地質(zhì)雷達探測地鐵沿線未知涵洞的研究與應(yīng)用

　　摘要:以某在建工程線路經(jīng)過老城區(qū)主干道的地質(zhì)與環(huán)境調(diào)查為研究對象采用地質(zhì)雷達探測方法在路面合理布設(shè)探測剖面和觀測系統(tǒng)通過對采集的地質(zhì)雷達記錄進行有效處理和地質(zhì)雷達圖像的分析研究如何在地鐵隧道勘察中根據(jù)場地條件和探測的目標物綜合識別未知涵洞.研究結(jié)果表明:通過設(shè)計縱橫跟蹤布設(shè)地質(zhì)雷達探測剖面選擇恰當(dāng)?shù)馁Y料處理參數(shù)和模塊能夠有效探測未知涵洞的具體位置和規(guī)模為工程設(shè)計與施工提供合理建議降低施工風(fēng)險.

　　本文源自福州大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)《福州大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版》(雙月刊)曾用刊名：福州大學(xué)學(xué)報，1961年創(chuàng)刊，主要刊載數(shù)學(xué)、物理、電氣、信息科學(xué)與技術(shù)、自動控制、機械、材料、土木建筑、化學(xué)化工、生物、輕工、資源、環(huán)保等學(xué)科的最新研究成果。堅持為社會主義服務(wù)的方向，堅持以馬克思列寧主義、毛澤東思想和鄧小平理論為指導(dǎo)，貫徹“百花齊放、百家爭鳴”和“古為今用、洋為中用”的方針，堅持實事求是、理論與實際相結(jié)合的嚴謹學(xué)風(fēng)，傳播先進的科學(xué)文化知識，弘揚民族優(yōu)秀科學(xué)文化，促進國際科學(xué)文化交流，探索防災(zāi)科技教育、教學(xué)及管理諸方面的規(guī)律，活躍教學(xué)與科研的學(xué)術(shù)風(fēng)氣，為教學(xué)與科研服務(wù)。

　　關(guān)鍵詞:地下工程地鐵勘察地質(zhì)雷達涵洞探測

　　0引言

　　隨著我國城市化速度加快素有城市生命線之稱的城市軌道已成為現(xiàn)代交通建設(shè)的主要方向之一而在工程建設(shè)中各種復(fù)雜的地質(zhì)條件嚴重阻礙了其發(fā)展進程.因此為確保擬建工程順利進行在施工前查明施工范圍及周邊地下隱蔽工程和地下異常地質(zhì)體的位置并及時對其進行處理具有重要意義.

　　近年來各類工程已將地質(zhì)雷達探測技術(shù)作為前期勘察的重要物探手段并有眾多學(xué)者對其探測效果進行研究.Singh等[1]將地質(zhì)雷達特征與鉆孔數(shù)據(jù)聯(lián)系起來利用其相關(guān)性來查明旁路隧道施工的真實地層條件國內(nèi)外眾多學(xué)者[2-9]用地質(zhì)雷達探測技術(shù)對地下未知目標物進行探測并取得大量的研究成果對工程建設(shè)做出巨大貢獻張崇民等[10]將探地雷達技術(shù)運用于隧道超前探測中并提出全波形反演的解譯方法王署強等[11]詳細研究了TSP技術(shù)預(yù)報的準確性并提出精確的預(yù)報方法劉宗輝等[12]在總結(jié)大量工程實例的基礎(chǔ)上得出典型巖溶不良地質(zhì)類型與雷達屬性參數(shù)具有很好的相關(guān)性從而可以較好地區(qū)分巖溶地質(zhì)類型在很大程度上提高探地雷達對目標物的識別精度.

　　綜上所述目前對地質(zhì)雷達的研究一方面是將地質(zhì)雷達探測技術(shù)進行常規(guī)的應(yīng)用以初步實現(xiàn)劃分地層、揭示地下不良地質(zhì)體位置的目的另一方面是在對地質(zhì)雷達的解譯提出新方法.但針對于地質(zhì)雷達探測技術(shù)本身存在多解性問題一直影響著該技術(shù)在實際工程中的廣泛應(yīng)用[13]因此怎樣結(jié)合前期地質(zhì)資料設(shè)計出合理的測線布設(shè)方案以提高分辨率方面的研究仍有待進一步深入.本文側(cè)重分析根據(jù)場地條件和探測的目標物選擇縱橫跟蹤剖面和觀測系統(tǒng)在設(shè)計的基礎(chǔ)上采集地質(zhì)雷達記錄并在資料處理時選擇有效的處理模塊和參數(shù)從而得到最佳的地質(zhì)雷達剖面以實現(xiàn)綜合識別目標物的目的.

