地質雷達在大伙房水庫抗旱應急工程套管頂進中的應用

徐 馳

(沈陽興禹水利建設工程質量檢測有限公司，遼寧 沈陽 110006)

1 工程概況

大伙房水庫輸水(二期)抗旱應急工程是在現有一步輸水一期工程基礎上，從沈陽2配水站開始再鋪設兩條DN3200及DN3000型PCCP管至鞍山加壓站，以增加下游受水城市大連的城市用水供給量。工程區位于沈陽、遼陽、鞍山等三市區，屬遼寧省中部，遼河中游地區，管線總長84.197 km，途經遼陽配水站，擬建管線基本上與已建管線平行布置，管間距25 m～40 m。管線穿越高速、國道、省道及重要公路等11處，管線經過段需采用套管頂進施工，分別為107省道、202國道1、小小線、佟二堡高速、縣道遼官線、沈環線、本遼遼高速、202國道2、沈大高速(蘇家屯)、沈大高速(稠樹林子)、沈大高速(煙狼寨)等。本文以段管線穿越本遼遼高速(管線設計樁號為125+386～125+466)頂管施工位置進行雷達檢測，分析施工對路基的擾動及灌漿處理后情況。但后來由于現場施工人員在工作時，造成高速公路地基土流失，導致公路部分沉陷，且路面有裂縫產生，而后施工單位對裂縫位置進行了灌漿處理，在灌漿處理結束后，在此位置進行了第二次雷達檢測。

2 地質雷達系統工作原理

2.1 儀器設備介紹

本次檢測預報采用美國地球物理探測公司研制的新一代高速24位專業地質雷達(型號：SIR-30E)[1]。該款地質雷達是一款雙通道主機系統，檢測時可同時連接兩根探頭相互獨立的工作，互不影響檢測結果，雷達天線兼容于GSSI廠家所有頻率的天線，內部數據存儲量較大，為250GB，內置GPS數據接收器。同時還適用于車載高速測量，在交流(AC)或者直流(DC)電壓下均可工作。工作過程中數據實時采集，實時顯示，實時處理。其優勢在于：掃描速率最快、輸出數據分辨率更高、采樣點更多，同時可自動識別天線類型和系統外接插口豐富等。

2.2 工作原理

地質雷達(英文縮寫：GPR)結構組成主要包括發射、接收、控制單元和微型計算機四大系統[2](總體系統結構見圖1)，其檢測的原理是通過雷達發射天線向地下發射脈沖高頻電磁波，電磁波在傳播過程中遇地下隱蔽障礙物、孔洞缺陷、裂縫、滲水和尖銳物等不同電介質物體界面時會發生發射、散射等現象，電磁波反射回地面被雷達接收天線所接受，再通過主機將接收到的雷達信號轉化成數字信號，再轉化成模擬信號等過程對反射波進行一些列分析處理，根據反射電磁波的強弱、形狀和強弱等來判斷隱蔽工程對應的缺陷，最終形成檢測物體內部介質剖面圖像，根據圖像進行具體分析，分析被檢測工程隱蔽部位是否存在工程質量問題[3]，地質雷達檢測的工作原理示意圖見圖2。

圖1 地質雷達總體系統結構

圖2 地質雷達工作原理示意圖

檢測依據：由于受頂管施工影響和回填灌漿處理的路基的頻率與其周圍未進行灌漿(或未受頂管施工影響)的路基的介電常數、電磁波的能量損耗和破碎程度、等存在著差異，導致了雷達圖件特征中電磁波振幅的寬窄、強弱和波的形狀特征都不一樣，對檢測得到的雷達數據進行處理后，對比圖件的特征和工程介質電性參數就可以分析所探測的目標體的空間結構分布特征[4]。工程中常見的介質電性數見表1。

