探地雷達(dá)在地基病害和地下管線探測(cè)中的應(yīng)用研究

何亮 廖榮瀟*

(常州工學(xué)院,江蘇 常州 213032)

隨著城鎮(zhèn)化的快速推進(jìn),淺層土體常受到各種工程項(xiàng)目的擾動(dòng),導(dǎo)致地基病害和地下管線的工程問題逐漸增多。同時(shí),大部分城市地下管線資料不全,管線分布情況越來越復(fù)雜,探測(cè)難度較大[1-2],各地施工項(xiàng)目出現(xiàn)挖壞、挖斷地下管線的工程事故經(jīng)常發(fā)生[3-4]。此外,土體脫空、疏松和滑動(dòng)等地基病害隱蔽性較強(qiáng),危害程度大,嚴(yán)重影響建筑物和道路的使用壽命,及時(shí)發(fā)現(xiàn)這些地基病害隱患是保證工程安全的重要措施。

傳統(tǒng)的探測(cè)手段如現(xiàn)場(chǎng)開挖和鉆探取樣等,具有破壞性強(qiáng)、工期長(zhǎng)、成本高等缺點(diǎn)[5],而探地雷達(dá)技術(shù)具有無損、快速、成本低等優(yōu)點(diǎn),為了準(zhǔn)確探明地基病害和地下管線的位置和范圍等,本文依托某實(shí)際工程,采用LTD-2100 探地雷達(dá)進(jìn)行地基病害和地下管線的探測(cè),研究雷達(dá)探測(cè)剖面圖特征,總結(jié)相關(guān)探測(cè)成果規(guī)律,為更好地為解決城市地下管線和地基病害出現(xiàn)的問題提供依據(jù),這些研究工作具有一定的理論和工程應(yīng)用價(jià)值。

1 地雷達(dá)工作原理

探地雷達(dá)組成為主機(jī)、天線和配套軟件。實(shí)際探測(cè)時(shí)發(fā)射天線向地下發(fā)射高頻率的脈沖電磁波,當(dāng)電磁波在地下有耗介質(zhì)中傳播時(shí),其電磁場(chǎng)強(qiáng)度、傳播路徑和波形等將隨著地下介質(zhì)的電性和形態(tài)的變化而變化,雷達(dá)主機(jī)接收反射波從而獲得雷達(dá)測(cè)試圖像和數(shù)據(jù),再利用專用軟件對(duì)圖像和數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理,進(jìn)而確定地下介質(zhì)的位置和尺寸等信息。

探地雷達(dá)的數(shù)據(jù)處理流程有三種：第一種是常規(guī)處理,如數(shù)字濾波、反褶積、振幅處理和偏移；第二種是數(shù)據(jù)編輯,如數(shù)據(jù)連接、數(shù)據(jù)觀測(cè)方向一致化和廢道剔除；第三種是剖面修飾處理,如相干加強(qiáng)和圖像分割。

目前雷達(dá)圖像解釋主要是雷達(dá)后處理軟件自動(dòng)識(shí)別為主,人工識(shí)別為輔,常在雷達(dá)測(cè)線剖面圖和單道波形圖上,根據(jù)地下介質(zhì)反射波組的波形、波幅、頻率及同相軸等特征進(jìn)行圖像解釋。由于雷達(dá)圖像解釋的復(fù)雜性,技術(shù)人員應(yīng)具有豐富的地質(zhì)知識(shí)和工程經(jīng)驗(yàn),了解探測(cè)對(duì)象的性質(zhì)、機(jī)理以及場(chǎng)地的地質(zhì)情況。

2 應(yīng)用實(shí)例

2.1 工程概況

某大學(xué)停車場(chǎng)處地面回潮嚴(yán)重,如繼續(xù)長(zhǎng)時(shí)間使用可能會(huì)造成地表損傷,為了以后的改建工程,利用LTD-2100 探地雷達(dá)進(jìn)行探測(cè),探明地下土體情況以及地下管線的分布情況,防止工程事故,使用400MHz 主頻雷達(dá)天線進(jìn)行地質(zhì)雷達(dá)探測(cè),現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試人員在南側(cè)布置東西向測(cè)線,測(cè)線為網(wǎng)狀,間距分別為1.5m 和2m。

