RD1500型探地雷達在濱海地區暗渠摸查中的應用

黎錦釗

(廣東省源天工程有限公司，廣州 511340)

1 概 述

為推動湛江生態崛起，湛江市進行了中心城區水系綜合治理。湛江市中心城區水系綜合治理工程項目建設內容包括赤坎江、綠塘河、南柳河三個片區。在建設實施過程中，發現工程含有東山河、寸金渠、百姓渠等13條暗渠需要清淤、渠內管道安裝、混凝土施工。暗渠內施工環境復雜和危險，受施工空間窄、密閉、有毒有害氣體等因素影響，且工程處于海邊，屬于海濱城市的工程，受海潮、臺風及暴雨等影響。為了更安全、更好、更快的對渠箱進行內部清淤及施工，應先進行渠箱線路的摸查，然而暗涵一般位于地下0.5～5m，僅憑觀察難以準確定位地下暗涵走向。因此，在地下結構走向摸查中常使用相關探測儀器進行輔助。傳統摸查常借助金屬管線探測儀，然而濱海地區地下暗涵多為混凝土結構，金屬管線探測儀則無法準確定位[1]。為順利推動湛江市濱海地區暗涵摸查工作，使用了探測范圍更加廣泛的探地雷達。文章結合該項目重點介紹了RD1500型探地雷達的工作原理、技術指標、結構組成并給出了其在濱海地區暗涵摸查工程中的應用實例，可為類似工程提供有益的借鑒。

2 RD1500型探地雷達工作原理及組成

一般來說地下管線如暗涵、暗渠埋深都比較淺[2]，通常距地表約0.5～5m，周圍的介質一般為砂性或黏性回填土，上部結構通常為防水層、瀝青混凝土路面等結構。以往傳統的勘察方式往往需要鉆孔取樣或者開槽，與傳統方式不同的是，基于RD1500型探地雷達的新式管線摸查方式無需鉆孔，不會對土體以及地下結構產生破壞，而且因其無需動土故探測效率遠高于傳統方法。

2.1 探地雷達技術的物性基礎

通常大多數探地雷達都是基于電磁波在不同物質中的傳播速度相異的原理[3-5]。我們通常用介電常數來衡量材料對電磁波吸收和釋放的能力，同時介電常數決定了電磁波在該種材料中的傳播速度。電磁波在常見介質中的傳播速度，見表1。

表1 電磁波在常見介質中的傳播速度

續表1 電磁波在常見介質中的傳播速度

從上表中我們可以看出，不同材料的介電常數和電磁波傳導速率不同，通過發射和接收電磁波可得到不同的波形分布規律，這便是探地雷達技術的物性基礎。暗涵和暗渠結構一般都是混凝土材料，其周邊介質為黏性或砂性填土，上部結構一般為瀝青混凝土和防水材料。幾種介質介電常數有明顯差異，探地雷達技術用于城市中暗涵和暗渠結構走向的探查在技術上是完全可行的[6-7]。

2.2 探地雷達技術的工作原理

探地雷達一般基于電磁波的發射和接收來進行工作通過發射機產生電測波，電磁波在地下不同的結構中傳播時，地下土體和由混凝土制作的暗渠具有不同的介電常數，因此反射波在混凝土和土體交界處就產生了差異。根據發射接收電磁波的過程，就明確了地下不同結構的空間位置[8]。接收機借助接收天線就可以獲取從地下反射回來的電磁波，并通過可視化工具對電磁波反射波形進行展示，工程人員便可通過波形的差異來判定不同結構在地下的空間位置[9]。

2.3 探地雷達的技術指標

1)探測深度：電磁波在傳播的過程中強度是逐漸衰減的，這也就決定了探地雷達具有有限的探測范圍。在不同的介質中，探地雷達的工作范圍不同，這主要與介質對電磁波的傳導能力有關。一般在使用探地雷達進行探測前，應預估有效探測深度，否則探測結果的精度則無法保證[10]。

2)空間分辨率：探地雷達對于地下異常結構的識別有一定的分辨率限制，也就是地下異常物體的尺寸的分辨能力有限。特別是當兩個異常結構間距較小且尺寸也較小時，探地雷達很難將二者區分開來。

3)源信號：探地雷達內部可產生單極和雙極兩種脈沖信號[11]，單極信號的主要劣勢為信號多為低頻，極大程度上可能會降低探地雷達電磁波的發射頻率，并且在內部產生電磁波震蕩導致信號的失真，這勢必會干擾探地雷達的探測能力。

2.4 探地雷達的結構組成

RD1500型探地雷達一般由軟件系統和硬件系統構成，硬件系統一般包括上機位、電磁波發射機、電磁波接收機、發射天線以及接收天線[12]。上機位是探地雷達的信息中心，控制電測波發射機產生信號并對接收機接收的信號進行數據處理。軟件系統是上機位內嵌的數據、圖像分析處理軟件，其功能眾多主要包括數據批處理、濾波、增益、圖像批處理以及圖像輸出等功能。硬件系統和軟件系統都是探地雷達不可或缺的組成部分。

