探地雷達(dá)在黃土地區(qū)城市地質(zhì)管線探測中的應(yīng)用

韓佳明，仲鑫，景帥，劉平

(西安科技大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，陜西 西安 710054)

0 引言

近年來，隨著“一帶一路”建設(shè)的日趨壯大，地處西北黃土地區(qū)的西安市加大了地鐵、立交橋等市政工程的建設(shè)。西安市所處的黃土地區(qū)屬于濕陷性黃土，當(dāng)在一定壓力下受水浸濕，土體結(jié)構(gòu)會迅速破壞，產(chǎn)生較大的沉降，強度迅速降低[1-3]。西安的濕陷性黃土使得在城市基礎(chǔ)建設(shè)的施工中，經(jīng)常會出現(xiàn)各種因為土體土質(zhì)帶來的工程問題，同時，市區(qū)地下管線的布置錯綜復(fù)雜，有的因為地質(zhì)問題和年代久遠(yuǎn)早已和施工設(shè)計圖發(fā)生了偏差[4]。基于以上兩點原因，在黃土地區(qū)(尤其是在地下管線復(fù)雜的市區(qū))進(jìn)行工程施工時，提前進(jìn)行地質(zhì)及管線探測尤為重要。

探地雷達(dá)從20世紀(jì)前半葉出現(xiàn)后，由于其操作簡單，方便攜帶且探測結(jié)果對于工程有很好的指導(dǎo)意義，很快就被應(yīng)用到多種領(lǐng)域[5-8]。城市的信號干擾大，地下管線布置交錯復(fù)雜[9]，加上黃土本身的土質(zhì)特性使得雷達(dá)圖像有多解性[10]。本文結(jié)合西安所在黃土區(qū)的土質(zhì)特點，闡述黃土區(qū)城市地下管線探測雷達(dá)掃描圖像的分析要點，總結(jié)了不同管線的雷達(dá)掃描圖像的規(guī)律，提出了黃土區(qū)探地雷達(dá)掃描圖像分析的一般性方法，最后結(jié)合工程實例驗證了方法和規(guī)律的正確性與實用性。

1 探地雷達(dá)探測方法

1.1 探測原理

探地雷達(dá)是一種工作于高頻、超高頻微波頻段的探測技術(shù)，其工作原理是發(fā)射天線將電信號轉(zhuǎn)變成電磁波向地下發(fā)射，電磁波在傳播過程中，遇到地下介質(zhì)不均勻、介電常數(shù)有差異時便會產(chǎn)生反射、衍射和折射的電磁波，接收天線接收到反射后的電磁波，將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘栐谥鳈C屏幕上顯示出來，根據(jù)雷達(dá)掃描圖像、電磁場強度、介質(zhì)的反射系數(shù)和電磁波的發(fā)射接收時間間隔等參數(shù)便可大致推斷地下的地質(zhì)構(gòu)造[11-13]。相對介電常數(shù)的變化是雷達(dá)信號發(fā)生變化的根本原因，常見介質(zhì)的相對介電常數(shù)見表1。

探地雷達(dá)工作時，發(fā)射天線發(fā)射電磁波后，位于地面上的接收天線在接收到地下回波后，直接傳輸?shù)浇邮諜C，信號在接收機經(jīng)過整形和放大等處理后，經(jīng)電纜傳輸?shù)教降乩走_(dá)主機，在主機中對信號依照掃描線幅度大小進(jìn)行編碼，并以偽彩色電平圖、灰色電平圖或波形堆積圖的方式顯示出來，將測得的結(jié)果通過RADAN7專業(yè)軟件進(jìn)行焦點遷移、掃描調(diào)整、曲面調(diào)節(jié)、區(qū)域增益和波形的反卷積處理，可以獲得更清晰、更具有參考價值的圖像。

表1 常見介質(zhì)相對介電常數(shù)

1.2 圖像一般分析方法

分析雷達(dá)掃描圖像時需要將相對應(yīng)的波形圖一起對照分析，波形圖內(nèi)波峰、頻率的變化反映的是土層內(nèi)介質(zhì)相對介電常數(shù)的變化；波形圖可以更好地輔助確定土層內(nèi)的情況。在分析圖像的過程中，總結(jié)了兩條具體規(guī)律。

第一條，黑色線條對應(yīng)負(fù)波，白色線條對應(yīng)正波。如圖1所示，在形成的雷達(dá)掃描圖右側(cè)會有相對應(yīng)的掃描線，掃描線的中軸線是豎直方向，在中軸線的左側(cè)是對應(yīng)的負(fù)波，右側(cè)是對應(yīng)的正波，圖中黑色的線條對應(yīng)著負(fù)波，且黑色線條的中間對應(yīng)著負(fù)波的波峰。圖2中白色線條對應(yīng)著掃描線中的正波，白色線條的中間對應(yīng)著正波的波峰。而黑白線條的交界處則是對應(yīng)著掃描線的中軸線。

