地质雷达技术在市政工程勘察中的应用研究

王延辉　李仁海　苏鹏

摘要：由于市政工程的特点，常规的勘察手段有时会有局限性。地质雷达具有高效、无损、可靠、工作条件宽松等特点，在工程领域中的应用日趋广泛。某市政工程地下通道进行岩土勘察，首先需要查明勘探孔位置处的地下管线分布情况，进而查明工程地质条件。常规的钻探手段，现场暂不允许采取施工围挡等措施。为了满足工程的工期、质量要求，通过采用地质雷达技术，良好地解决了地下管线分布情况以及补充完善勘探孔之间的地质剖面，保证了工程的顺利进行。实践证明了地质雷达技术在市政工程中具有良好的应用效果和应用价值。

关键词：市政；地质雷达；地下通道

引言

随着一带一路建设的不断推进，西安成为重要的节点城市，使得近些年西安市政建设工程越来越多。如今，城市管道在城市中的密集铺设，其所构造出的“地下世界”如同人体血脉一样分布在城市中，向城市输入水、电、天然气、网络等，还有当今地铁快速发展的时代，如果没有很好规划地下管道布局，其后果十分严重。市政工程具有现场工作空间限制多、工作时间有限等特点，常规的勘察手段有时候具有局限性，不能保证工程质量、工期要求。除了常规的勘探手段，地质雷达技术在市政工程勘察具有经济、快速、高效和对环境无破坏等优点，在市政勘察中具有重要的应用价值：（1）地质雷达探测方式是无损的，对道路不会产生破坏；（2）相对其他方法，它的探测速度更快。

1.地质雷达工作原理与方法

地质雷达探测技术是基于地下介质的电导率、介电常数等电性参数的差异，利用高频电磁脉冲波的反射探测地下介质分布的一种物探手段。高频电磁波在介质中传播时，其路径、电磁场强度和波形将随所通过介质的电性特征及几何形态而变化，故通过对时域波形的采集、处理和分析，可确定地下界面或目标体的空间位置及结构。地质雷达在探测过程中，它通过发射天线将高频电磁波（10⁶～10⁹Hz）以宽频带脉冲形式定向送入地下，电磁波在地下介质中传播的过程中，当遇到存在电性差异的地层或目标体时，便发生反射并返回地面，被接收天线所接收。若界面两侧介质的性质差异越大，则反射波越强，反射系数越大。电磁波从介电常数小的进入介电常数大的介质时，反射系数为负数，反射波振幅为反向。相反则为正数、同向。介质的存在状态，是否导电对电磁波在介质中的传播特性影响很大，这也是电磁自身物理性质决定的。根据接收到波的旅行时间、幅度与波形资料可推断介质结构。地质雷达工作原理图见图1。

2.市政工程地质雷达影响因素分析

城市道路表面一般为沥青铺成的柏油路或混凝土构成的水泥路，其内部结构比较简单，这是地质雷达工作的有利条件。因为道路铺设一般可被认为是被人工均匀压实的，因此在雷达效果图上会呈现明显的平直连续的波形。如果埋藏有管线及管道，则表现为强振幅较杂乱的波形或弧形反射波。地下管线处于地下，受到很大的压力和潮湿环境的腐蚀，所以大部分的隐患是存在空洞不密实，这在地质雷达图像上表现为强振幅较杂乱的波形或弧形反射波。

城市道路附近楼宇、灯杆、输电线路等众多干扰因素的影响，采集到的雷达图像上，就会反应较多的干扰信息，对图像分析结果产生影响。其中对地质雷达图像产生干扰较大的主要是人行天桥以及高压输电线路。当地质雷达天线的测线方向与天桥桥向垂直时，在雷达图像中形成较大的曲线波形，其顶部反射较强。产生这一图像的原因为桥梁梁板底面会对雷达波产生绕射，如果桥梁底面较平而且较宽，图像上显示的反射波顶部就平而缓，如果底面不平，是T型梁或者是小箱梁，会产生与梁板数量相对应的波峰。

另一个干扰因素就是高压输电线路对图像的影响，当雷达天线的测线方向与高压电线输电方向垂直时，干扰图像呈曲线形，其顶点位于输电线下方，对于超高压電线，影响范围至少有50m。该类干扰图像与地下构造物反射极为相似，都是曲线型，进行雷达图像识别时要多加注意，以免造成误判。判断该类干扰的方法主要是：（1）该类反射波形范围更大，影响距离较远；（2）在进行探测时，多注意附近是否有高压线、灯杆等干扰源，并加以记录，在分析图像时加以区分。

