地质雷达在顶管施工前隐患排查中的应用

缪爱伟，孙世国，冯少杰，王佳，刘文波

(北方工业大学建筑工程学院，北京 100144)

地质雷达在顶管施工前隐患排查中的应用

缪爱伟∗，孙世国，冯少杰，王佳，刘文波

(北方工业大学建筑工程学院，北京 100144)

介绍了地质雷达的工作原理、探测方法、结果处理方法以及如何识别异常雷达图像，并将地质雷达应用到城市热力管施工前地质隐患排查中，结合工程资料，对探测结果进行了分析，得出探测结果表明地表地下2.6m～4.0 m深度范围内存在松散土层，地下存在管线，管道埋深约为2.8m，没有明显地下空洞等不良地质体，为下一步顶管施工的安全提供了有力的技术支撑，同时为类似工程的顶管施工前隐患排查提供了借鉴。

地质雷达；顶管施工；隐患排查

1 引 言

顶管施工[1]是近年来迅速发展起来的一种地下管道施工方法，该方法具有施工方便，对城区环境无污染，施工效率高等优点，因此该方法在一些管道施工中得到了较为普遍的应用。但是顶管施工地点往往是在城市地下，一方面地下可能存在错综复杂的管线，会对顶管施工造成一定的障碍，另一方面受地质条件、道路老化、地面荷载复杂以及地下管线渗漏等因素影响，可能使道路路基产生疏松、脱空、空洞等现象，而对于内部存在疏松，空洞等病害的土体，在施工扰动作用下，病害区域可能会进一步发展，从而可能引起施工安全隐患。因此，如何有效地排查不良隐患，保障顶管施工的安全具有重要的现实意义。

地质雷达作为一种新型无损检测设备，近年来已经在公路隧道质量检测、堤坝安全检测、地下管线检测、地下空洞探测、煤矿井探测等领域得到了较为广泛的应用[2]。相对于传统的物探方法(电法勘探等)，地质雷达受客观因素干扰要小得多，而且应用范围更广，精度更高。因此，将地质雷达应用到顶管施工前的隐患排查中，是解决此类疑难问题的有效手段。

2 地质雷达工作原理[2～3]

地质雷达(Groud Penentrating Radar，简称GPR)，是一种将高频率(1MHz～1GHz)电磁波以脉冲的形式发送到地下的新型探测方法。地质雷达结构(如图1所示)主要是由雷达控制系统、发射装置、接收装置以及计算机系统组成。发射装置包括发射控制器和发射天线，接收装置包括接收装置和接收天线。

图1 地质雷达结构

工作时，地质雷达发射的电磁波在地下介质传播过程中遇到电性变化的目标体，比如分界面、空洞、管线等发生反射，返回地面由接收天线进行接收，通过控制系统将数据传入计算机中，然后通过计算机进行相应的分析和处理。反射到地面的电磁波脉冲，其传播途径、电磁波强度与波形随通过介质的电性及几何形态而变化，因此可以根据所接收的雷达波波形，强度，电性及几何形态来得到地下不同介质的分布情况及介电常数变化面的位置等参数。

图2 地质雷达探测原理

如图2所示，地表接收天线收到的电磁波的行程时间为:

式中，z为地层底界面深度，△t为电磁波传播双程时间，c为电磁波在空气中的传播速度，v为电磁波在材料中的传播速度，εr为材料的相对介电常数。由于电磁波在同一介质上的速度是恒定的，因而可以根据地质雷达上所记录的时间△t得到目标体的深度。

由电磁波理论可知电磁波在地下介质中传播时主要受介质的相对介电常数和电导率的影响，当相邻两种介质的相对介电常数存在差异时，电磁波发生反射，反射波强度可以用反射系数ρ来表示:

这里ε1，ε2分别代表第一层介质和第二层介质。从上述表达式可以看出介质相对介电常数相差越大，发射波强度越大。反射系数ρ直接反映了介质的电性差异，因而可以利用不同介质的电性差异来识别地下介质或者目标体的特征信息。

地质雷达一直存在着探测深度与分辨率的取舍问题，如果探测深度越大，则分辨率越低，探测深度越浅，则分辨率越高。在实际工程中，许多工程技术人员根据工程经验来确定探测深度和分辨率的关系，并将其应用到实际工程中，取得了较好的结果[4]。

3 图形处理方法及结果分析

3.1 图形处理[5]

