距反射法相結(jié)合可解決地質(zhì)雷達(dá)測量包氣帶含水量的問題的結(jié)論。

薛建[10]介紹了水壩滲漏的原因和滲漏時的地質(zhì)雷達(dá)圖像特征，即滲漏部位因介質(zhì)含水量的變化產(chǎn)生電性異常，通過雷達(dá)波幅頻特性發(fā)生的變化，對雷達(dá)圖像的分析可以確定滲漏的部位和埋深。結(jié)合兩個工程實(shí)例，證明了地質(zhì)雷達(dá)方法在水壩滲漏檢測中有較好的應(yīng)用效果。

劉濤[11]利用地質(zhì)雷達(dá)對橡膠壩混凝土內(nèi)部缺陷進(jìn)行了定性和定量檢測，同時給出了地質(zhì)雷達(dá)在水利工程質(zhì)量檢測中應(yīng)注意的問題，包括不同位置、不同混凝土配比的波速標(biāo)定等問題。

2.5 圍堤工程應(yīng)用

圍堤工程因其作業(yè)環(huán)境特殊，常規(guī)的勘察、檢測手段較難實(shí)施，且成本巨大。地質(zhì)雷達(dá)因其經(jīng)濟(jì)、快速和高效等優(yōu)點(diǎn)，工程人員開始嘗試將其應(yīng)用于圍堤工程的勘察檢測等領(lǐng)域。

張欣海[12]以深港西部通道一線口岸區(qū)工程勘察為例，通過地質(zhì)雷達(dá)對圍堤的斷面特征以及首底情況的探測，成功地將地質(zhì)雷達(dá)運(yùn)用于海上圍堤勘察。最后，文章總結(jié)了地質(zhì)雷達(dá)在勘察應(yīng)用中的優(yōu)缺點(diǎn)：對類似大塊石、碎石地層的勘察相比鉆探具有施工簡單、快速、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)，但在海上圍堤勘探中由于海水介質(zhì)對電磁波的高吸收性，不能有效反映海水的深度等缺點(diǎn)。

3 結(jié)語

地質(zhì)雷達(dá)憑借其經(jīng)濟(jì)、高效、快速和無損等優(yōu)勢，逐漸在各個工程領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。除了上文提及的工程領(lǐng)域外，地質(zhì)雷達(dá)還在隧道工程質(zhì)量檢測、礦井探測及考古探察等方面發(fā)揮重要作用。本文在介紹了地質(zhì)雷達(dá)工作原理的基礎(chǔ)上，綜述了近些年其在工程領(lǐng)域的常見應(yīng)用。另外，應(yīng)當(dāng)指出的是，地質(zhì)雷達(dá)在實(shí)際應(yīng)用時，還存在介質(zhì)波速較難確定，雷達(dá)圖像難以判斷解析，使用經(jīng)驗依賴性等問題，這些方面還需要更好的加以總結(jié)才能拓展其在更大范圍的應(yīng)用。

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Asurveyontheapplicationofgroundpenetratingradar★

YuLei

(TianjinSurveyandDesignInstituteforWaterTransportEngineering,Tianjin300456,China)

The working principle of ground penetrating radar is introduced, then its applications in prospecting underground pipeline, building excavation, groud treatment, hydrogeology and hydraulic engineering, reclamation engineering are surveyed, finally, the relevant conclusios of the application of ground penetrating radar and its weakness are pointed.

ground penetrating radar, working principle, project exploiting, engineering investigation

1009-6825(2017)23-0053-03

2017-06-06★:交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所基金項目(TKS170214)

于 雷(1988- )，男，碩士，助理工程師

TU435

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