地质雷达在城市雨污分流顶管施工中的应用

韩可林 安子玥 盛松涛 杨维婷 王新卫

摘  要：分析现行主要地质超前预报技术的优缺点和地质雷达探测原理。以某市雨污分流改造工程为背景，介绍RIS-K2型地质雷达测试仪对掌子面前方地质情况进行探测的方法步骤。分析复杂地质区顶管施工地质条件与相应雷达图像的关联关系，对复杂地质区情况进行预报，并针对具体地质情况为顶管安全施工提出相应解决办法。

关键词：顶管施工；超前预报；地质雷达；雷达数据分析；雨污分流

中图分类号：TU992.05      文献标志码：A          文章编号：2095-2945（2024）18-0177-04

Abstract： The advantages and disadvantages of the current main geological advanced prediction techniques and the detection principle of GPR are analyzed. Taking the rain and pollution diversion reconstruction project of a city as the background， this paper introduces the methods and steps of RIS-K2 ground penetrating radar tester to detect the geological conditions in front of the palm face. This paper analyzes the correlation between the geological conditions of pipe jacking construction in complex geological areas and the corresponding radar images， forecasts the situation of complex geological areas， and puts forward corresponding solutions for safe pipe jacking construction according to the specific geological conditions.

Keywords： pipe jacking construction; advance prediction; ground penetrating radar; radar data analysis; rain and pollution diversion

在老旧城区排水系统升级改造中，雨污分流便于雨水收集利用和集中管理排放，降低水量对污水处理厂的冲击，保证污水处理厂的处理效率。由于老旧城区地下排水管道施工涉及城市的方方面面，应针对雨水分流进行合理的施工管理，进而充分发挥雨污分流工程改建性能，有效改善城市水环境[1]。在城镇地下排水管道修建时采用顶管施工技术，能够穿越公路、地面建筑物、地下构筑物以及各种地下管线等[2]。但在顶管顶进的过程中，前方不明确的地质情况会对安全施工造成一定的威胁，超前地质预报可以为顶管施工参数的合理确定提供依据，从而避免出现顶偏、塌陷等质量安全问题。

1  地质预报技术分析

目前地质预报技术有TSP地震波法、超前钻探法、瑞雷波和地质雷达法等。各种地质预报技术对比见表1。

可见，地质雷达法进行地质预报具有非破坏性、抗电磁干扰能力强、具有较满意的探测深度和分辨率等优点，采用便携微机控制数字采集、记录、存储和处理[4]。因此，地质雷达法进行超前地质预报优势较明显。

2  地质雷达探测原理

电磁波在介质中传播时，根据接收到波的传播时间、幅度与波形资料可推断介质结构[5]。地质雷达法超前地质预报的实现过程为：由发射天线将高频电磁脉冲波送入掌子面前方岩土体，当高频电磁脉冲波在传播过程中遇到不同目标体（断层、空洞等）的电性介面时，部分反射回来的电磁波被接收器所接收、记录，并获取电磁波从发射到反射回来被接收所用的时间。当电磁波在介质中的传播速度已知时，即可确定目标体的位置[6]，其原理如图1所示。

地质雷达常采用剖面法（收发天线等距移动）进行测量，收发天线之间的距离与探测目标深度相比数量较小，故假设雷达波垂直入射（收发天线间距为0），则雷达波探测目标地质缺陷体的埋深为

3  工程实例分析

3.1  工程概况

某市城镇生活污水处理提质增效工程内容包括：现状截流总管改迁、雨污混接改造及污水管网建设。新建污水管网约14.7 km、雨水管网约1.2 km，并对流域内雨污管网进行清淤及缺陷修复，工程布局如图2所示。采用RIS-K2地质雷达进行连续扫描测量，对复杂地质区顶管施工进行超前预报，并提出相应的解决方案。

3.2  地质雷达探测处理过程

本次对顶管施工进行超前地质预报采用地质雷达法，使用意大利IDS公司生产的RIS-K2高精度探地雷达。该雷达具有信号稳定、分辨率高、软件功能强大、轻质便携及能适应恶劣的环境等优点[6]。RIS-K2雷达系统包括主机、天线和控制处理软件等（图3），具有极高的发射速率和扫描速度，频率从25～2 500 MHz。

