RD1500型探地雷达在滨海地区暗渠摸查中的应用

黎锦钊

(广东省源天工程有限公司，广州 511340)

1 概 述

为推动湛江生态崛起，湛江市进行了中心城区水系综合治理。湛江市中心城区水系综合治理工程项目建设内容包括赤坎江、绿塘河、南柳河三个片区。在建设实施过程中，发现工程含有东山河、寸金渠、百姓渠等13条暗渠需要清淤、渠内管道安装、混凝土施工。暗渠内施工环境复杂和危险，受施工空间窄、密闭、有毒有害气体等因素影响，且工程处于海边，属于海滨城市的工程，受海潮、台风及暴雨等影响。为了更安全、更好、更快的对渠箱进行内部清淤及施工，应先进行渠箱线路的摸查，然而暗涵一般位于地下0.5～5m，仅凭观察难以准确定位地下暗涵走向。因此，在地下结构走向摸查中常使用相关探测仪器进行辅助。传统摸查常借助金属管线探测仪，然而滨海地区地下暗涵多为混凝土结构，金属管线探测仪则无法准确定位[1]。为顺利推动湛江市滨海地区暗涵摸查工作，使用了探测范围更加广泛的探地雷达。文章结合该项目重点介绍了RD1500型探地雷达的工作原理、技术指标、结构组成并给出了其在滨海地区暗涵摸查工程中的应用实例，可为类似工程提供有益的借鉴。

2 RD1500型探地雷达工作原理及组成

一般来说地下管线如暗涵、暗渠埋深都比较浅[2]，通常距地表约0.5～5m，周围的介质一般为砂性或黏性回填土，上部结构通常为防水层、沥青混凝土路面等结构。以往传统的勘察方式往往需要钻孔取样或者开槽，与传统方式不同的是，基于RD1500型探地雷达的新式管线摸查方式无需钻孔，不会对土体以及地下结构产生破坏，而且因其无需动土故探测效率远高于传统方法。

2.1 探地雷达技术的物性基础

通常大多数探地雷达都是基于电磁波在不同物质中的传播速度相异的原理[3-5]。我们通常用介电常数来衡量材料对电磁波吸收和释放的能力，同时介电常数决定了电磁波在该种材料中的传播速度。电磁波在常见介质中的传播速度，见表1。

表1 电磁波在常见介质中的传播速度

续表1 电磁波在常见介质中的传播速度

从上表中我们可以看出，不同材料的介电常数和电磁波传导速率不同，通过发射和接收电磁波可得到不同的波形分布规律，这便是探地雷达技术的物性基础。暗涵和暗渠结构一般都是混凝土材料，其周边介质为黏性或砂性填土，上部结构一般为沥青混凝土和防水材料。几种介质介电常数有明显差异，探地雷达技术用于城市中暗涵和暗渠结构走向的探查在技术上是完全可行的[6-7]。

2.2 探地雷达技术的工作原理

探地雷达一般基于电磁波的发射和接收来进行工作通过发射机产生电测波，电磁波在地下不同的结构中传播时，地下土体和由混凝土制作的暗渠具有不同的介电常数，因此反射波在混凝土和土体交界处就产生了差异。根据发射接收电磁波的过程，就明确了地下不同结构的空间位置[8]。接收机借助接收天线就可以获取从地下反射回来的电磁波，并通过可视化工具对电磁波反射波形进行展示，工程人员便可通过波形的差异来判定不同结构在地下的空间位置[9]。

2.3 探地雷达的技术指标

1)探测深度：电磁波在传播的过程中强度是逐渐衰减的，这也就决定了探地雷达具有有限的探测范围。在不同的介质中，探地雷达的工作范围不同，这主要与介质对电磁波的传导能力有关。一般在使用探地雷达进行探测前，应预估有效探测深度，否则探测结果的精度则无法保证[10]。

2)空间分辨率：探地雷达对于地下异常结构的识别有一定的分辨率限制，也就是地下异常物体的尺寸的分辨能力有限。特别是当两个异常结构间距较小且尺寸也较小时，探地雷达很难将二者区分开来。

3)源信号：探地雷达内部可产生单极和双极两种脉冲信号[11]，单极信号的主要劣势为信号多为低频，极大程度上可能会降低探地雷达电磁波的发射频率，并且在内部产生电磁波震荡导致信号的失真，这势必会干扰探地雷达的探测能力。

2.4 探地雷达的结构组成

RD1500型探地雷达一般由软件系统和硬件系统构成，硬件系统一般包括上机位、电磁波发射机、电磁波接收机、发射天线以及接收天线[12]。上机位是探地雷达的信息中心，控制电测波发射机产生信号并对接收机接收的信号进行数据处理。软件系统是上机位内嵌的数据、图像分析处理软件，其功能众多主要包括数据批处理、滤波、增益、图像批处理以及图像输出等功能。硬件系统和软件系统都是探地雷达不可或缺的组成部分。