圖1 探地雷達(dá)掃描圖像示例一 Fig.1 Geological radar scanning image 1

圖2 探地雷達(dá)掃描圖像示例二Fig.2 Geological radar scanning image 2

圖3 探地雷達(dá)掃描圖像示例三Fig.3 Geological radar scanning image 3

第二條，電磁波穿過的不同介質(zhì)的相對介電常數(shù)相差越大，波峰峰值越高。在探測的過程中，因為電磁波穿過了不同介質(zhì)，相對介電常數(shù)發(fā)生改變，在雷達(dá)掃描圖上才會有強反射區(qū)，當(dāng)兩種或者多種介質(zhì)的相對介電常數(shù)相差比較小時，在圖像上的反映就不是很明顯，對應(yīng)的掃描線的振幅就很小；而當(dāng)相對介電常數(shù)相差很大時，圖像就會出現(xiàn)強反射區(qū)，對應(yīng)的掃描線的峰值就會很高。如圖3所示，當(dāng)相對介電常數(shù)相差足夠大時，掃描線的峰值會超出掃描線的掃描區(qū)域。掃描線的波形特性(頻率，振幅)是用來判斷地層內(nèi)部有無異常的重要依據(jù)。

2 黃土區(qū)地質(zhì)探測圖像分析

在黃土地區(qū)進(jìn)行工程施工時，尤其是在地下管線復(fù)雜的市區(qū)，提前的地質(zhì)探測是極其重要的。使用GSSI美國勞雷探地雷達(dá)，對西安市區(qū)多個擬建地鐵出站口的區(qū)域進(jìn)行了探測，結(jié)合各自區(qū)域的現(xiàn)場情況，設(shè)置不同的測量模式、發(fā)射率、記錄長度、增益點數(shù)、采樣點數(shù)、數(shù)據(jù)位等探地雷達(dá)探測的參數(shù)。

2.1 地質(zhì)分層

探地雷達(dá)的掃描曲線產(chǎn)生變化的根本原因在于介質(zhì)的變化，對于西安市區(qū)黃土條件下的地質(zhì)探測，在電磁波穿過不同類型土層的時候，接收到的反射信號會發(fā)生改變，在探地雷達(dá)所顯示的圖像上，同一類型的土層(不考慮管線和空洞斷層等地質(zhì)問題)圖像所展現(xiàn)出來的規(guī)律和樣式是一致的，而在不同類型的土層的分界處有明顯的線性或是條狀的分界線，這對于地質(zhì)分層的解釋是很好的參考作用。

如圖4所示，在深度0～0.3 m處，圖像是黑白交替有規(guī)律的條狀，并且都是直線型，結(jié)合現(xiàn)場情況和相關(guān)介電常數(shù)可以推測出這一段是混凝土或者瀝青層，在不同的工程區(qū)域，也可以是地磚與砂漿層；在深度0.3～0.8 m處，圖像也是呈現(xiàn)黑白交替的條狀，但不是直線型，而是呈無規(guī)律小幅度的彎曲，這說明在這一土層里面有不同的介質(zhì)存在，但有經(jīng)過壓實和填埋等處理，所以這一層是屬于雜填土；在深度0.8～2.6 m處，圖像沒有明顯的條狀呈光滑帶狀，相較于雜填土它的均勻性更好，屬于天然土層；在2.6 m以下，因為西安屬于黃土地區(qū)，黃土本身結(jié)構(gòu)疏松，空隙發(fā)育良好，而前期相關(guān)的工程施工對于這一深度的土層也沒有破壞，所以該層屬于最原始的狀態(tài)，整個圖像顯示出粗糙的質(zhì)感，都是均質(zhì)土。

圖4 土層分層掃描圖像示例Fig.4 Soil layering scanning image

通過掃描圖像也可以大致推測出土層的密實情況：混凝土、雜填土和天然土層的掃描曲線的頻率不高，掃描曲線不太緊密，較疏松；均質(zhì)土的掃描曲線呈現(xiàn)出高頻率、緊密的樣式，這和土層之前是否受到過工程破壞有關(guān)。在西安多個地鐵工程區(qū)域進(jìn)行探測，測得雷達(dá)掃描圖像與圖4基本一致，僅僅在具體深度上有差別。