2.5 探地雷達的測量方式

探地雷達的測量方式多種多樣，總得來說可以分為，可以分為以下三種[13-14]：

1)剖面法：剖面法是實際工程探測中使用最為廣泛的的工作模式。在該工作模式下，發射、接收間的距離固定，沿著預設的摸查走向移動設備，測量點應位于發射和接收天線的中間位置。

2)寬角法：寬角法是另一種常見的工作模式，該模式又有兩種不同的工作方式，一種是發射或接收天線位置確定，按照相等的距離去移動另一個天線；另一種方式是在地面選擇一個固定點作為中心點，發射天線和接收天線以這個古典點對稱分布，并依次按等間距移動兩個天線。

3)三位測量方式：隨著探地雷達相關技術的成熟以及勘察目標標準的提高，二維剖面的結果逐漸不滿足業界的要求。例如地下考古等[15]，二維剖面很難捕捉到探測對象[16]，探地雷達的三維工作方式是今后重要的發展方向。

3 暗渠(涵)摸查具體實施技術

3.1 暗渠摸查技術路線擬定

為了更安全、更好、更快的對渠箱進行內部清淤及施工，應先進行渠箱線路的摸查，充分了解周圍的環境、當地的天氣及渠箱內部的各種情況，確保施工人員施工時的安全。

3.1.1 摸查要求

所有摸查均需在晴天進行摸查，宜選擇在連續三個晴天后進行摸查。主要對渠箱主體、排水口、流域內管線、排水單元(污染源)、清水來源點進行摸查。摸查時，應做好相應的安全措施。

3.1.2 摸查總體思路

湛江市濱海地區暗涵摸查工作總體思路，暗涵摸查總體思路，見圖1。首先對湛江市濱海地區進行片區劃分，聯系之間的設計單位搜集相關資料，初步確定濱海地區的管線分布情況。摸查并對比施工圖中的井口位置與實際的井口位置是否一致，在圖上做好相應的標記。如若不一致，則需要及時與監理、設計等溝通，反饋相應的信息，之后分單元依次進行暗渠走線的摸查工作。

圖1 暗涵摸查總體思路

3.1.3 實施流程

1)首先施工方應提前與各有關部門溝通，搜集資料。提前確定需要探測的結構材質以及基本屬性，從而提升探測效率與準確性。

2)應提前預估暗涵的埋置深度，若暗涵埋置深度超過探地雷達有效探測深度1.5倍以上時，則不可使用探地雷達，需使用傳統鉆孔的方法來進行管線的摸查。

3)施工方應提前組織施工管理人員熟悉暗渠(涵)的施工圖紙，根據施工圖對暗渠(涵)沿線外的交通、車流量、建筑、天氣等進行摸查了解，做到對周圍環境充分了解的程度。

4)采用GPS或全站儀對排水井或檢測井井口進行初步地定位，摸查并對比施工圖中的井口位置與實際的井口位置是否一致，在圖上做好相應的標記。如若不一致，則需要及時與監理、設計等溝通，反饋相應的信息。

5)如若井蓋被路面或土地覆蓋，則采用RD1500探地雷達進行探測。

6)在使用RD1500探地雷達進行探測前，應先進行探測走線的設計。在探測時應嚴格按照預設走線，以保證探測效果。應提前設置RD1500探地雷達相關技術參數，一般包括采用頻率、增益設置等。

3.2 暗渠探測

根據上述的理論依據，以某條暗渠探測為例來說明探地雷達在濱海地區暗渠走線摸查中的應用流程。首先對探地雷達參數進行設定，主要包括：天線類型、觸發方式及采樣點數等。由工作人員沿著可能有暗渠的路線拖動雷達車進行探測。

使用反演方法對原始測量數據進行分析，主要包括噪聲處理、濾波以及圖像可視化處理等步驟，最后形成探地雷達圖像。工程師應根據可視化圖像進行地下結構的異常判定并給出出相應的判斷依據。暗渠典型探測圖像在暗渠邊會出現整體錯位，然后呈現平板狀。探地雷達探測圖像在暗渠處差異明顯，可準確確定暗渠等目標的位置。

4 結 論

為推動湛江市中心城區水系綜合治理工程項目的進行，文章重點介紹了RD1500型探地雷達的工作原理、技術指標、結構組成并給出了其在濱海地區暗涵摸查工程中的應用實例，根據探地雷達實際應用效果給出了以下結論：

基于RD1500型探地雷達的新式管線摸查方式無需鉆孔，不會對土體以及地下結構產生破壞，而且因其無需動土故探測效率遠高于傳統方法。探地雷達探測圖像在暗渠處差異明顯，可準確確定暗渠等目標的位置。因為管線周圍介質與時間的不確定性明顯，在探測時應選擇有利于探地雷達工作的時段。RD1500型探地雷達在湛江市濱海地區暗涵摸查工作的應用，顯著加快了湛江市中心城區綜合治理工程項目的建設，可為同類項目提供有益的參考。