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1地質(zhì)雷達(dá)探測原理、參數(shù)和應(yīng)用方法簡述

在地質(zhì)雷達(dá)探測中，分辨不同地質(zhì)體依據(jù)的主要物理參數(shù)為地質(zhì)體的介電常數(shù)εr，而在自然界中，不同巖土體的介電常數(shù)相差很多，這為我們采用地質(zhì)雷達(dá)提供了很好的物理前提。一些典型地質(zhì)體的介電常數(shù)參考值如表1所示。分辨率和探測深度也是地質(zhì)雷達(dá)的重要參數(shù)，在地下工程領(lǐng)域的應(yīng)用中，地質(zhì)雷達(dá)的探測深度直接影響到探測能觸及的范圍和儀器的可利用性情況;其分辨率的大小關(guān)系到地質(zhì)雷達(dá)的精度和工程數(shù)據(jù)處理人員分析和理解數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。地質(zhì)雷達(dá)的探測深度主要與雷達(dá)的發(fā)射，接受功率，天線增益，目標(biāo)體的截面，目標(biāo)深度傳播媒介的散射損耗等參數(shù)有關(guān)系;其分辨率主要與波速，接收天線的頻譜等參數(shù)有關(guān)，提高發(fā)射信號的帶寬可以有效的提高地質(zhì)雷達(dá)的垂直分辨率，提高接受信號頻譜的帶寬可以提高地質(zhì)雷達(dá)的水平分辨率。地質(zhì)雷達(dá)不同的頻段與探測深度和分辨率的關(guān)系如表2所示。根據(jù)不同的工程性能要求應(yīng)該選用不同的頻段天線，在地下工程，市政工程中，我們常用的頻段為100MHz，400MHz和900MHz天線。在進(jìn)行現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)之前，首先要對地質(zhì)雷達(dá)的參數(shù)進(jìn)行選取和設(shè)置，因?yàn)檫x取參數(shù)的合理與否直接關(guān)系到采集數(shù)據(jù)的質(zhì)量和我們采用地質(zhì)雷達(dá)探測的應(yīng)用效果，地質(zhì)雷達(dá)參數(shù)設(shè)置主要包括以下幾個(gè)方面:1)確定介電常數(shù)，介電常數(shù)的值一般根據(jù)現(xiàn)場的實(shí)驗(yàn)來定;2)設(shè)置采樣點(diǎn)數(shù)，采樣點(diǎn)數(shù)的數(shù)量影響到掃描線的平滑性;3)確定時(shí)窗長度，時(shí)窗長度與地質(zhì)雷達(dá)的探測深度密切相關(guān);4)確定掃描數(shù)和掃描率，這項(xiàng)參數(shù)關(guān)系到雷達(dá)的分辨率，掃描數(shù)越多，分辨率越高;5)確定延時(shí);6)設(shè)置濾波參數(shù)，濾波是為了改善雷達(dá)的成像質(zhì)量。在現(xiàn)場檢測的工程中，往往還會有一些干擾信號會影響地質(zhì)雷達(dá)的數(shù)據(jù)采集，應(yīng)該注意，不能使電纜線和天線處于平行的位置，雷達(dá)系統(tǒng)應(yīng)遠(yuǎn)離電線電纜，遠(yuǎn)離照明系統(tǒng)和高壓電線，否則會干擾信號，造成成像質(zhì)量不佳，甚至?xí)p害到地質(zhì)雷達(dá)系統(tǒng)。