现场采集的地质雷达信号一方面受地下介质的影响，地下介质对波的不同程度的吸收使得脉冲达到接收天线时，波幅减小，因此波形与发射波有了一定的差异；另一方面受到外界因素不同程度干扰，既有环境的干扰，又有雷达采集中噪声的干扰，有用的信号往往很难识别。因此有必要对地质雷达资料进行一定的处理，以消除干扰突出有用信号，提高信噪比。地质雷达的资料处理过程如下:

(1)数据预编辑。数据预编辑包括数据合并，废道的剔除，侧线方向一致化，漂移处理，其主要目的是为了得到有用的数据，同时更有利于数据结果的比较。

(2)常规处理。由于数据中同时存在有效信号和干扰信号，需要去除干扰信号，基于有效信号和干扰信号的频谱不同的原则，可以利用数字滤波的方法去除其中的干扰信号。

(3)偏移处理。偏离测点的地下交界面的反射点，只要其法平面通过测点，都可以被记录下来，为了反映地下介质的真实位置，需要将这些偏移的测点移到原来的位置。处理技术通常有两种:一类是以射线为基础的偏移方法；另一种是波动方程偏移的方法。

(4)雷达图像的增强处理。建立在数据处理的基础上，对图像信息进行增强处理，改善图像质量以利于识别。一般通过振幅恢复，道内均衡，道间均衡来实现。

3.2 图形异常分析

顶管施工前的安全隐患主要包括地下管线、松散土层以及地下空洞等，在数据剖面图上表现为同相轴不连续，发生错位。根据雷达波得相位，频率与振幅以及图像形态来分析影响顶管施工的隐患，从而采取相应的治理措施。

(1)地下管线[6]

地下管线在地质雷达图像上所显示的异常图像在几何形态上为双曲线，金属管线或者电缆介电常数与周围土介质的介电常数差别较大，地下管线形成的反射波或绕射波能量强，而对于非金属管线由于介电常数与周围介质的介电常数差别较小，反射波较弱。同时地下管线在地质雷达上所显示的异常图像也会受到天线频率、管道尺寸、管道埋深的影响。

(2)松散土层[7～9]

土层松散会引起地层的变化，而地层的变化在雷达剖面图上为反射同相轴的变化，雷达剖面图上反射同相轴会发生错位，同时会出现平行的反射波，且呈凹陷状。

(3)地下空洞[7～9]

空洞分为含水空洞、不含水空洞。含水空洞中水的电介质很大，与周围介质相差较大，电磁波衰减小，反射能量大，异常表现为上部反射波较弱，下步异常形状为纵向条带，且反射波与入射波振幅方向相反。而不含水空洞主要是通过雷达反射相同轴的变化来判断，不含水空洞介电常数跟周围相差不大，因而反射波不是很明显，且反射波与入射波振幅方向相同。形成两者异常表现不一样的根本原因在于水和空气的介电常数的差异。

4 工程实例

4.1 地质概况

北京望京地区某医院采用顶管法进行热力管道施工，施工中需要穿越城市主干道，车道为单向车道，宽5 m，路面为沥青面层，厚度为16 cm，基层为土，砂。工作地点北京望京地区某医院前门大街南北车道，车道为单向车道，道路结构由面层，基层，路基组成，面层主要成分为沥青，基层为土，砂，石以及工业废渣等组成的混合材料，厚度为40 cm，路基为粘土层。表1为常见介质的物理常数。

常见介质的物理常数 表1

4.2 工作布置

在北京市望京地区铺设热力管道，顶管施工经过某医院前门街道南北车道，管径1 800 mm，要求热力管埋设地下约7 m深，施工前发现该南北车道东西两侧路面出现隆起破坏现象。为了确保顶管施工的顺利进行，排除施工前方地下安全隐患，首先在车道沿走向布设剖面，发现目标体引起的异常，然后再沿东西方向布设“十字”剖面进行探测，以确认异常的存在。总共布置侧线16条，沿车道走向为10条，间距为3 m，沿着垂直车道方向为6条，间距为2 m。

4.3 参数设置

本次所使用的地质雷达为美国GSSI公司生产的SIR-20型系统，探测深度为7 m，天线主频选择100 Hz，仪器参数:分辨率为5 ps，输出数据格式为8位，记录长度为180 ns，扫描样点数为512个，增益范围为-20dB～+100dB可调，扫描速率为64扫描/秒，滤波高通为25 MHz，低通为200 MHz。

4.4 探测结果分析

本次地质雷达采用的探测方法是反射剖面法。测量时让反射天线和接收天线以固定的距离沿侧线同步移动进行测量，测量的结果是地质雷达时间剖面图像，横坐标为天线在地表侧向上的位置，纵坐标为发射天线到反射物得双程走时，经过相应的处理后就得到目标体的埋深。

