探地雷達在地基病害和地下管線探測中的應用研究

何亮 廖榮瀟*

(常州工學院,江蘇 常州 213032)

隨著城鎮化的快速推進,淺層土體常受到各種工程項目的擾動,導致地基病害和地下管線的工程問題逐漸增多。同時,大部分城市地下管線資料不全,管線分布情況越來越復雜,探測難度較大[1-2],各地施工項目出現挖壞、挖斷地下管線的工程事故經常發生[3-4]。此外,土體脫空、疏松和滑動等地基病害隱蔽性較強,危害程度大,嚴重影響建筑物和道路的使用壽命,及時發現這些地基病害隱患是保證工程安全的重要措施。

傳統的探測手段如現場開挖和鉆探取樣等,具有破壞性強、工期長、成本高等缺點[5],而探地雷達技術具有無損、快速、成本低等優點,為了準確探明地基病害和地下管線的位置和范圍等,本文依托某實際工程,采用LTD-2100 探地雷達進行地基病害和地下管線的探測,研究雷達探測剖面圖特征,總結相關探測成果規律,為更好地為解決城市地下管線和地基病害出現的問題提供依據,這些研究工作具有一定的理論和工程應用價值。

1 地雷達工作原理

探地雷達組成為主機、天線和配套軟件。實際探測時發射天線向地下發射高頻率的脈沖電磁波,當電磁波在地下有耗介質中傳播時,其電磁場強度、傳播路徑和波形等將隨著地下介質的電性和形態的變化而變化,雷達主機接收反射波從而獲得雷達測試圖像和數據,再利用專用軟件對圖像和數據進行后處理,進而確定地下介質的位置和尺寸等信息。

探地雷達的數據處理流程有三種：第一種是常規處理,如數字濾波、反褶積、振幅處理和偏移；第二種是數據編輯,如數據連接、數據觀測方向一致化和廢道剔除；第三種是剖面修飾處理,如相干加強和圖像分割。

目前雷達圖像解釋主要是雷達后處理軟件自動識別為主,人工識別為輔,常在雷達測線剖面圖和單道波形圖上,根據地下介質反射波組的波形、波幅、頻率及同相軸等特征進行圖像解釋。由于雷達圖像解釋的復雜性,技術人員應具有豐富的地質知識和工程經驗,了解探測對象的性質、機理以及場地的地質情況。

2 應用實例

2.1 工程概況

某大學停車場處地面回潮嚴重,如繼續長時間使用可能會造成地表損傷,為了以后的改建工程,利用LTD-2100 探地雷達進行探測,探明地下土體情況以及地下管線的分布情況,防止工程事故,使用400MHz 主頻雷達天線進行地質雷達探測,現場測試人員在南側布置東西向測線,測線為網狀,間距分別為1.5m 和2m。

場地的地質工程勘察報告表明：該場地地下土層自上而下分布為：①雜填土,層厚約1.0～2.5 m；②軟塑～可塑粉質粘土,層厚4.4～8.3 m；③、④、⑤分別為稍密～中密粉土、軟～流塑淤泥質粉質粘土和粉質粘土。探地雷達探測的地基病害主要位于上層①雜填土和②軟塑～可塑粉質粘土中,這兩層土體的穩定性差,易受擾動,易產生地基病害。

場地的地下水類型為孔隙潛水,主要賦存于①層填土中,地下水埋深大約為1.0～1.50m。

2.2 土體疏松的雷達圖像分析

地基病害的種類有很多,主要有土體脫空、土體疏松、滑移等地基病害,目前均能被探地雷達成功地探測和識別。地基病害位于地下,其隱蔽性較強,危害程度大,所以在地下工程施工和修復在中,只有探明這些地基病害的嚴重程度和位置等特征,才能制定出合理的處理和修復方案。地基病害能夠被探地雷達有效探測的前提條件是地基病害與正常地基土之間存在一定的電性差異,但如果這種電性差異過小,那么地基病害被探測的難度將會增大,也即區分地基病害和正常地基土的難度會增大。

圖1 為地下土體疏松的典型雷達測線剖面圖,橫軸為水平位置,豎軸為深度位置。由圖可知：土體疏松區域位于圖像左側(白色方框內),與周圍正常土體的雷達圖像相比,圖像中土體疏松區域的圖像特征為反射波形較多且雜亂無章,同相軸也呈現為不連續、明顯錯位、畸變和缺失等特征。進一步分析表明：疏松的土體具有孔隙率高和空洞多等特點,孔隙中常充滿空氣或水。由于空氣的介電常數比土顆粒的介電常數低很多,所以疏松土體的平均介電常數比遠比正常土體低,因此雷達圖像呈現出雜亂無章的特征。