2地質(zhì)雷達(dá)應(yīng)用實(shí)例

北京地鐵十號線二期11標(biāo)段西局站—六里橋站區(qū)間右線始發(fā)井至六里橋車站區(qū)間隧道采用盾構(gòu)法施工、淺埋暗挖法施工。其中采用盾構(gòu)法施工的設(shè)計(jì)里程為K44+978．574～K45+051．322。該標(biāo)段地形較為平坦，地面高程范圍46．82m～47．33m，處于永定河沖積扇的中上部，為第四系全新統(tǒng)地層。其表層為人工填土層，層厚3m～5m;下有第四系新近沉積層，厚度不大，為2m左右;新近沉積層以下則以密實(shí)的砂性土和卵石為主，暗挖隧道主要穿越卵石層。該標(biāo)段工程地質(zhì)條件差，管線較多，另外還要下穿西局村民房及橫向下穿豐臺北路，存在著塌方、地面不均勻沉降等施工風(fēng)險(xiǎn)，施工難度非常大，具有工期緊、施工難度大、高險(xiǎn)的特點(diǎn)。針對上述施工特點(diǎn)及風(fēng)險(xiǎn)，施工方在施工過程中采用地質(zhì)雷達(dá)對主要風(fēng)險(xiǎn)地段進(jìn)行探測，對有問題的地段及時(shí)發(fā)現(xiàn)并進(jìn)行相應(yīng)的處理。在整個(gè)盾構(gòu)施工過程中，施工方都采用了地質(zhì)雷達(dá)探測的方法對開挖的地質(zhì)條件進(jìn)行預(yù)先評估。在每段采用地質(zhì)雷達(dá)前，技術(shù)人員均根據(jù)現(xiàn)場的地質(zhì)情況設(shè)置了相應(yīng)的地質(zhì)雷達(dá)參數(shù)，來保證數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性，并通過相應(yīng)的數(shù)據(jù)分析，得到了比較可靠和接近真實(shí)情況的成像數(shù)據(jù)。如圖3所示是當(dāng)開挖至里程K45+021．022時(shí)采用地質(zhì)雷達(dá)超前預(yù)報(bào)，分析、綜合探測雷達(dá)數(shù)據(jù)后得到地質(zhì)雷達(dá)成像圖形。在取得現(xiàn)場探測的地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)之后，首先通過分辨反射波的振幅、相位等特征確定掌子面前方土體的分層情況，然后通過分析反射波組的波形和強(qiáng)度特征，確定反射波組的地質(zhì)含義，最后經(jīng)過相應(yīng)的成像處理，生成可以用于指導(dǎo)現(xiàn)場生產(chǎn)的地質(zhì)圖像。在成像圖中，橢圓中的部分顏色偏淺，地質(zhì)雷達(dá)分層沉降圖像變化相對紊亂，經(jīng)過對應(yīng)的數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)該部分為土質(zhì)疏松;而如圖4所示的地質(zhì)雷達(dá)探測成像是良好土質(zhì)條件，如果兩者進(jìn)行對比，可以很容易的發(fā)現(xiàn)地質(zhì)疏松土質(zhì)的成像規(guī)律。施工方在工程進(jìn)行的前、中、后期都大量密集的應(yīng)用了地質(zhì)雷達(dá)探測技術(shù)，提前發(fā)現(xiàn)和暴露了一大批地質(zhì)條件差，地層薄弱的地段，從而做到了早發(fā)現(xiàn)，及早采取措施，有效降低了施工風(fēng)險(xiǎn)。

3結(jié)語

通過地質(zhì)雷達(dá)探測，可以準(zhǔn)確探測到地層中的薄弱環(huán)節(jié)。通過分析管道頂線圍土雷達(dá)波的相位、頻率與振幅等特性，能夠識別出因盾構(gòu)施工形成的隧道頂部圍土擾動異常，比如土質(zhì)疏松、脫空或空洞等。而土質(zhì)疏松的特點(diǎn)是圍土層位形成明顯變化且有沉降幅度，一般波及到上覆土層;脫空或空洞的特點(diǎn)是由于土層嚴(yán)重疏松引起的脫空或超挖等原因留有的空洞未被填實(shí)。同時(shí)，通過地質(zhì)雷達(dá)探測的分析結(jié)果，可以快速的做出地層處理的方案。由超挖等原因引起的疏松及脫空，應(yīng)重新注漿處理;根據(jù)雷達(dá)成像圖表顯示有空洞的部位可以采用人工挖孔樁進(jìn)行排查，如果發(fā)現(xiàn)有些地方土層不密實(shí)，甚至有空洞存在時(shí)，應(yīng)采取相應(yīng)措施進(jìn)行加固處理。由此可見，地質(zhì)雷達(dá)探測技術(shù)在地鐵工程中能夠起到很好的空洞判斷作用，能夠有效的減少后續(xù)可能發(fā)生的安全、質(zhì)量隱患，為工程勘察和施工帶來了很大的便利。相信地質(zhì)雷達(dá)探測技術(shù)在地下工程勘察和施工領(lǐng)域內(nèi)會得到越來越廣泛的應(yīng)用。

作者：李強(qiáng)單位：中鐵十六局集團(tuán)地鐵工程有限公司