3.应用实例

西安某地下通道工程，处于交通繁忙的道路上，车流人流量较大，地势平坦，地层主要是黄土及黄土状粉土，稍湿一湿。本次岩土勘察需要解决两个问题：一要查明钻探勘探孔下方的地下管线分布情况，以便避开地下管线。二是需要查明地层条件，需要在两个已知勘探孔之间布置若干钻孔，但是现场条件暂不允许采取施工围挡等措施，故采用地质雷达技术补充勘探孔之间的地层剖面。

对于第一个问题，除了搜集相关单位提供的管线资料，还必须采取措施查明地下管线的确定分布情况，防止因勘探造成的管道泄漏事故。由于地下管线的埋深一般都小于3m，对分辨率要求高，因此我们采用250M高频率地质雷达天线进行探测解决这个问题。

对于第二个问题，根据任务要求需要查明20m深度内的地层条件，除了考虑勘探深度还需要兼顾分辨率，综合考虑采用50M的地质雷达天线。

（1）外业采集

由于现场有高压线、车辆干扰，针对此干扰，后续资料处理采用滤波、偏移等方法减弱或者消除干扰波，增强信号比。

采用的仪器是瑞典MALA公司生产的RAMAC II型地质雷达。经过现场试验，电磁波速经现场试验选取0.1m/ns，考虑到工作任务，最终采用采集参数为：

①250M高频屏蔽天线，采样频率2500MHz，时间窗口取35ns，测量轮速度0.1m/s，128次叠加。

②中心频率为50MHzRTA的超强耦合非屏蔽天线，采样频率为400MHz，时间窗口取400ns，测点点距为0.2m，128次叠加。

（2）地下管线地质雷达探测成果

本次在3个钻探勘探孔处进行查明地下管线分布情况。地质雷达解译成果图见图2～图4。图中纵横坐标轴分别表示探测双程时间、深度和水平时间。根据波形的连续性、振幅强弱、相位等特征进行地质雷达解译。

K6解译成果：两侧雷达图形连续性好，表明地层稳定连续，K6处没有地下管线。在60s～310s水平范围内，深度0.4m～1.2m内，可见连续性很差、振幅强的同相轴。两者对比非常明显，可以推断是由于地下管线或管道影响造成的。现场在地面做出红色标记，钻探作业规避该地段。

K8解译成果：雷达图形整体连续性较好，表明地层较为稳定连续，K8处没有地下管线。在水平时间960s左右，埋藏深度较浅约为0.2m，可见明显的弧形、强振幅反射。可以推断是由于测线垂直地下管线或管道引起的弧形反射。现场在地面做出红色标记，钻探作业规避该地段。

K9解译成果：雷达图形整体连续性较好，表明地层较为稳定连续，K9处没有地下管线。在水平时间130s～160s范围，深度0.6m～1.4m，可见较明显的弧形、强振幅反射。可以推断是由于测线垂直地下管线或管道引起的弧形反射。现场在地面做出红色标记，钻探作业规避该地段。

（3）地层剖面地质雷达探测成果

为了补充完善两个已知勘探孔之间的资料空白区域，本次工作主要做了两条地质雷达剖面，一条剖面垂直穿过道路主干道，一条剖面顺着道路东侧的人行横道。地质雷达解译成果图见图5-图6。图中纵横坐标轴分别表示探测双程时间、深度和水平距离。根据波形的连续性、振幅强弱、相位等特征进行地质雷达解译。

图5解译成果：第一层雷达图像反映为一组连续性好、强振幅的同相轴，表明是路基及填土层，层底深度约2.0m。第二层雷达图像反映为一组连续性较好、振幅较强的同相轴，跟第一层比较起来，波形的连续性和振幅强度都有减弱，推断为稍湿的黄土层，随着密实度的增强，介电性质差异减弱，在6.0m左右振幅进一步减弱。图中还有两处途经高压线电线杆，可见明显的强振幅、弧形反射波干扰。

图6解译成果：第一层雷达图像反映为一组连续性好、强振幅的同相轴，表明是路基及填土层，层底深度约2.5m。第二层雷达图像反映为一组连续性较好、振幅较强的同相轴，跟第一层比较起来，波形的连续性和振幅强度都有减弱，推断为稍湿的黄土层。随着密实度的增强，介电性质差异减弱，在6.0m左右振幅进一步减弱。图中还有一处途经下水道，可见明显的低频强振幅下水道干扰波反映。

结语

物探作为一种高精尖技术，具有工作成本低、工作效率高等特点，且多为无损勘查，尤其适用于传统手段外业进场难、工期要求紧急的市政工程。科学合理地采用物探新方法新技术可以优化勘察设计方案，提升勘察设计水平，节约勘察设计成本，具有很大的经济效益和社会效益。另外，由于市政工程的干扰源较多，如何压制干扰波，突出有效波，需要在数据处理方面重点分析研究。在探测过程中要及时观察雷达图像，对出现的异常图像，要及时观察附近环境情况，对雷达图像进行综合分析，排除影响因素，正確解析雷达采集到的图像。