本工程测线布设采用平行测线法，在选定测段上，地质雷达沿平行测线来回探测，一条测线探测4次，以减少数据采集过程中产生的误差。现场测线布置如图4所示。

地质雷达数据处理是雷达数据分析的重要环节。使用GRESWIN2软件对RIS探地雷达系统获得的雷达数据进行处理，步骤如下。

1）使用Move start time 菜单模块去除直达波，使雷达图的深度值与探测物体的深度值相一致。

2）使用Background removal 菜单模块进行背景消除，使用Clear-X滤波算子，去除水平背景噪声和振铃效应所造成的干扰。

3）使用Vertical bandpass filter（TD） 菜单模块进行时域垂直带通滤波。

4）使用Linear gain菜单模块进行线性增益。

处理后正常无地质缺陷区域地质雷达剖面图如图5所示。

处理后典型异常区域地质雷达剖面如图6所示。

3.3  地质雷达超前预报结果分析

本工程顶管埋深为地下11 m左右，为使探测分析更精确，地质雷达数据分析软件GRESWIN2设置显示深度为20 m，选取3个典型测段的地质雷达数据进行处理与分析。测段一经处理后的雷达数据如图7所示，图中黑框内为45°倾斜节理，左边黑框范围在水平10～35 m、深度7.5～15.5 m内，右边黑框范围在水平40～60 m、深度8～14 m内。白框内为含水层，范围在水平0～30 m、深度0～12 m内，疏松、紧密土层相夹，疏松土层含水量丰富。

测段二经处理后的雷达数据如图8所示，图中黑框为60°倾斜节理，范围水平20～45 m、深度5.5～14.0 m内。其余土层均匀。

测段三经处理后的雷达数据如图9所示，图中黑框内为探沟，在水平18 m处，作用是探明施工区域内地下管线的埋设情况。白框为含水层，范围在深度7.5 m以内，含水量丰富。

4  结束语

顶管施工顶进过程中，掌子面处难免会遇到倾斜节理、含水层、砂卵石等复杂地质情况。对通过地质雷达超前预报所发现的地质异常部位必须采取相应保护措施，以避免出现顶管抱死、顶偏等施工事故。

围岩存在节理面会削弱其稳定性，在顶管施工扰动时节理面可能会产生较大位移，还可能导致围岩产生偏压现象。当节理倾角为45°时，围岩不易失稳，地表沉降值最小[8]；本工程节理倾角为60°时容易失稳，相应地表沉降值最大。在节理倾角为60°处，应采取相应的支护方案进行加固，施工时对该处岩体部位进行加强注浆控制。

针对顶管局部地层处含水量丰富的情况，可以考虑在顶管管口设置三道橡胶止水，保证管口止水效果，降低管口涌水、涌砂、突泥风险。还应考虑顶管内排水设备的配备，做好强排设施设备投入的应急准备[9]。

本文提到的地质预报技术对地面建筑复杂处适应性不强，且采取单一的地质预报技术容易出现预报不全的问题，可以考虑采用综合地质预报技术相互验证，以保证预测结果的准确性。

参考文献：

[1] 何拥军.探究市政工程雨污分流管网施工技术与管理对策[J].江西建材，2022（2）：198-199，202.

[2] 余剑锋.顶管施工引起地表变形问题研究[D].广州：广州大学，2006.

[3] 姜洪亮，杨庭伟，卢超波.地质雷达法隧道超前地质预报岩溶探测应用研究[J].冶金丛刊，2018（11）：6-9.

[4] 陈阳标，徐志浩.三维地质雷达在城市地下管线探测中的应用[J].科学技术创新，2022（4）：189-192.

[5] 范亚男.地下管线探测中探地雷达技术应用研究[J].测绘通报，2015（S1）：46-48，53.

[6] 郭晓南，冯磊，程涌.基于RIS探地雷达的地下管线探测实例[J].地质装备，2012，13（1）：31-34.

[7] 王诚龙，刘万里，张学亮，等.基于探地雷达的工作面异常体精准探测技术[J].岩土力学，2022（11）：1-11.

[8] 李婷，姜谙男，张峰瑞，等.节理岩体对盾构开挖稳定性和地层损失率的影响[J].工业建筑，2022，52（3）：29-37.

[9] 陈伯智.某自来水管网改造工程穿河顶管施工安全技术[J].人民黄河，2022，44（S1）：192-193，196.