圖1 典型的土體疏松雷達測線剖面圖

2.3 土體脫空的雷達圖像分析

土體脫空區域內部物質主要由空氣或水組成,空氣和水的介電常數與土顆粒的介電常數相差較大,是探地雷達探測和識別土體脫空的基礎。同理于上述土體疏松的雷達圖像解釋,根據反射波組的、波形同相軸、振幅等顯著特征,可以在雷達測線剖面圖上進行土體脫空的雷達圖像解釋。

圖2 為土體脫空典型的雷達測線剖面圖。分析表明：土體脫空區域(白色區域)與周圍正常土體的雷達圖像相比存在明顯差異,但不同于土體疏松的雷達測線剖面圖,土體脫空一個顯著特征是該區域頂端有一條異常的反射弧,這個反射弧也可以理解為脫空的土體與正常土體的上接觸面。此外,由于土體脫空區域的充填物質和形狀較為復雜,所以土體脫空的反射波特征在雷達圖像上也常顯得雜亂無章,同相軸也不連續,這點與土體疏松的雷達測線剖面圖是一致的。

圖2 典型的土體脫空雷達測線剖面圖

2.4 地下管線的雷達圖像分析

觀察圖3 可知,探地雷達探測地下管線的響應特征為單支雙曲線(開口向下)。由于金屬管的相對介電常數較小、導電率強,因此金屬管頂部反射會出現極性反轉,會出現連續的管底反射。而pvc 管線相對介電常數與地層相對介電常數的差值小于金屬管線與地層間的相對介電常數差值,雙曲線清晰度和延伸度也會更弱。同時,pvc 管線雙曲線更平緩,管底反射現象較弱。此外,隨著埋深變大,雙曲線的開口(即曲率)越來越大,反射波的反射強度越來越弱,反射弧能量衰減得更快,反射弧的形狀越來越不清晰。

進一步分析可知：金屬管線由于材質原因,在雷達圖像上表現為對電磁波的多次強反射,雷達波形圖中也會出現高振幅特征,其中第一個最大振幅位置為管線頂端。非金屬管線常為混凝土或無機高分子材料,其材質介電常數小于金屬材質,所以不會出現多次反射,高振幅的振幅位置也出現在管線頂端,但幅度降低。由于土體與地下管線之間的介電常數差異比土體與空氣的大,所以地下管線反射弧的清晰度常常比土體脫空和疏松高,且反射弧下方的土體反射波形不會出現雜亂,因此,地下管線容易被識別。在測線0.5m 處出現了多次雙曲線反射,根據其清晰度可判斷其為一根較大管徑的鋼材質管道,而在6.5m處,單次反射可辨別其為一根較大管徑的pvc 材質管道。通過對比實際管線圖,可知管線的實際位置與雷達探測出的位置大致相符,表明LTD-2100 雷達設備在探測地下管線中具有較好的準確度。

圖3 典型的地下管線雷達測線剖面圖

3 結論

3.1 土體疏松區域與周圍正常土體的雷達圖像相比,圖像中土體疏松區域的圖像特征為反射波形較多且雜亂無章,同相軸也呈現為不連續、明顯錯位、畸變和缺失等特征。其原因為疏松的土體具有孔隙率高和空洞多等特點,孔隙中常充滿空氣或水,空氣的介電常數遠比土顆粒的介電常數低。

3.2 土體脫空區域與周圍正常土體的雷達圖像相比存在明顯差異,但不同于土體疏松的雷達測線剖面圖,土體脫空一個顯著特征是該區域頂端有一條異常的反射弧,這個反射弧也可以理解為脫空的土體與正常土體的上接觸面。此外,由于土體脫空區域的充填物質和形狀較為復雜,所以土體脫空的反射波特征在雷達圖像上也常顯得雜亂無章,同相軸也不連續,這點與土體疏松的雷達測線剖面圖是一致的。

3.3 探地雷達探測地下管線的響應特征為單支雙曲線(開口向下)。由于金屬管的相對介電常數較小、導電率強,因此金屬管頂部反射會出現極性反轉,大部分電磁波都不會穿過管線頂部,不會發生管底反射。pvc 管線相對介電常數與地層相對介電常數的差值小于金屬管線與地層間的,雙曲線清晰度和延伸度也會更弱。同時,pvc 管線雙曲線更平緩,會有管底反射現象。