地質雷達在城市雨污分流頂管施工中的應用

韓可林 安子玥 盛松濤 楊維婷 王新衛(wèi)

摘 ?要：分析現(xiàn)行主要地質超前預報技術的優(yōu)缺點和地質雷達探測原理。以某市雨污分流改造工程為背景，介紹RIS-K2型地質雷達測試儀對掌子面前方地質情況進行探測的方法步驟。分析復雜地質區(qū)頂管施工地質條件與相應雷達圖像的關聯(lián)關系，對復雜地質區(qū)情況進行預報，并針對具體地質情況為頂管安全施工提出相應解決辦法。

關鍵詞：頂管施工；超前預報；地質雷達；雷達數(shù)據(jù)分析；雨污分流

中圖分類號：TU992.05 ? ? ?文獻標志碼：A ? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2024）18-0177-04

Abstract： The advantages and disadvantages of the current main geological advanced prediction techniques and the detection principle of GPR are analyzed. Taking the rain and pollution diversion reconstruction project of a city as the background， this paper introduces the methods and steps of RIS-K2 ground penetrating radar tester to detect the geological conditions in front of the palm face. This paper analyzes the correlation between the geological conditions of pipe jacking construction in complex geological areas and the corresponding radar images， forecasts the situation of complex geological areas， and puts forward corresponding solutions for safe pipe jacking construction according to the specific geological conditions.

Keywords： pipe jacking construction; advance prediction; ground penetrating radar; radar data analysis; rain and pollution diversion

在老舊城區(qū)排水系統(tǒng)升級改造中，雨污分流便于雨水收集利用和集中管理排放，降低水量對污水處理廠的沖擊，保證污水處理廠的處理效率。由于老舊城區(qū)地下排水管道施工涉及城市的方方面面，應針對雨水分流進行合理的施工管理，進而充分發(fā)揮雨污分流工程改建性能，有效改善城市水環(huán)境[1]。在城鎮(zhèn)地下排水管道修建時采用頂管施工技術，能夠穿越公路、地面建筑物、地下構筑物以及各種地下管線等[2]。但在頂管頂進的過程中，前方不明確的地質情況會對安全施工造成一定的威脅，超前地質預報可以為頂管施工參數(shù)的合理確定提供依據(jù)，從而避免出現(xiàn)頂偏、塌陷等質量安全問題。

1 ?地質預報技術分析

目前地質預報技術有TSP地震波法、超前鉆探法、瑞雷波和地質雷達法等。各種地質預報技術對比見表1。

可見，地質雷達法進行地質預報具有非破壞性、抗電磁干擾能力強、具有較滿意的探測深度和分辨率等優(yōu)點，采用便攜微機控制數(shù)字采集、記錄、存儲和處理[4]。因此，地質雷達法進行超前地質預報優(yōu)勢較明顯。

2 ?地質雷達探測原理

電磁波在介質中傳播時，根據(jù)接收到波的傳播時間、幅度與波形資料可推斷介質結構[5]。地質雷達法超前地質預報的實現(xiàn)過程為：由發(fā)射天線將高頻電磁脈沖波送入掌子面前方巖土體，當高頻電磁脈沖波在傳播過程中遇到不同目標體（斷層、空洞等）的電性介面時，部分反射回來的電磁波被接收器所接收、記錄，并獲取電磁波從發(fā)射到反射回來被接收所用的時間。當電磁波在介質中的傳播速度已知時，即可確定目標體的位置[6]，其原理如圖1所示。

地質雷達常采用剖面法（收發(fā)天線等距移動）進行測量，收發(fā)天線之間的距離與探測目標深度相比數(shù)量較小，故假設雷達波垂直入射（收發(fā)天線間距為0），則雷達波探測目標地質缺陷體的埋深為

3 ?工程實例分析

3.1 ?工程概況

某市城鎮(zhèn)生活污水處理提質增效工程內容包括：現(xiàn)狀截流總管改遷、雨污混接改造及污水管網(wǎng)建設。新建污水管網(wǎng)約14.7 km、雨水管網(wǎng)約1.2 km，并對流域內雨污管網(wǎng)進行清淤及缺陷修復，工程布局如圖2所示。采用RIS-K2地質雷達進行連續(xù)掃描測量，對復雜地質區(qū)頂管施工進行超前預報，并提出相應的解決方案。