表1 工程中常見的介質電性參數對照表

3 測線布置及數據分析

3.1 測線布置

頂管范圍揭露巖性為粉質粘土及淤泥質土，勘察期間地下水埋深7.3 m～8.7 m。本次地質雷達檢測共完成4條測線的檢測工作，測線布置于地下施工套管上方的路面上，測線方向與公路延伸方向同向，測線1-1和測線1-2位于頂管軸線中心線西側，每條測線長約15 m，測線檢測方向由東向西；測線2-1和測線2-2位于頂管軸線中心線東側，每條測線長約10 m，測線檢測方向由西向東，測線布置情況見圖3。

圖3 地質雷達測線布置示意圖

3.2 數據處理

地質雷達檢測中難免會受到周圍及外部條件的干擾因素，如周圍建筑物的干擾，高壓電線以及地形等條件的干擾影響，以及檢測面的不平整性、凹凸性等，使得電磁波在傳輸、反射中受到影響，最后形成的電磁波波形雜亂，因此必須對地質雷達接收到的數據進行適當的處理[5]，常規處理方法步驟示意圖見圖4。

圖4 數據常規處理方法步驟示意圖

3.3 地質解譯分析

地質雷達資料的地質解釋是地質雷達檢測的目的，在數據處理后所得的地質雷達圖像剖面中，根據反射波組的波形與強度特征，通過同相軸的追蹤，確定反射波組的地質含義，構筑地質-地球物理解釋剖面[6]。本次地質雷達檢測共布置測線4條，地質雷達剖面圖橫坐標表示剖面的平面相對位置，縱坐標表示探測深度。該測區地質雷達探測成果剖面圖解譯如下：

(1)從圖5測線1-1地質雷達圖像上可以看到，在橫坐標150～580，縱坐標3.5 m～4.5 m之間，以及橫坐標620～800，縱坐標2.5 m～3.0 m之間，同向軸有嚴重錯斷現象，同向軸錯斷的位置既有可能為地基脫空區，也有可能為灌漿水泥聚集區。

圖5 測線1-1地質雷達圖像

(2)從圖5測線1-2地質雷達圖像上可以看到，在橫坐標0～60，縱坐標4.0 m～5.0 m之間，同向軸有輕微錯斷現象，其他位置地質雷達圖像同向軸較為連續，無明顯洞狀、扇狀等異常反射界面，推測該測線位置路面下7 m范圍內路基砂土較為密實。

圖6 測線1-2地質雷達圖像

(3)從圖7測線2-1地質雷達圖像上可以看到，在橫坐標80～180，縱坐標3.0 m～4.0 m之間，以及橫坐標200～600，縱坐標4.5 m～6.0 m之間，同向軸有嚴重錯斷現象。同向軸錯斷的位置既有可能為地基脫空區，也有可能為灌漿水泥聚集區。

圖7 測線2-1地質雷達圖像

(4)從圖8測線2-2地質雷達圖像上可以看到，在橫坐標720～820，縱坐標3.0 m～4.0 m之間，同向軸有輕微錯斷現象，其他位置地質雷達圖像同向軸較為連續，無明顯洞狀、扇狀等異常反射界面，推測該測線位置路面下7m范圍內路基砂土較為密實。

圖8 測線2-2地質雷達圖像

4 結論及建議

本次采用地質雷達檢測主要是用于頂管施工中對周圍的擾動變形的影響分析和針對路基存在裂縫的部位進行回填灌漿加固處理后的質量檢測，經過地質雷達現場檢測、圖像和波形分析，可以得到以下結論：

(1)從上面雷達圖像可以看到，在每張雷達圖像上都有同向軸錯斷的位置，同向軸錯斷的位置既有可能為地基脫空區，也有可能為灌漿水泥聚集區，通過雷達圖像可以對異常反射區域進行推測解譯，但是不能確保精確判斷。

(2)在上述圖像中，測線1-1和測線2-1異常位置反射振幅較強，異常界面較為明顯，根據異常反射狀態推測異常體接近透鏡體形態，很可能是由灌漿處理后的水泥聚集區所形成，建議施工單位根據現場地質情況，并結合以往工作經驗進行深入分析論證，測線1-2和測線2-2雷達圖像上的同向軸錯斷情況較為輕微，異常反射不明顯。