場(chǎng)地的地質(zhì)工程勘察報(bào)告表明：該場(chǎng)地地下土層自上而下分布為：①雜填土,層厚約1.0～2.5 m；②軟塑～可塑粉質(zhì)粘土,層厚4.4～8.3 m；③、④、⑤分別為稍密～中密粉土、軟～流塑淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土和粉質(zhì)粘土。探地雷達(dá)探測(cè)的地基病害主要位于上層①雜填土和②軟塑～可塑粉質(zhì)粘土中,這兩層土體的穩(wěn)定性差,易受擾動(dòng),易產(chǎn)生地基病害。

場(chǎng)地的地下水類型為孔隙潛水,主要賦存于①層填土中,地下水埋深大約為1.0～1.50m。

2.2 土體疏松的雷達(dá)圖像分析

地基病害的種類有很多,主要有土體脫空、土體疏松、滑移等地基病害,目前均能被探地雷達(dá)成功地探測(cè)和識(shí)別。地基病害位于地下,其隱蔽性較強(qiáng),危害程度大,所以在地下工程施工和修復(fù)在中,只有探明這些地基病害的嚴(yán)重程度和位置等特征,才能制定出合理的處理和修復(fù)方案。地基病害能夠被探地雷達(dá)有效探測(cè)的前提條件是地基病害與正常地基土之間存在一定的電性差異,但如果這種電性差異過小,那么地基病害被探測(cè)的難度將會(huì)增大,也即區(qū)分地基病害和正常地基土的難度會(huì)增大。

圖1 為地下土體疏松的典型雷達(dá)測(cè)線剖面圖,橫軸為水平位置,豎軸為深度位置。由圖可知：土體疏松區(qū)域位于圖像左側(cè)(白色方框內(nèi)),與周圍正常土體的雷達(dá)圖像相比,圖像中土體疏松區(qū)域的圖像特征為反射波形較多且雜亂無章,同相軸也呈現(xiàn)為不連續(xù)、明顯錯(cuò)位、畸變和缺失等特征。進(jìn)一步分析表明：疏松的土體具有孔隙率高和空洞多等特點(diǎn),孔隙中常充滿空氣或水。由于空氣的介電常數(shù)比土顆粒的介電常數(shù)低很多,所以疏松土體的平均介電常數(shù)比遠(yuǎn)比正常土體低,因此雷達(dá)圖像呈現(xiàn)出雜亂無章的特征。

圖1 典型的土體疏松雷達(dá)測(cè)線剖面圖

2.3 土體脫空的雷達(dá)圖像分析

土體脫空區(qū)域內(nèi)部物質(zhì)主要由空氣或水組成,空氣和水的介電常數(shù)與土顆粒的介電常數(shù)相差較大,是探地雷達(dá)探測(cè)和識(shí)別土體脫空的基礎(chǔ)。同理于上述土體疏松的雷達(dá)圖像解釋,根據(jù)反射波組的、波形同相軸、振幅等顯著特征,可以在雷達(dá)測(cè)線剖面圖上進(jìn)行土體脫空的雷達(dá)圖像解釋。

圖2 為土體脫空典型的雷達(dá)測(cè)線剖面圖。分析表明：土體脫空區(qū)域(白色區(qū)域)與周圍正常土體的雷達(dá)圖像相比存在明顯差異,但不同于土體疏松的雷達(dá)測(cè)線剖面圖,土體脫空一個(gè)顯著特征是該區(qū)域頂端有一條異常的反射弧,這個(gè)反射弧也可以理解為脫空的土體與正常土體的上接觸面。此外,由于土體脫空區(qū)域的充填物質(zhì)和形狀較為復(fù)雜,所以土體脫空的反射波特征在雷達(dá)圖像上也常顯得雜亂無章,同相軸也不連續(xù),這點(diǎn)與土體疏松的雷達(dá)測(cè)線剖面圖是一致的。