　　1地質(zhì)雷達探測基本原理及特征參數(shù)

　　1.1基本原理

　　地質(zhì)雷達探測技術(shù)是利用高頻電磁波在地下電性界面的反射以探測有關(guān)目標物的一種物探方法[14].地質(zhì)雷達的發(fā)射和接收天線緊貼地面由發(fā)射機發(fā)射的短脈沖電磁波經(jīng)發(fā)射天線輻射傳入大地電磁波在地下傳播過程中遇到介質(zhì)的分界面后便被反射或折射反射回地面后被接收天線接收到回波回波信號因傳播路徑、電磁場強度及波形在傳播過程中介質(zhì)的電性差異及幾何形態(tài)的不同而發(fā)生變化通過雷達主機精確記錄回波信號的運動特征便可獲得地下介質(zhì)的斷面掃描圖像[15].根據(jù)掃描圖的波形及反射波的強度特征可追蹤圖像中同相軸等灰度線或等色線結(jié)合其他勘探資料即可識別地下目標物.其探測原理如圖1所示.

　　電磁波的反射信號強度主要取決于上下層介質(zhì)的電性差異差異越大反射信號越強[16].雷達波穿透深度與地下介質(zhì)電導(dǎo)率和中心頻率相關(guān)即電導(dǎo)率越高穿透深度越小中心頻率越低穿透深度越大.

　　1.2特征參數(shù)

　　電磁波的傳播特性取決于介質(zhì)的電性參數(shù)[17]介質(zhì)的電性參數(shù)主要有電導(dǎo)率和介電常數(shù)前者主要影響電磁波的穿透(探測)深度在電導(dǎo)率適中的情況下后者決定電磁波在該物體中的傳播速度.不同的地質(zhì)體(物體)具有不同的電性參數(shù)因此在不同電性地質(zhì)體的分界面上都會產(chǎn)生回波.地質(zhì)雷達基本參數(shù)包括如下兩個參數(shù).

　　1)脈沖電磁波往返需時t=4z2+x2vv=cεrμr≈cεr(1)式中:x為發(fā)射、接收天線的距離z為電磁波遇到反射界面的深度v為電磁波在介質(zhì)中的傳播速度c為光速μr為介質(zhì)的相對磁導(dǎo)率一般情況下μr≈1εr為地下巖層的相對介電常數(shù).

　　2)電磁波的反射系數(shù).電磁波在分界面上的反射系數(shù)主要與介電常數(shù)有關(guān)在兩層介質(zhì)的分界面上當(dāng)介質(zhì)的介電常數(shù)存在差異時才會發(fā)生反射分界面兩側(cè)的介電常數(shù)差異越大反射能量越強[18]圖2為雷達波反射的工作示意圖.垂直發(fā)射點和接收點沿地面位置改變時所得到的波形圖由于入射波抵達反射界面時兩種不同介質(zhì)界面的反射系數(shù)不同所以表征各界面存在的反射波幅度也不一樣[19].對于垂直入射的情況其反射系數(shù)的模型用下式表示.

　　2應(yīng)用實例

　　2.1工程概況

　　本研究對象為東南某沿海城市的地下軌道交通工程場地主要屬于沖、淤積區(qū)地貌類型總體以山前沖積平原地貌為主部分場地為剝蝕殘山地貌.沿線場地總體地勢起伏不大除局部山體高程主要在5~13m之間.地表水體主要為烏龍江及市區(qū)內(nèi)河水系地下上層滯水埋深一般在1.0~2.0m之間沿線場地自上而下分布的地層主要有:填土、粉質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)土、殘積土、中砂、卵石、花崗巖等典型地層.

