地質雷達技術在市政工程勘察中的應用研究

王延輝　李仁海　蘇鵬

摘要：由于市政工程的特點，常規的勘察手段有時會有局限性。地質雷達具有高效、無損、可靠、工作條件寬松等特點，在工程領域中的應用日趨廣泛。某市政工程地下通道進行巖土勘察，首先需要查明勘探孔位置處的地下管線分布情況，進而查明工程地質條件。常規的鉆探手段，現場暫不允許采取施工圍擋等措施。為了滿足工程的工期、質量要求，通過采用地質雷達技術，良好地解決了地下管線分布情況以及補充完善勘探孔之間的地質剖面，保證了工程的順利進行。實踐證明了地質雷達技術在市政工程中具有良好的應用效果和應用價值。

關鍵詞：市政；地質雷達；地下通道

引言

隨著一帶一路建設的不斷推進，西安成為重要的節點城市，使得近些年西安市政建設工程越來越多。如今，城市管道在城市中的密集鋪設，其所構造出的“地下世界”如同人體血脈一樣分布在城市中，向城市輸入水、電、天然氣、網絡等，還有當今地鐵快速發展的時代，如果沒有很好規劃地下管道布局，其后果十分嚴重。市政工程具有現場工作空間限制多、工作時間有限等特點，常規的勘察手段有時候具有局限性，不能保證工程質量、工期要求。除了常規的勘探手段，地質雷達技術在市政工程勘察具有經濟、快速、高效和對環境無破壞等優點，在市政勘察中具有重要的應用價值：（1）地質雷達探測方式是無損的，對道路不會產生破壞；（2）相對其他方法，它的探測速度更快。

1.地質雷達工作原理與方法

地質雷達探測技術是基于地下介質的電導率、介電常數等電性參數的差異，利用高頻電磁脈沖波的反射探測地下介質分布的一種物探手段。高頻電磁波在介質中傳播時，其路徑、電磁場強度和波形將隨所通過介質的電性特征及幾何形態而變化，故通過對時域波形的采集、處理和分析，可確定地下界面或目標體的空間位置及結構。地質雷達在探測過程中，它通過發射天線將高頻電磁波（10⁶～10⁹Hz）以寬頻帶脈沖形式定向送入地下，電磁波在地下介質中傳播的過程中，當遇到存在電性差異的地層或目標體時，便發生反射并返回地面，被接收天線所接收。若界面兩側介質的性質差異越大，則反射波越強，反射系數越大。電磁波從介電常數小的進入介電常數大的介質時，反射系數為負數，反射波振幅為反向。相反則為正數、同向。介質的存在狀態，是否導電對電磁波在介質中的傳播特性影響很大，這也是電磁自身物理性質決定的。根據接收到波的旅行時間、幅度與波形資料可推斷介質結構。地質雷達工作原理圖見圖1。

2.市政工程地質雷達影響因素分析

城市道路表面一般為瀝青鋪成的柏油路或混凝土構成的水泥路，其內部結構比較簡單，這是地質雷達工作的有利條件。因為道路鋪設一般可被認為是被人工均勻壓實的，因此在雷達效果圖上會呈現明顯的平直連續的波形。如果埋藏有管線及管道，則表現為強振幅較雜亂的波形或弧形反射波。地下管線處于地下，受到很大的壓力和潮濕環境的腐蝕，所以大部分的隱患是存在空洞不密實，這在地質雷達圖像上表現為強振幅較雜亂的波形或弧形反射波。

城市道路附近樓宇、燈桿、輸電線路等眾多干擾因素的影響，采集到的雷達圖像上，就會反應較多的干擾信息，對圖像分析結果產生影響。其中對地質雷達圖像產生干擾較大的主要是人行天橋以及高壓輸電線路。當地質雷達天線的測線方向與天橋橋向垂直時，在雷達圖像中形成較大的曲線波形，其頂部反射較強。產生這一圖像的原因為橋梁梁板底面會對雷達波產生繞射，如果橋梁底面較平而且較寬，圖像上顯示的反射波頂部就平而緩，如果底面不平，是T型梁或者是小箱梁，會產生與梁板數量相對應的波峰。

另一個干擾因素就是高壓輸電線路對圖像的影響，當雷達天線的測線方向與高壓電線輸電方向垂直時，干擾圖像呈曲線形，其頂點位于輸電線下方，對于超高壓電線，影響范圍至少有50m。該類干擾圖像與地下構造物反射極為相似，都是曲線型，進行雷達圖像識別時要多加注意，以免造成誤判。判斷該類干擾的方法主要是：（1）該類反射波形范圍更大，影響距離較遠；（2）在進行探測時，多注意附近是否有高壓線、燈桿等干擾源，并加以記錄，在分析圖像時加以區分。

3.應用實例

西安某地下通道工程，處于交通繁忙的道路上，車流人流量較大，地勢平坦，地層主要是黃土及黃土狀粉土，稍濕一濕。本次巖土勘察需要解決兩個問題：一要查明鉆探勘探孔下方的地下管線分布情況，以便避開地下管線。二是需要查明地層條件，需要在兩個已知勘探孔之間布置若干鉆孔，但是現場條件暫不允許采取施工圍擋等措施，故采用地質雷達技術補充勘探孔之間的地層剖面。