2.2 空洞與土體塌落

空氣的相對介電常數(shù)值是1，黃土的相對介電常數(shù)是6，兩者相對介電常數(shù)相差較大，所以，在探地雷達(dá)探測的過程中，電磁波信號如果在土層中遇到空洞的存在，最終得到的圖像中就會有強反射區(qū)。而土體塌落往往和空洞是同時出現(xiàn)的，在土層中，由于滲水或者黃土本身的土體結(jié)構(gòu)問題，時間一長在土層內(nèi)部就有可能出現(xiàn)土體的塌落情況，在其旁邊就會形成空洞，在雷達(dá)圖像上就會出現(xiàn)強反射，表現(xiàn)為雜亂的條紋。

空洞與土體塌落絕大部分會出現(xiàn)在雜填土土層和天然土層。雜填土層因為本身組成構(gòu)造的復(fù)雜性很容易出現(xiàn)空洞、斷層等地質(zhì)問題；在天然土層中，雖然是以天然的黃土為主，但因為深度不夠，還是會受到上層施工所帶來的影響，在前期的管線埋設(shè)或是地基建設(shè)中，對上層土的開挖、加固、回填、夯實都會對這一土層造成影響，黃土原有的結(jié)構(gòu)遭到破壞，就會留下隱患，易出現(xiàn)空洞、土體塌落等地質(zhì)問題。

如圖5所示，圖中矩形區(qū)域出現(xiàn)了不規(guī)則強反射的雷達(dá)圖像，異常區(qū)域明顯區(qū)別于其他區(qū)域，空洞中的空氣的相對介電常數(shù)比周圍土壤要低，電磁波穿過介質(zhì)的順序是黃土—空氣—黃土，相對介電常數(shù)經(jīng)歷了“高—低—高”的變化過程，所以在異常圖像區(qū)域呈現(xiàn)出“黑—白—黑”的交替異常條紋。掃描線在異常圖像區(qū)有較大振幅，從上往下對應(yīng)的是黑色的負(fù)波先出現(xiàn)異常，負(fù)波正波交替出現(xiàn)異常，說明此處存在與黃土相對介電常數(shù)相差較大的介質(zhì)，結(jié)合條紋的形狀，推測圖中矩形區(qū)域內(nèi)疑似有空洞與土體塌落存在，施工開挖的時候要留意這一區(qū)域。

圖5 土層中空洞的雷達(dá)掃描圖像Fig.5 Hollow radar scanning image

2.3 滲水

在市區(qū)的地下土層，由于城市排水系統(tǒng)的設(shè)施和管道多在地下，并且地下土層的狀況經(jīng)常會有復(fù)雜的變化出現(xiàn)，時間一長，就會出現(xiàn)管道里的水滲到土層里的情況，在土層的一塊區(qū)域形成富水區(qū)，當(dāng)富水區(qū)足夠大或是在一塊土層有多個富水區(qū)時，土層的結(jié)構(gòu)就會受到破壞，這對于后期的工程施工和土層開挖都有很大的安全隱患。當(dāng)土壤的含水率增加，土壤對電磁波的吸收增加，接收的電磁波信號就不同于周圍非富水區(qū)的土層。

水的相對介電常數(shù)是81，與土壤的6相差很大，但實際情況中水通常是和土壤混合在一起，不是單獨存在于土壤中，所以土壤中富水區(qū)形成的雷達(dá)掃描圖像雜亂無章，似絮狀堆積在一起。如圖6所示，圖中矩形區(qū)域出現(xiàn)了雜亂無規(guī)律的波形，并且是聚集在一塊，同時相對應(yīng)的掃描線有著頻率高，正負(fù)擺動的一段波形，符合土層中富水區(qū)存在的規(guī)律，推測是土層滲水。

圖6 滲水區(qū)的雷達(dá)掃描圖像Fig.6 Seepage radar scanning image

2.4 PVC管與金屬管

PVC管的相對介電常數(shù)是3，與黃土的相對介電常數(shù)相差較大。當(dāng)土層中存在PVC管線時，電磁波信號在通過PVC和黃土的分界面時，其順序是黃土—PVC管—黃土，相對介電常數(shù)經(jīng)歷了“高—低—高”的變化過程，所以在雷達(dá)掃描圖上出現(xiàn)了“黑—白—黑”的弧狀強反射區(qū)(圖7)。同樣，在相對應(yīng)的掃描線上有較大振幅，并且掃描線的波峰已經(jīng)超過了掃描區(qū)域，結(jié)合反射區(qū)弧狀的樣式，推測為PVC管。