　　該軌道交通路線主要呈東西走向沿線多為市區(qū)主干道、住宅、寫字樓、商店、橋梁等.前期勘查重點是探查軌道交通建設(shè)范圍內(nèi)的不良地質(zhì)體包括地下基礎(chǔ)(樁基、地下室等)、地下空洞、管線、涵洞等.由于研究區(qū)段位于交通主干線來往車輛眾多因此需要選擇具有效率高、精度高且對路面和環(huán)境影響小的探測方法經(jīng)過對多種物探方法的實用性進行分析后選用地質(zhì)雷達物探方法進行探測.

　　2.2采樣參數(shù)的選取及測線布置

　　本次地質(zhì)雷達探測儀器選用瑞典MALA地球科學(xué)公司生產(chǎn)的RAMACX3M型探地雷達.探測時測線使用發(fā)射頻率為100MHz的屏蔽天線采樣頻率為1099Hz采樣時間為400ns道間距為10cm以連續(xù)方式進行數(shù)據(jù)采集.

　　此次探測主要是為了查明地下即將開挖區(qū)域是否存在不良地質(zhì)體及其分布情況經(jīng)現(xiàn)場勘查發(fā)現(xiàn)地鐵施工區(qū)域內(nèi)可能存在雙孔箱涵過水通道.為更好地進行天線選擇、數(shù)據(jù)處理和解釋工作更精確地探測地下涵洞分布情況需要根據(jù)場地條件確定地質(zhì)雷達工作時的物理參數(shù)具體包括:電磁波在介質(zhì)中的傳播速度、電磁波的反射系數(shù)、介質(zhì)密度等.涵洞中的內(nèi)容物一般為空氣、水、砂和淤泥等且內(nèi)容物的上層幾乎為空氣和水.表1為主要介質(zhì)物性參數(shù)統(tǒng)計表由表1可知空氣的相對介電常數(shù)最小為1水的相對介電常數(shù)最大為81由于內(nèi)容物的介電常數(shù)指標與混凝土差異很大即應(yīng)用地質(zhì)雷達探測涵洞邊界的方法可行.

　　結(jié)合現(xiàn)場實際工程地質(zhì)條件設(shè)計探地雷達剖面首要考慮沿軌道走向布設(shè).根據(jù)已出露涵洞位置位于工程建設(shè)范圍內(nèi)北東方向在確定該涵洞具體分布范圍時采用橫向探測與縱向探測相結(jié)合的方式來增大探測密度并遵循橫向探測剖面盡量與涵洞走向垂直或與走向大角度相交的原則使涵洞斷面與測線相交面積最大.圖3為涵洞探測的剖面布置圖此次探測分三組共9個剖面進行布設(shè)其中第一組為剖面1-1′~3-3′用以探測涵洞的入口位置及規(guī)模第二組為剖面4-4′~7-7′用以探測涵洞的發(fā)展情況第三組為剖面8-8′~9-9′用以探測涵洞的出口位置.

　　2.3處理模塊及參數(shù)選擇

　　地質(zhì)雷達數(shù)據(jù)處理的目的是對各種干擾信號進行壓制最大化凸顯有用信號以便從地質(zhì)雷達圖像中把目標物的真實情況盡量具體、準確、明顯地解釋出來.本文采用REFLEXW地質(zhì)雷達處理軟件中的2D數(shù)據(jù)分析模塊根據(jù)如圖4所示處理流程對地質(zhì)雷達所采集的記錄圖像進行處理.在對信號進行濾波處理過程中不同的濾波參數(shù)會影響濾波效果因此濾波參數(shù)的選取與雷達剖面圖像的最終處理結(jié)果直接相關(guān).本文在對時間域進行一維濾波去直流漂移處理時開始濾波時間取總時窗的2/3結(jié)束時間可取總時窗時間增益調(diào)節(jié)過程選取能量衰減模式較自動增益調(diào)節(jié)模式更為合理[20]在進行二維濾波處理時可選擇抽取平均道或背景消除兩種方式本文選擇常用的巴特沃斯帶通濾波器以頻率域算法進行一維濾波處理其頻率域須包括有效頻率信號范圍并去除無用的高頻信號.

　　2.4探測成果綜合解釋

　　圖5為剖面1-1′附近的鉆孔柱狀圖結(jié)合涵洞露頭處的結(jié)構(gòu)特征及典型鉆孔柱狀圖可直觀判斷出路基填土加固處理深度約為4m雙孔箱涵寬約5.0m、高約2.0m.在對剖面的雷達記錄進行增益、濾波等一系列處理后得到最終的雷達成果圖像由剖面1-1′段的成果圖可建立各目標物的典型特征圖像通過對特征圖像的時間剖面、波形及振幅的變化規(guī)律進行追蹤從而實現(xiàn)綜合識別地下目標物的目的.