對于第一個問題，除了搜集相關單位提供的管線資料，還必須采取措施查明地下管線的確定分布情況，防止因勘探造成的管道泄漏事故。由于地下管線的埋深一般都小于3m，對分辨率要求高，因此我們采用250M高頻率地質雷達天線進行探測解決這個問題。

對于第二個問題，根據任務要求需要查明20m深度內的地層條件，除了考慮勘探深度還需要兼顧分辨率，綜合考慮采用50M的地質雷達天線。

（1）外業采集

由于現場有高壓線、車輛干擾，針對此干擾，后續資料處理采用濾波、偏移等方法減弱或者消除干擾波，增強信號比。

采用的儀器是瑞典MALA公司生產的RAMAC II型地質雷達。經過現場試驗，電磁波速經現場試驗選取0.1m/ns，考慮到工作任務，最終采用采集參數為：

①250M高頻屏蔽天線，采樣頻率2500MHz，時間窗口取35ns，測量輪速度0.1m/s，128次疊加。

②中心頻率為50MHzRTA的超強耦合非屏蔽天線，采樣頻率為400MHz，時間窗口取400ns，測點點距為0.2m，128次疊加。

（2）地下管線地質雷達探測成果

本次在3個鉆探勘探孔處進行查明地下管線分布情況。地質雷達解譯成果圖見圖2～圖4。圖中縱橫坐標軸分別表示探測雙程時間、深度和水平時間。根據波形的連續性、振幅強弱、相位等特征進行地質雷達解譯。

K6解譯成果：兩側雷達圖形連續性好，表明地層穩定連續，K6處沒有地下管線。在60s～310s水平范圍內，深度0.4m～1.2m內，可見連續性很差、振幅強的同相軸。兩者對比非常明顯，可以推斷是由于地下管線或管道影響造成的。現場在地面做出紅色標記，鉆探作業規避該地段。

K8解譯成果：雷達圖形整體連續性較好，表明地層較為穩定連續，K8處沒有地下管線。在水平時間960s左右，埋藏深度較淺約為0.2m，可見明顯的弧形、強振幅反射。可以推斷是由于測線垂直地下管線或管道引起的弧形反射。現場在地面做出紅色標記，鉆探作業規避該地段。

K9解譯成果：雷達圖形整體連續性較好，表明地層較為穩定連續，K9處沒有地下管線。在水平時間130s～160s范圍，深度0.6m～1.4m，可見較明顯的弧形、強振幅反射。可以推斷是由于測線垂直地下管線或管道引起的弧形反射。現場在地面做出紅色標記，鉆探作業規避該地段。

（3）地層剖面地質雷達探測成果

為了補充完善兩個已知勘探孔之間的資料空白區域，本次工作主要做了兩條地質雷達剖面，一條剖面垂直穿過道路主干道，一條剖面順著道路東側的人行橫道。地質雷達解譯成果圖見圖5-圖6。圖中縱橫坐標軸分別表示探測雙程時間、深度和水平距離。根據波形的連續性、振幅強弱、相位等特征進行地質雷達解譯。

圖5解譯成果：第一層雷達圖像反映為一組連續性好、強振幅的同相軸，表明是路基及填土層，層底深度約2.0m。第二層雷達圖像反映為一組連續性較好、振幅較強的同相軸，跟第一層比較起來，波形的連續性和振幅強度都有減弱，推斷為稍濕的黃土層，隨著密實度的增強，介電性質差異減弱，在6.0m左右振幅進一步減弱。圖中還有兩處途經高壓線電線桿，可見明顯的強振幅、弧形反射波干擾。

圖6解譯成果：第一層雷達圖像反映為一組連續性好、強振幅的同相軸，表明是路基及填土層，層底深度約2.5m。第二層雷達圖像反映為一組連續性較好、振幅較強的同相軸，跟第一層比較起來，波形的連續性和振幅強度都有減弱，推斷為稍濕的黃土層。隨著密實度的增強，介電性質差異減弱，在6.0m左右振幅進一步減弱。圖中還有一處途經下水道，可見明顯的低頻強振幅下水道干擾波反映。

結語

物探作為一種高精尖技術，具有工作成本低、工作效率高等特點，且多為無損勘查，尤其適用于傳統手段外業進場難、工期要求緊急的市政工程。科學合理地采用物探新方法新技術可以優化勘察設計方案，提升勘察設計水平，節約勘察設計成本，具有很大的經濟效益和社會效益。另外，由于市政工程的干擾源較多，如何壓制干擾波，突出有效波，需要在數據處理方面重點分析研究。在探測過程中要及時觀察雷達圖像，對出現的異常圖像，要及時觀察附近環境情況，對雷達圖像進行綜合分析，排除影響因素，正確解析雷達采集到的圖像。