3.2 ?地質雷達探測處理過程

本次對頂管施工進行超前地質預報采用地質雷達法，使用意大利IDS公司生產(chǎn)的RIS-K2高精度探地雷達。該雷達具有信號穩(wěn)定、分辨率高、軟件功能強大、輕質便攜及能適應惡劣的環(huán)境等優(yōu)點[6]。RIS-K2雷達系統(tǒng)包括主機、天線和控制處理軟件等（圖3），具有極高的發(fā)射速率和掃描速度，頻率從25～2 500 MHz。

本工程測線布設采用平行測線法，在選定測段上，地質雷達沿平行測線來回探測，一條測線探測4次，以減少數(shù)據(jù)采集過程中產(chǎn)生的誤差。現(xiàn)場測線布置如圖4所示。

地質雷達數(shù)據(jù)處理是雷達數(shù)據(jù)分析的重要環(huán)節(jié)。使用GRESWIN2軟件對RIS探地雷達系統(tǒng)獲得的雷達數(shù)據(jù)進行處理，步驟如下。

1）使用Move start time 菜單模塊去除直達波，使雷達圖的深度值與探測物體的深度值相一致。

2）使用Background removal 菜單模塊進行背景消除，使用Clear-X濾波算子，去除水平背景噪聲和振鈴效應所造成的干擾。

3）使用Vertical bandpass filter（TD） 菜單模塊進行時域垂直帶通濾波。

4）使用Linear gain菜單模塊進行線性增益。

處理后正常無地質缺陷區(qū)域地質雷達剖面圖如圖5所示。

處理后典型異常區(qū)域地質雷達剖面如圖6所示。

3.3 ?地質雷達超前預報結果分析

本工程頂管埋深為地下11 m左右，為使探測分析更精確，地質雷達數(shù)據(jù)分析軟件GRESWIN2設置顯示深度為20 m，選取3個典型測段的地質雷達數(shù)據(jù)進行處理與分析。測段一經(jīng)處理后的雷達數(shù)據(jù)如圖7所示，圖中黑框內為45°傾斜節(jié)理，左邊黑框范圍在水平10～35 m、深度7.5～15.5 m內，右邊黑框范圍在水平40～60 m、深度8～14 m內。白框內為含水層，范圍在水平0～30 m、深度0～12 m內，疏松、緊密土層相夾，疏松土層含水量豐富。

測段二經(jīng)處理后的雷達數(shù)據(jù)如圖8所示，圖中黑框為60°傾斜節(jié)理，范圍水平20～45 m、深度5.5～14.0 m內。其余土層均勻。

測段三經(jīng)處理后的雷達數(shù)據(jù)如圖9所示，圖中黑框內為探溝，在水平18 m處，作用是探明施工區(qū)域內地下管線的埋設情況。白框為含水層，范圍在深度7.5 m以內，含水量豐富。

4 ?結束語

頂管施工頂進過程中，掌子面處難免會遇到傾斜節(jié)理、含水層、砂卵石等復雜地質情況。對通過地質雷達超前預報所發(fā)現(xiàn)的地質異常部位必須采取相應保護措施，以避免出現(xiàn)頂管抱死、頂偏等施工事故。

圍巖存在節(jié)理面會削弱其穩(wěn)定性，在頂管施工擾動時節(jié)理面可能會產(chǎn)生較大位移，還可能導致圍巖產(chǎn)生偏壓現(xiàn)象。當節(jié)理傾角為45°時，圍巖不易失穩(wěn)，地表沉降值最小[8]；本工程節(jié)理傾角為60°時容易失穩(wěn)，相應地表沉降值最大。在節(jié)理傾角為60°處，應采取相應的支護方案進行加固，施工時對該處巖體部位進行加強注漿控制。

針對頂管局部地層處含水量豐富的情況，可以考慮在頂管管口設置三道橡膠止水，保證管口止水效果，降低管口涌水、涌砂、突泥風險。還應考慮頂管內排水設備的配備，做好強排設施設備投入的應急準備[9]。

本文提到的地質預報技術對地面建筑復雜處適應性不強，且采取單一的地質預報技術容易出現(xiàn)預報不全的問題，可以考慮采用綜合地質預報技術相互驗證，以保證預測結果的準確性。

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