地質雷達探測地鐵沿線未知涵洞的研究與應用

　　摘要:以某在建工程線路經過老城區主干道的地質與環境調查為研究對象采用地質雷達探測方法在路面合理布設探測剖面和觀測系統通過對采集的地質雷達記錄進行有效處理和地質雷達圖像的分析研究如何在地鐵隧道勘察中根據場地條件和探測的目標物綜合識別未知涵洞.研究結果表明:通過設計縱橫跟蹤布設地質雷達探測剖面選擇恰當的資料處理參數和模塊能夠有效探測未知涵洞的具體位置和規模為工程設計與施工提供合理建議降低施工風險.

　　本文源自福州大學學報(自然科學版)《福州大學學報：自然科學版》(雙月刊)曾用刊名：福州大學學報，1961年創刊，主要刊載數學、物理、電氣、信息科學與技術、自動控制、機械、材料、土木建筑、化學化工、生物、輕工、資源、環保等學科的最新研究成果。堅持為社會主義服務的方向，堅持以馬克思列寧主義、毛澤東思想和鄧小平理論為指導，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、理論與實際相結合的嚴謹學風，傳播先進的科學文化知識，弘揚民族優秀科學文化，促進國際科學文化交流，探索防災科技教育、教學及管理諸方面的規律，活躍教學與科研的學術風氣，為教學與科研服務。

　　關鍵詞:地下工程地鐵勘察地質雷達涵洞探測

　　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代交通建設的主要方向之一而在工程建設中各種復雜的地質條件嚴重阻礙了其發展進程.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雷達探測技術作為前期勘察的重要物探手段并有眾多學者對其探測效果進行研究.Singh等[1]將地質雷達特征與鉆孔數據聯系起來利用其相關性來查明旁路隧道施工的真實地層條件國內外眾多學者[2-9]用地質雷達探測技術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做出巨大貢獻張崇民等[10]將探地雷達技術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技術預報的準確性并提出精確的預報方法劉宗輝等[12]在總結大量工程實例的基礎上得出典型巖溶不良地質類型與雷達屬性參數具有很好的相關性從而可以較好地區分巖溶地質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雷達的研究一方面是將地質雷達探測技術進行常規的應用以初步實現劃分地層、揭示地下不良地質體位置的目的另一方面是在對地質雷達的解譯提出新方法.但針對于地質雷達探測技術本身存在多解性問題一直影響著該技術在實際工程中的廣泛應用[13]因此怎樣結合前期地質資料設計出合理的測線布設方案以提高分辨率方面的研究仍有待進一步深入.本文側重分析根據場地條件和探測的目標物選擇縱橫跟蹤剖面和觀測系統在設計的基礎上采集地質雷達記錄并在資料處理時選擇有效的處理模塊和參數從而得到最佳的地質雷達剖面以實現綜合識別目標物的目的.

　　1地質雷達探測基本原理及特征參數

　　1.1基本原理

　　地質雷達探測技術是利用高頻電磁波在地下電性界面的反射以探測有關目標物的一種物探方法[14].地質雷達的發射和接收天線緊貼地面由發射機發射的短脈沖電磁波經發射天線輻射傳入大地電磁波在地下傳播過程中遇到介質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的電性差異及幾何形態的不同而發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的斷面掃描圖像[15].根據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電導率和中心頻率相關即電導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

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

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

　　2)電磁波的反射系數.電磁波在分界面上的反射系數主要與介電常數有關在兩層介質的分界面上當介質的介電常數存在差異時才會發生反射分界面兩側的介電常數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界面的反射系數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的模型用下式表示.

　　2應用實例

　　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內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、粉質粘土、淤泥質土、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范圍內的不良地質體包括地下基礎(樁基、地下室等)、地下空洞、管線、涵洞等.由于研究區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境影響小的探測方法經過對多種物探方法的實用性進行分析后選用地質雷達物探方法進行探測.

　　2.2采樣參數的選取及測線布置

　　本次地質雷達探測儀器選用瑞典MALA地球科學公司生產的RAMACX3M型探地雷達.探測時測線使用發射頻率為100MHz的屏蔽天線采樣頻率為1099Hz采樣時間為400ns道間距為10cm以連續方式進行數據采集.

　　此次探測主要是為了查明地下即將開挖區域是否存在不良地質體及其分布情況經現場勘查發現地鐵施工區域內可能存在雙孔箱涵過水通道.為更好地進行天線選擇、數據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場地條件確定地質雷達工作時的物理參數具體包括:電磁波在介質中的傳播速度、電磁波的反射系數、介質密度等.涵洞中的內容物一般為空氣、水、砂和淤泥等且內容物的上層幾乎為空氣和水.表1為主要介質物性參數統計表由表1可知空氣的相對介電常數最小為1水的相對介電常數最大為81由于內容物的介電常數指標與混凝土差異很大即應用地質雷達探測涵洞邊界的方法可行.