　　經(jīng)現(xiàn)場勘查發(fā)現(xiàn)涵洞露頭位置布置與涵洞露頭走向相垂直的剖面1-1′確定其大致走向及規(guī)模選取一個與初始剖面1-1′近乎平行的剖面2-2′以確定涵洞的延伸方向考慮到涵洞分布的方位及規(guī)模可能發(fā)生改變因此布設(shè)與剖面2-2′相垂直的剖面3-3′驗證涵洞走向.地質(zhì)雷達成果圖如圖6~8所示.

　　由圖6可知點位0~1.4m、6.6~8.2m區(qū)間深度0~4.0m范圍內(nèi)同相軸基本呈水平分布、連續(xù)性較好、波組關(guān)系較穩(wěn)定振幅中強頻率中等.結(jié)合場地工程地質(zhì)條件和地物情況調(diào)查分析認為:點位0~1.4m、6.6~8.2m區(qū)間深度0~3.6m范圍的路基巖土體較為密實判定其經(jīng)過加固處理.點位1.4~6.6m區(qū)間同相軸分布與兩側(cè)同相軸明顯不同振幅、頻率也發(fā)生改變.根據(jù)振幅、連續(xù)性變化大致可將1-1′剖面分成以下幾個區(qū)域:點位1.4~1.8m、6.0~6.5m區(qū)間深度0.2~2.5m范圍同相軸波組關(guān)系較穩(wěn)定、呈弧形分布振幅中強、頻率較低點位1.8~3.8m、4.2~6.2m區(qū)間深度1.0~2.5m范圍同相軸波組關(guān)系較穩(wěn)定、連續(xù)性較好、呈水平連續(xù)分布振幅極強、頻率較低多次波明顯點位1.4~6.8m區(qū)間深度2.5~3.6m范圍振幅較強、頻率較低同相軸連續(xù)性較差.結(jié)合場地工程地質(zhì)條件和地物情況調(diào)查分析認為:點位1.4~1.8m、6.0~6.5m深度0.2~2.5m范圍為該雙孔箱涵的邊墻點位1.8~3.8m、4.2~6.2m區(qū)間深度1.0~2.5m范圍為雙孔箱涵過水通道點位1.4~6.8m區(qū)間深度2.5~3.6m范圍為雙孔箱涵的基礎(chǔ).

　　如圖7所示結(jié)合同相軸的分布情況、波組關(guān)系、振幅及頻率等參數(shù)可分析認為:點位7.5~16.5m區(qū)間深度0.3~2.8m范圍為雙孔箱涵點位7.0~16.8m區(qū)間深度2.8~4.0m范圍為雙孔箱涵的基礎(chǔ)點位15.0m深度1.8m處同相軸呈弧形分布且存在明顯多次反射波初步判定此處有塑料排水管通入該箱涵.在剖面3-3′的地質(zhì)雷達成果圖中(圖8)點位0.3~0.8、5.6~6.0m區(qū)間深度0.5~2.8m范圍為該雙孔箱涵的邊墻點位0~6.4m區(qū)間深度2.6~3.8m范圍為雙孔箱涵的基礎(chǔ)點位6.4~14.0m區(qū)間深度0~4.0m范圍內(nèi)經(jīng)過加固處理.由于涵洞內(nèi)存在城市排水帶來的多年松散沉積物且涵洞基礎(chǔ)下部有含水率較高、密實度較差的淤泥質(zhì)土導(dǎo)致在地質(zhì)雷達剖面上顯現(xiàn)出同相軸較雜亂、連續(xù)性較差但反射能量較強的特征.路基加固處理區(qū)下部土體較密實且含水率相對較低因此同相軸連續(xù)性較好波組關(guān)系較穩(wěn)定.

