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城市浅层瞬变电磁雷达研制与应用

作者:西港金贝赌场 发布时间:2021-02-07 15:21 点击数:

  随着经济的发展和城市化进程的加快,我国城市地下空间基础条件问题越来越受到重视,尤其是老城区杂乱的城市管线埋藏位置模糊、路基塌陷、岩溶分布区内浅层不良地基、堤坝管涌等浅层地质问题所带来的危害日趋严峻,由于分布范围和涉及领域广且与人类日常生产生活息息相关,近年因浅层地质问题由于未能及时掌握而造成严重的事故时有发生。因此高精度、高效率地探测浅层地质问题也就显得更加重要和迫切。北京市政路桥集团市政工程研究院、地下工程建设预报预警北京市重点实验室叶英博士带领其团队开展了“城市浅层瞬变电磁雷达研制与应用”研究。

  在城市地下管线探测中得到普遍应用是地质雷达法,但其对较深深度的管线探测效果不明显。与地质雷达法相比,瞬变电磁法使用的脉冲电磁波频率更低,能实现更大深度的探测。通过电磁发送、接收系统及电磁成像的研究,并进行重叠回线装置和大定回线装置的组合应用,利用瞬变电磁雷达探测系统可实现地表至较大深度内不同类型管线及地下病害的快捷、无损探测。

  针对城市浅层地质探测,叶英博士提出利用浅层瞬变电磁法(Transient Electromagnetic Methods),瞬变电磁法与工程中常用的地质雷达相似,二者最主要区别在于发射脉冲中心频率的不同,地质雷达发射天线ns的脉冲电磁波讯号,反射讯号通过接收天线输入到接收机,适合探测浅部的地下病害(地下5米左右);而瞬变电磁法天线HZ,脉冲宽度为n至n×10ms,接收天线在断电后接收二次场信号输入到接收机,更适合深层探测。因此,瞬变电磁技术能在方法上弥补地质雷达在探测深度上的不足,其基本原理是介质在一次电流脉冲场激励下会产生涡流,在脉冲间断期间涡流不会立即消失,在其周围空间形成随时间衰减的二次磁场。二次磁场随时间衰减的规律主要取决于异常体的导电性、体积规模和埋深,以及发射电流的形态和频率。因此,可以通过接收线圈或接地电极测量和分析二次场有关信息来了解异常体的空间分布,从而达到探测地下目标体的目的。

  基于瞬变电磁技术,叶英博士带领团队经过长期研究试验,首次研制成功瞬变电磁雷达(Transient Electromagnetic Radar,简称TER),该雷达是使用调制的瞬变电磁波形和定向天线向地下空间中的特定空域发射电磁波以搜索目标。搜索域内的物体(目标)把能量的一部分反射回雷达接收机处理这些回波,从中提取距离、速度、角度位置和其他目标识别特征等目标信息。如图1所示,瞬变电磁雷达探测系统包括电磁发射系统、电磁采集系统和计算机;电磁发送系统由能够连续发射脉冲式低频电磁信号的波形发射器、驱动器、输出级和电磁感应装置的发射天线组成;电磁采集系统由电磁感应的接收天线、信号放大器、滤波器、A/D转换器及ARM处理器组成。瞬变电磁雷达能在方法上弥补地质雷达在探测深度上的不足,结合地质雷达与瞬变电磁仪二者优点,克服地面瞬变电磁探测定点测量效率低的问题,采用正反向方波采集叠加的方法,实现快速移动扫描式探测,同时弥补地质雷达探测深度有限及干扰严重等技术问题,最终实现地表至较大深度内地质体的快捷、便利及无损探测。

  TER瞬变电磁雷达根据功率的不同分为两种类型,大功率TER(如图2)可进行城市地下管线m)地质病害探查,可进行地铁施工超前地质预报等。小功率TER(如图2)可进行各种未知结构物损伤、构件钢筋分布、探宝及地下浅层(0~5m)地质病害探测。

  TER包括数据采集、电磁发送、计算机及各种天线,根据探测深度不同,对应不同匝数、边长、电阻的发射及接收天线;TER发射机可根据需要产生发射频率0.0625~222HZ的脉冲信号,断电时间小于100us,供电电流0~50A,采用上升沿触发,发射方式可选择连续发射、测量轮及GPS触发,电流波形为双极性方波,占空比可调。接收机部分采样频率4.096KHZ~52.734KHZ,24Bit高精度分辨,叠加次数1~9999。