圖7 PVC管線的雷達(dá)掃描圖像Fig.7 PVC pipeline radar scanning image

金屬的相對介電常數(shù)為300[14]，和PVC管線一樣，在雷達(dá)圖像上會有強反射區(qū)，如圖8所示，電磁波在穿過金屬時，介質(zhì)的相對介電常數(shù)經(jīng)歷了“低—高—低”的變化過程，所以在雷達(dá)掃描圖像上就會出現(xiàn)“白—黑—白”的弧狀圖形，異常區(qū)域的掃描線有對應(yīng)白色的正波出現(xiàn)。地下的金屬管線多為生活中的給水管線，需要在施工前大致確定位置走向和埋深，小心開挖。

圖8 金屬管線的雷達(dá)掃描圖像Fig.8 Metal pipeline radar scanning image

2.5 混凝土管

混凝土的相對介電常數(shù)與黃土相差不大，這增加了圖像分析難度。如圖9所示，矩形框內(nèi)出現(xiàn)了“黑—白—黑”的交替異常條紋，和上文論述到的空洞的異常圖像相類似，但實際開挖后是管徑1 m左右的混凝土管。混凝土管在生活中多用來做排污管，管徑較大，內(nèi)部有空氣和水，所以判斷難度大；同時現(xiàn)場探測時還有很多干擾信號以及要面對復(fù)雜的地下狀況，所以在黃土區(qū)混凝土管道的判斷需要結(jié)合現(xiàn)場實際情況，單單憑借雷達(dá)掃描圖像并不能準(zhǔn)確判斷此處管道就是混凝土管道。

圖9 混凝土管的雷達(dá)掃描圖像Fig.9 Concrete pipe radar scanning image

3 探測實例

對西安市區(qū)某擬建地鐵出站口區(qū)域進(jìn)行黃土區(qū)地質(zhì)管線探測。本次地下管線探測工作主要采用了GSSI美國勞雷探地雷達(dá)，使用3207A型探測天線，天線的頻率分別采用100 MHz和400 MHz。測區(qū)范圍為154.8 m2，東西長12.9 m，布設(shè)4條測線；南北長12 m，布設(shè)5條測線，2個方向的測線垂直布置。選取東西向最南邊的1號測線進(jìn)行說明。

圖10是1號測線的雷達(dá)掃描圖像，結(jié)合上文提到的土層分析原理與分析方法，得到土層大致的分層情況；再利用上文提出的圖像分析的一般性規(guī)律以及對于PVC線以及金屬管線的圖像分析方法，對1號測線的雷達(dá)掃描圖像進(jìn)行分析。

圖10 1號測線探地雷達(dá)掃描圖像Fig.10 Soil scanning image of line 1

1號線土層情況：第一層土，0～0.3 m，混凝土或瀝青地層；第二層土，0.3～0.8 m，雜填土層；第三層土，0.8～1.3 m，天然土層；第四層土，1.3 m以下，均質(zhì)土。

圖中1號框內(nèi)為不規(guī)則的強反射區(qū)，說明有管線存在，并且圖像不是較規(guī)律的弧狀，推測還有一些地質(zhì)問題，后期現(xiàn)場施工發(fā)現(xiàn)除了有PVC管線還有土質(zhì)疏松的問題。2號框內(nèi)有小塊的強反射區(qū)，推測為管徑較小的管線，3號框內(nèi)有易識別的弧狀圖形，根據(jù)“白—黑—白”的圖像規(guī)律，推測為金屬管道；后期現(xiàn)場施工證實推測正確。

4 結(jié)論與建議

1) 在管線探測的過程中，空氣、水、PVC管和金屬管因為本身材質(zhì)的相對介電常數(shù)和黃土的相差很大，所以在雷達(dá)圖像上會呈現(xiàn)出明顯的，有著各自特點的雷達(dá)圖像。介質(zhì)相對介電常數(shù)經(jīng)歷“高—低—高”的變化過程，雷達(dá)圖像對應(yīng)“黑—白—黑”的弧狀曲線；經(jīng)歷“低—高—低”的變化過程，雷達(dá)圖像對應(yīng)“白—黑—白”的弧狀曲線。

2) 城市地下管線的布置具有重疊性，往往不同材質(zhì)的管線為考慮施工方便等多種因素會緊挨著布置，這對于雷達(dá)圖像的分析有著很大的干擾；同時探地雷達(dá)的圖像本身就具有多解性，再加上工程現(xiàn)場的各種雜波信號，不同管線不同地質(zhì)情況會有相類似的雷達(dá)圖像出現(xiàn)，這就需要后期的工程施工來進(jìn)行輔助判斷。

3) 探地雷達(dá)在地質(zhì)管線探測中所得到的雷達(dá)圖像對于地質(zhì)情況的分析和管線的大致推測有很好的指導(dǎo)作用，但其所受到的干擾也很多，目前的探測精度并不高，如何去除干擾、提高精度將是以后探地雷達(dá)探測研究的主攻點。