圖2 典型的土體脫空雷達(dá)測(cè)線剖面圖

2.4 地下管線的雷達(dá)圖像分析

觀察圖3 可知,探地雷達(dá)探測(cè)地下管線的響應(yīng)特征為單支雙曲線(開口向下)。由于金屬管的相對(duì)介電常數(shù)較小、導(dǎo)電率強(qiáng),因此金屬管頂部反射會(huì)出現(xiàn)極性反轉(zhuǎn),會(huì)出現(xiàn)連續(xù)的管底反射。而pvc 管線相對(duì)介電常數(shù)與地層相對(duì)介電常數(shù)的差值小于金屬管線與地層間的相對(duì)介電常數(shù)差值,雙曲線清晰度和延伸度也會(huì)更弱。同時(shí),pvc 管線雙曲線更平緩,管底反射現(xiàn)象較弱。此外,隨著埋深變大,雙曲線的開口(即曲率)越來越大,反射波的反射強(qiáng)度越來越弱,反射弧能量衰減得更快,反射弧的形狀越來越不清晰。

進(jìn)一步分析可知：金屬管線由于材質(zhì)原因,在雷達(dá)圖像上表現(xiàn)為對(duì)電磁波的多次強(qiáng)反射,雷達(dá)波形圖中也會(huì)出現(xiàn)高振幅特征,其中第一個(gè)最大振幅位置為管線頂端。非金屬管線常為混凝土或無機(jī)高分子材料,其材質(zhì)介電常數(shù)小于金屬材質(zhì),所以不會(huì)出現(xiàn)多次反射,高振幅的振幅位置也出現(xiàn)在管線頂端,但幅度降低。由于土體與地下管線之間的介電常數(shù)差異比土體與空氣的大,所以地下管線反射弧的清晰度常常比土體脫空和疏松高,且反射弧下方的土體反射波形不會(huì)出現(xiàn)雜亂,因此,地下管線容易被識(shí)別。在測(cè)線0.5m 處出現(xiàn)了多次雙曲線反射,根據(jù)其清晰度可判斷其為一根較大管徑的鋼材質(zhì)管道,而在6.5m處,單次反射可辨別其為一根較大管徑的pvc 材質(zhì)管道。通過對(duì)比實(shí)際管線圖,可知管線的實(shí)際位置與雷達(dá)探測(cè)出的位置大致相符,表明LTD-2100 雷達(dá)設(shè)備在探測(cè)地下管線中具有較好的準(zhǔn)確度。

圖3 典型的地下管線雷達(dá)測(cè)線剖面圖

3 結(jié)論

3.1 土體疏松區(qū)域與周圍正常土體的雷達(dá)圖像相比,圖像中土體疏松區(qū)域的圖像特征為反射波形較多且雜亂無章,同相軸也呈現(xiàn)為不連續(xù)、明顯錯(cuò)位、畸變和缺失等特征。其原因?yàn)槭杷傻耐馏w具有孔隙率高和空洞多等特點(diǎn),孔隙中常充滿空氣或水,空氣的介電常數(shù)遠(yuǎn)比土顆粒的介電常數(shù)低。

3.2 土體脫空區(qū)域與周圍正常土體的雷達(dá)圖像相比存在明顯差異,但不同于土體疏松的雷達(dá)測(cè)線剖面圖,土體脫空一個(gè)顯著特征是該區(qū)域頂端有一條異常的反射弧,這個(gè)反射弧也可以理解為脫空的土體與正常土體的上接觸面。此外,由于土體脫空區(qū)域的充填物質(zhì)和形狀較為復(fù)雜,所以土體脫空的反射波特征在雷達(dá)圖像上也常顯得雜亂無章,同相軸也不連續(xù),這點(diǎn)與土體疏松的雷達(dá)測(cè)線剖面圖是一致的。

3.3 探地雷達(dá)探測(cè)地下管線的響應(yīng)特征為單支雙曲線(開口向下)。由于金屬管的相對(duì)介電常數(shù)較小、導(dǎo)電率強(qiáng),因此金屬管頂部反射會(huì)出現(xiàn)極性反轉(zhuǎn),大部分電磁波都不會(huì)穿過管線頂部,不會(huì)發(fā)生管底反射。pvc 管線相對(duì)介電常數(shù)與地層相對(duì)介電常數(shù)的差值小于金屬管線與地層間的,雙曲線清晰度和延伸度也會(huì)更弱。同時(shí),pvc 管線雙曲線更平緩,會(huì)有管底反射現(xiàn)象。