  TER工作方式分为重叠回线、中心回线、偶极装置和大定源回线装置等,可在城市地下工程中解决不同现场各种地质问题。

  TER完成电磁数据采集之后,可对数据进行对数处理、波形变密度、抽取、取等值线、视时间常数、分离局部场、换算电阻率及衰减度等操作,并可实现一维、二维及三维显示。

  在实验室条件下进行沙槽试验,20mm间隔逐层填埋,异常物采用直径10mm的铜柱模拟。采用参数:频率为2.25Hz,周期50,发射时间3ms,占空比0.1,延时45ns,采样点数500个,采样速率500Hz。试验结果显示:不同深度(2~15cm埋深)下,瞬变电磁图像异常明显;在15cm埋深时,还能对异常做出明确的判断,表明在沙土条件下,瞬变电磁雷达的探测埋深H/目标直径D达15:1,效果如图3所示。

  图4、图5中,混凝土管1的埋深为750mm,管径为200mm,热力管的埋深为1100mm,管径为150mm。表明瞬变电磁雷达在对混凝土管及铸铁管的探测中,双曲线特征明显,横向定位准确度较高,埋深h/管径D达到了7.33:1,探测效果较好。

  图6为某办公楼二层楼板用小功率TER与美国GSSI公司SIR-30E(270M天线)测试效果比较,图中上部为SIR-30E测试结果,下图为TER测试结果,异常为钢筋、砼钢梁分布,TER测试结果比地质雷达能更清晰看到砼内部结构损伤情况。

  测区位于昌平试验基地,已作为隧道健康诊断、评价与快速修复技术和地下管线综合探测技术研究等多个科研项目的模拟试验场地,粘土介质。探测效果如图7所示,模拟体包括:粉细砂、空洞、水囊、管线等,结果表明本方法对地下各类异常的响应十分明显。

  瞬变电磁雷达是项目组经过长期试验研究,在国内、外首次提出并研制成功的新型探测仪器,作为一种新的物探方法能用于地下20米内浅层病害、地下管线及各类构筑物的快速定位普查探测。瞬变电磁雷达结合瞬变电磁仪与地质雷达二者的优点,既克服了瞬变电磁仪定点测量效率低的问题实现扫描式探测,又弥补了地质雷达有限探测深度仅5米以内的缺陷,纵向测深能力达到了15:1,横向探测精度达到1厘米,有效解决了城市浅层0~20米的地质勘测问题。

  TER瞬变电磁雷达为北京市市政工程研究院自主创新产品,已授权国家发明专利,并发表专著《浅层瞬变电磁雷达》,《城市浅层瞬变电磁雷达研制与应用》已获北京市总工会2016年职工创新助推项目。

  叶英博士带领团队在浅层瞬变电磁的方法、仪器、数据处理及成像等方面利用研制的仪器采用不同装置的组合针对城市地下管线探测、城市浅层地质探查、地铁施工超前地质预报、各种未知结构物、构件钢筋分布、探宝等方面做了典型的实验与应用案例。

  目前,北京地区的大部分探地雷达设备在城市环境中的最大有效测试深度一般为5m左右,瞬变电磁雷达的研制与应用,旨在实现城市地下更大深度内不同目标体的精确定位,为暗挖隧道上覆地层的地质探测提供详细的地质资料,同时为北京及全国地下工程行业的地质灾害探测及预报提供新方法。

  随着城市化进程的推进,城市地面公共空间日趋紧张,地下20米空间的开发与利用,对解决地面紧张与城市发展矛盾有着重大的战略意义。然而该区域内地质环境复杂、勘察难度大,近年来因浅层地质问题由于未能及时掌握而造成严重的事故频繁发生,瞬变电磁雷达作为一种全新的物探技术,在城市地下管线探测、城市浅层地质探查、地铁施工超前地质预报、各种未知结构物、构件钢筋分布、探宝等方面效果显著,期望推动我国在城市浅层瞬变电磁法的广泛应用。

  叶英,博士,研究员/教授级高工,北京市市政工程研究院硕士生导师,山东大学、中南大学兼职博士生导师,北京市市政工程研究院副院长兼地下工程建设预报预警北京市重点实验室主任。2010年获“北京市劳动模范”,2011年北京市总工会授予市级《叶英创新工作室》, 2011年获“科学中国人年度人物”,2012年当选北京市十一次党代会代表,2016年获第十届中国产学研合作创新奖。负责的省重点工程建设项目获国家鲁班奖1项;负责的科研项目获省部级科技进步一等奖3项、二等奖2项、三等奖5项、国家级工法1项;拥有专利29项;著作有《隧道施工超前地质预报》、《隧道施工信息化预警》、《运营隧道管养指南》、《粉细砂地层浅埋暗挖法注浆加固技术指南》、《隧道地质预报手册》、《浅层瞬变电磁雷达》等;以第一作者发表主要论文50余篇。


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