　　結合現場實際工程地質條件設計探地雷達剖面首要考慮沿軌道走向布設.根據已出露涵洞位置位于工程建設范圍內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模第二組為剖面4-4′~7-7′用以探測涵洞的發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處理模塊及參數選擇

　　地質雷達數據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地質雷達處理軟件中的2D數據分析模塊根據如圖4所示處理流程對地質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會影響濾波效果因此濾波參數的選取與雷達剖面圖像的最終處理結果直接相關.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結束時間可取總時窗時間增益調節過程選取能量衰減模式較自動增益調節模式更為合理[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合涵洞露頭處的結構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律進行追蹤從而實現綜合識別地下目標物的目的.

　　經現場勘查發現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模可能發生改變因此布設與剖面2-2′相垂直的剖面3-3′驗證涵洞走向.地質雷達成果圖如圖6~8所示.

　　由圖6可知點位0~1.4m、6.6~8.2m區間深度0~4.0m范圍內同相軸基本呈水平分布、連續性較好、波組關系較穩定振幅中強頻率中等.結合場地工程地質條件和地物情況調查分析認為:點位0~1.4m、6.6~8.2m區間深度0~3.6m范圍的路基巖土體較為密實判定其經過加固處理.點位1.4~6.6m區間同相軸分布與兩側同相軸明顯不同振幅、頻率也發生改變.根據振幅、連續性變化大致可將1-1′剖面分成以下幾個區域:點位1.4~1.8m、6.0~6.5m區間深度0.2~2.5m范圍同相軸波組關系較穩定、呈弧形分布振幅中強、頻率較低點位1.8~3.8m、4.2~6.2m區間深度1.0~2.5m范圍同相軸波組關系較穩定、連續性較好、呈水平連續分布振幅極強、頻率較低多次波明顯點位1.4~6.8m區間深度2.5~3.6m范圍振幅較強、頻率較低同相軸連續性較差.結合場地工程地質條件和地物情況調查分析認為: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區間深度2.5~3.6m范圍為雙孔箱涵的基礎.

　　如圖7所示結合同相軸的分布情況、波組關系、振幅及頻率等參數可分析認為:點位7.5~16.5m區間深度0.3~2.8m范圍為雙孔箱涵點位7.0~16.8m區間深度2.8~4.0m范圍為雙孔箱涵的基礎點位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′的地質雷達成果圖中(圖8)點位0.3~0.8、5.6~6.0m區間深度0.5~2.8m范圍為該雙孔箱涵的邊墻點位0~6.4m區間深度2.6~3.8m范圍為雙孔箱涵的基礎點位6.4~14.0m區間深度0~4.0m范圍內經過加固處理.由于涵洞內存在城市排水帶來的多年松散沉積物且涵洞基礎下部有含水率較高、密實度較差的淤泥質土導致在地質雷達剖面上顯現出同相軸較雜亂、連續性較差但反射能量較強的特征.路基加固處理區下部土體較密實且含水率相對較低因此同相軸連續性較好波組關系較穩定.

　　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合剖面2-2′的成果圖可知涵洞走向在此處發生改變最終通過剖面2-2′的方位及現場工程地質狀況確定工程區域內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計方案進行剖面布設:剖面4-4′垂直于道路布設剖面5-5′~7-7′沿道路兩側進行布設選取4-4′、7-7′兩個典型的地質雷達剖面圖進行分析.根據探測范圍內振幅強弱頻率變化同相軸的連續性及分布情況可以基本確定路基加固處理區域及雙孔箱涵的分布范圍解譯結果如圖9所示.據此可以判定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下部多次波反射現象明顯且在測線長度為32m處同相軸發生錯斷現象.可推測在該斷面處路基加固處理區下部土體性質發生改變在32m斷面右側土體夯實效果較差且含水率較高導致該區域內多次波明顯、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并采集地質雷達剖面圖經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′所確定的涵洞應該為雙孔涵洞的一支并且從剖面9-9′的布設位置可以看出該支單孔涵洞離開道路發生偏轉并向路旁區域延伸.

　　2.5探測成果總結

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

　　從東鶴路右側發現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未布測線的區域具體位置未知.雙孔箱涵分布區域內未發現其它特殊障礙物涵洞地質雷達探測成果如圖11所示.

　　3結語

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

　　2)地質雷達探測線路的剖面布設應建立在前期異常點勘查成果的基礎上采用橫向與縱向聯合布置剖面的方法對異常區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體分布范圍的關鍵.

　　3)結合現場工程地質特征對地質雷達圖像中涵洞分布范圍與剖面布設的走向對比分析結果表明利用地質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.