图3为侧线3所得到的地质雷达剖面图，从图中可以看出，在埋深为2.8 m处出现异常，存在着明显的反射弧，反射波同相轴不连续，向上弯曲，图形几何形状为双曲线，反射波能量强，且反射弧较大，因而可以判定在地下埋深约2.8 m处存在管道，直径约为20 cm。图4为测线7所得到的雷达图像，从图中可以看出在埋深2.4 m以下存在着多个反射弧，反射弧较小，呈抛物线，且反射弧能量越来越弱，可以判断地下埋深2.4 m左右范围内存在着电缆，反射弧能量越弱，电缆埋深越大。

图3 地下管道雷达图像

图4 地下电缆雷达图像

图5 为侧线12所得到的地质雷达剖面图，可以看出在地下埋深2.6 m～4.0 m范围内存在异常，出现了平行的反射波，回波能量大。结合扫描断面的位置以及反射异常的埋深位置可以认为，这种反射弧分布体现了该部地层存在松散土层。

经分析地质雷达探测结果与现场所提供的资料较为吻合，探测结果表明道路下方没有发现明显的空洞等不良地质体，但存在着松散土层，也会对顶管施工造成一定的安全隐患，因此应及时制定相应的防治措施，以确保顶管施工的顺利进行。另外地下管线会对顶管施工造成一定的影响，所以，在顶管施工中应给予足够的重视，并制定合理的施工方案。

图5 地下土层松散地质雷达图

5 结 论

通过对该顶管施工前的隐患探测，可以得出:

(1)找出了松散区域的范围，查明了地下管线和电缆的位置，为制定相关措施提供了依据，保障了顶管施工的安全。

(2)相比于传统的物探方法，地质雷达具有精度高，速度快，探测方便等优点，在顶管施工前隐患排查应用中极具发展潜力，但是电磁波的能量强度高低，目标体的规模大小等方面对地质雷达的探测结果有较大的影响，因此在探测前需要对地质雷达的应用条件进行正确的分析。

(3)若能配合其他探测方法如地震映像等，地质雷达应用效果会更好，另外利用综合物探方法进行联合反演分析能够提高探测精度，探测效果应该会更好。

[1] 余彬泉，陈传灿.顶管施工技术[M].北京：人民交通出版社，1988.

[2] 曾昭发，刘四新，王者江等.探地雷达方法原理及应用[M].北京：科学出版社，2006：207～237.

[3] 李大心.探测雷达方法与应用[M].北京：地质出版社，1994：27～63.

[4] 谭绍泉，刘泰生，徐金玺等.地质雷达技术在表层结构调查中的应用与研究[J].石油物探，2003，42(1)：59～62.

[5] 王兴泰.工程与环境物探新方法新技术[M].北京：地质出版社，1996.

[6] 张鸿升，王万顺，杨凤召等编.地下管线探测原理、方法[M].北京：中国矿业大学，1988.

[7] 岳崇旺，王祝文.利用探地雷法探测地下空洞[J].世界地质，2007，01：114～117.

[8] 宇宽，郭景力.地质雷达在城市道路地下空洞勘察中的应用[J].岩土工程界，2008：85～88.

[9] 葛志广.北京道路地下空洞探地雷达探测正演模拟研究[D].北京：中国地质大学，2010.

The Aplication of GPR in the Detecting Defent Before Jacking Pipeline Construction

Miao Aiwei，Sun Shiguo，Feng Shaojie，Wang Jia，Liu Wenbo
(Col.of Architectural Engineering，North China Univ.of Tech，100144，Beijing，China)

This paper briefly introduced operating principle of Ground Penentrating Radar，detectionmethod，method of dealing the results and how to identify abnormal radar images.And then GPR was applied to the construction of geological hazards investigation before jacking pipe construction in cities.Combined with engineering data，it analysis the detection results.The detection results showed that there existed loose soil layer in the underground with depth ranging from 2. 6m to 4.0m.Meanwhile there existed underground pipeline whose depth is 2.8m.And there was no obvious underground cavity.In a word，the detecting results supplied good technical support to next jacking pipe construction，meanwhile this engineering provided good preference for similar engineering.

GPR；pipeline work；detecting defens

1672-8262(2013)02-160-04

P631

A

2012—02—22

缪爱伟(1988—)，男，硕士研究生，研究方向:岩土工程。

国家自然科学基金项目(41172250)；“十二五”国家科技支撑计划项目(2012BAK09B06)；北京市创新人才基金项目(PHR201006118)