　　綜合分析以上成果可以認為在1-1′~3-3′的雷達剖面中所顯示地下箱涵的橫向分布范圍由5m變化為9.5m再變化約為5m.對比剖面1-1′與3-3′解譯成果箱涵在雷達剖面圖中分布范圍大致相同則表明該兩個剖面與涵洞走向相垂直結(jié)合剖面2-2′的成果圖可知涵洞走向在此處發(fā)生改變最終通過剖面2-2′的方位及現(xiàn)場工程地質(zhì)狀況確定工程區(qū)域內(nèi)涵洞露頭的分布范圍.

　　為分析涵洞的延伸方向仍采用縱橫跟蹤的設(shè)計方案進行剖面布設(shè):剖面4-4′垂直于道路布設(shè)剖面5-5′~7-7′沿道路兩側(cè)進行布設(shè)選取4-4′、7-7′兩個典型的地質(zhì)雷達剖面圖進行分析.根據(jù)探測范圍內(nèi)振幅強弱頻率變化同相軸的連續(xù)性及分布情況可以基本確定路基加固處理區(qū)域及雙孔箱涵的分布范圍解譯結(jié)果如圖9所示.據(jù)此可以判定WT2雙孔涵洞沿剖面7-7′延伸其寬度不變大致為5m.從剖面7-7′的探測成果圖中可以看出路基加固處理區(qū)下部多次波反射現(xiàn)象明顯且在測線長度為32m處同相軸發(fā)生錯斷現(xiàn)象.可推測在該斷面處路基加固處理區(qū)下部土體性質(zhì)發(fā)生改變在32m斷面右側(cè)土體夯實效果較差且含水率較高導(dǎo)致該區(qū)域內(nèi)多次波明顯、反射能量較強.

　　為判定WT2涵洞的出口位置采用試測法進行多次剖面布設(shè)并采集地質(zhì)雷達剖面圖經(jīng)過解譯分析最終以剖面8-8′、9-9′所得成果圖以確定涵洞出口位置及其分布范圍(圖10).對剖面8-8′、9-9′的地質(zhì)雷達成果圖的解譯分析可知剖面8-8′所確定的箱涵寬度為5.0m.剖面9-9′所確定的箱涵寬度為2.5m較其他剖面所確定的涵洞寬度減小一半故判定剖面9-9′所確定的涵洞應(yīng)該為雙孔涵洞的一支并且從剖面9-9′的布設(shè)位置可以看出該支單孔涵洞離開道路發(fā)生偏轉(zhuǎn)并向路旁區(qū)域延伸.

　　2.5探測成果總結(jié)

　　經(jīng)過上述對各剖面的地質(zhì)雷達成果圖進行解譯分析可得出如下結(jié)論:WT2涵洞(雙孔箱涵)寬約5.0m高約2.3m箱涵底板埋深約2.8m箱涵下基礎(chǔ)寬約5.5m高約1.2m基礎(chǔ)底埋深約4.0m箱涵兩側(cè)邊墻寬約0.4m.

　　從東鶴路右側(cè)發(fā)現(xiàn)該涵洞入口起涵洞右拐進入主干道并斜向延伸到中線并與路中線平行延伸約230m進入東鶴路左道然后離開道路向路旁區(qū)域延伸至其中一個涵洞出口.該涵洞出口為單孔箱涵另一涵洞出口可能在道路右側(cè)未布測線的區(qū)域具體位置未知.雙孔箱涵分布區(qū)域內(nèi)未發(fā)現(xiàn)其它特殊障礙物涵洞地質(zhì)雷達探測成果如圖11所示.

　　3結(jié)語

　　1)地質(zhì)雷達作為一種無損檢測方法在場地探測中具有設(shè)備便攜、探測速度快、剖面連續(xù)等技術(shù)優(yōu)勢在工程前期大范圍場地勘查中利于推廣.

　　2)地質(zhì)雷達探測線路的剖面布設(shè)應(yīng)建立在前期異常點勘查成果的基礎(chǔ)上采用橫向與縱向聯(lián)合布置剖面的方法對異常區(qū)域進行著重加密并對異常部位進行比較分析是判別不良地質(zhì)體分布范圍的關(guān)鍵.

　　3)結(jié)合現(xiàn)場工程地質(zhì)特征對地質(zhì)雷達圖像中涵洞分布范圍與剖面布設(shè)的走向?qū)Ρ确治鼋Y(jié)果表明利用地質(zhì)雷達探測方法確定箱涵的分布范圍是可行的方法合理、效果理想可為日后類似工程提供參考依據(jù).