2.5 探地雷达的测量方式

探地雷达的测量方式多种多样，总得来说可以分为，可以分为以下三种[13-14]：

1)剖面法：剖面法是实际工程探测中使用最为广泛的的工作模式。在该工作模式下，发射、接收间的距离固定，沿着预设的摸查走向移动设备，测量点应位于发射和接收天线的中间位置。

2)宽角法：宽角法是另一种常见的工作模式，该模式又有两种不同的工作方式，一种是发射或接收天线位置确定，按照相等的距离去移动另一个天线；另一种方式是在地面选择一个固定点作为中心点，发射天线和接收天线以这个古典点对称分布，并依次按等间距移动两个天线。

3)三位测量方式：随着探地雷达相关技术的成熟以及勘察目标标准的提高，二维剖面的结果逐渐不满足业界的要求。例如地下考古等[15]，二维剖面很难捕捉到探测对象[16]，探地雷达的三维工作方式是今后重要的发展方向。

3 暗渠(涵)摸查具体实施技术

3.1 暗渠摸查技术路线拟定

为了更安全、更好、更快的对渠箱进行内部清淤及施工，应先进行渠箱线路的摸查，充分了解周围的环境、当地的天气及渠箱内部的各种情况，确保施工人员施工时的安全。

3.1.1 摸查要求

所有摸查均需在晴天进行摸查，宜选择在连续三个晴天后进行摸查。主要对渠箱主体、排水口、流域内管线、排水单元(污染源)、清水来源点进行摸查。摸查时，应做好相应的安全措施。

3.1.2 摸查总体思路

湛江市滨海地区暗涵摸查工作总体思路，暗涵摸查总体思路，见图1。首先对湛江市滨海地区进行片区划分，联系之间的设计单位搜集相关资料，初步确定滨海地区的管线分布情况。摸查并对比施工图中的井口位置与实际的井口位置是否一致，在图上做好相应的标记。如若不一致，则需要及时与监理、设计等沟通，反馈相应的信息，之后分单元依次进行暗渠走线的摸查工作。

图1 暗涵摸查总体思路

3.1.3 实施流程

1)首先施工方应提前与各有关部门沟通，搜集资料。提前确定需要探测的结构材质以及基本属性，从而提升探测效率与准确性。

2)应提前预估暗涵的埋置深度，若暗涵埋置深度超过探地雷达有效探测深度1.5倍以上时，则不可使用探地雷达，需使用传统钻孔的方法来进行管线的摸查。

3)施工方应提前组织施工管理人员熟悉暗渠(涵)的施工图纸，根据施工图对暗渠(涵)沿线外的交通、车流量、建筑、天气等进行摸查了解，做到对周围环境充分了解的程度。

4)采用GPS或全站仪对排水井或检测井井口进行初步地定位，摸查并对比施工图中的井口位置与实际的井口位置是否一致，在图上做好相应的标记。如若不一致，则需要及时与监理、设计等沟通，反馈相应的信息。

5)如若井盖被路面或土地覆盖，则采用RD1500探地雷达进行探测。

6)在使用RD1500探地雷达进行探测前，应先进行探测走线的设计。在探测时应严格按照预设走线，以保证探测效果。应提前设置RD1500探地雷达相关技术参数，一般包括采用频率、增益设置等。

3.2 暗渠探测

根据上述的理论依据，以某条暗渠探测为例来说明探地雷达在滨海地区暗渠走线摸查中的应用流程。首先对探地雷达参数进行设定，主要包括：天线类型、触发方式及采样点数等。由工作人员沿着可能有暗渠的路线拖动雷达车进行探测。

使用反演方法对原始测量数据进行分析，主要包括噪声处理、滤波以及图像可视化处理等步骤，最后形成探地雷达图像。工程师应根据可视化图像进行地下结构的异常判定并给出出相应的判断依据。暗渠典型探测图像在暗渠边会出现整体错位，然后呈现平板状。探地雷达探测图像在暗渠处差异明显，可准确确定暗渠等目标的位置。

4 结 论

为推动湛江市中心城区水系综合治理工程项目的进行，文章重点介绍了RD1500型探地雷达的工作原理、技术指标、结构组成并给出了其在滨海地区暗涵摸查工程中的应用实例，根据探地雷达实际应用效果给出了以下结论：

基于RD1500型探地雷达的新式管线摸查方式无需钻孔，不会对土体以及地下结构产生破坏，而且因其无需动土故探测效率远高于传统方法。探地雷达探测图像在暗渠处差异明显，可准确确定暗渠等目标的位置。因为管线周围介质与时间的不确定性明显，在探测时应选择有利于探地雷达工作的时段。RD1500型探地雷达在湛江市滨海地区暗涵摸查工作的应用，显著加快了湛江市中心城区综合治理工程项目的建设，可为同类项目提供有益的参考。