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全国市政工程行业科技成果展示:城市浅层瞬变电磁雷达研制及应用

    “城市浅层瞬变电磁雷达研制及应用”项目于2015年7月立项,2017年6月完成,并于2017年10月通过了中国市政工程协会科技专业委员会组织的项目成果鉴定。该项目研究由北京市市政工程研究院、北京市建设工程质量第三检测所有限责任公司、天津市地球物理勘探中心、中交路桥科技有限公司承担。该项目获得“全国市政行业2017年度市政工程科学技术奖”一等奖,其研究成果适用于城市管线及周边环境综合探测、地铁上覆空洞探查及前方地质预报。

    项目研究技术概况

    “城市浅层瞬变电磁雷达研制及应用”项目采用的主要技术原理为瞬变电磁雷达系统。该系统应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,以搜索域内的物体(目标),把能量的一部分反射回雷达接收机进行回波处理,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。

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瞬变电磁雷达研制技术原理图

    项目研究技术经济指标:实现了1∶15的探测能力、浅层0~20 m的探测深度和20 km/h的探测速度。

    项目研究解决的主要技术问题:结合瞬变电磁仪与工程地质雷达二者的优点,克服了瞬变电磁仪定点测量效率低的问题,弥补了地质雷达探测深度浅的缺陷,有效降低了设备抗干扰、频带宽、关断时间、一次场过渡过程的影响,最终实现在城市强电磁干扰背景下地表至较大深度地质体的快捷、便利无损探测。

    项目研究的关键技术

    该项目研究的关键技术如下。

    1)基于信息化技术的瞬变电磁雷达研发。主要内容为:①高精度同步信号电磁数据采集器研制;②可发射多种波形的连续脉冲电磁发送机研制;③不同规格、匝数的天线设计及探测效果分析及高精度测量轮设计。

    2)多维可视成像的处理软件开发。

    3)不同目标体的探测参数、模式与方法组合技术研究。

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地质雷达、瞬变电磁雷达及瞬变电磁仪技术性能比较

    与国内外同类技术的比较

    瞬变电磁雷达(Transient Electromagnetic Radar,简称TER)与国内外现有的瞬变电磁仪与工程地质雷达等相关技术相比较,主要的技术创新点如下。

    1)国际上率先提出瞬变电磁雷达的概念。经过大量室内模拟、现场试验,实现了1∶15的探测能力、浅层0~20m的探测深度和20 km/h的探测速度。

    2)采用上升沿触发、过零取样、全时域密集采样和多姿态D组合装置实现了瞬变场早期纯二次场信号的直接测量。

    3)变磁通式天线拟地震信号接收提高了有用信号的识别能力。

    4)提高了瞬变电磁法纵横向的分辨率。

    5)提高了雷达模式瞬变电磁法采集信号的信噪比。

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    项目应用成果与效益

    “城市浅层瞬变电磁雷达研制及应用”项目成果近年来已在北京昌平南口试验场、北京朝阳公园、河北多条道路、“一带一路高峰论坛”场馆安全检查、天津东兴路道路坍塌探查、北京平安里地铁开挖管线盘查、首钢厂区地下管线普查、雄安新区古战道勘察、北京顺义果粒橙排水沟探查等项目中得到工程实际应用。工程检测数据经过与已知资料数据对比,并经开挖跟踪验证,证明TER瞬变电磁雷达具有良好的工程应用价值。同时,通过项目技术产品化等手段,也已取得了良好的经济效益。

    经济及社会效益 该项目所研发的浅层瞬变电磁雷达技术不仅可整体提升我国瞬变电磁法的应用水平,也有望应用在以下诸多领域中推广应用,产生良好的经济及社会效益。

    1)市政工程:金属或非金属地下管线位置和走向探测。

    2)交通工程:公路施工质量(包括面基层厚度和存在隐患)和运营情况,铁路路基隐患等的检测。

    3)地质勘探工程:岩层、空洞、断层、地质结构、地下水以及地下矿藏等目标查找和描述。

    4)工程质量检测:隧道衬砌质量、桥梁结构和存在病害、建筑物内的钢筋分布探测。

    5)水利工程:江、河、湖泊的大坝存在隐患检测、床面测绘及水下目标探测。

    6)军事工程:工程前期的地质勘查、地下工事探测、地下未爆弹药和埋藏军械的查找,以及金属或非金属埋设物查找(例如地下管道、电缆线等)。

    7)考古发掘项目:古墓和古遗址探测。

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瞬变电磁雷达与地质雷达探测结果比较

    基础设施领域应用前景 近年来,随着我国社会经济的高速发展,各类城市市政管线、水库和栏河堤坝、城市地下空间工程等基础设施建设事业持续快速发展,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、城市道路地下空洞坍塌、岩溶分布区内浅层不良地基、栏水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,近年因浅层地质隐患问题未能及时排查处理而造成的严重人身伤亡和财产损失事故时有发生。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,开发出适合于我国市场需求的浅层瞬变电磁测量系统极为紧迫。

    在此背景下,该项目自主研发的瞬变电磁雷达(Transient Electromagnetic Radar,简称TER)技术结合地质雷达与瞬变电磁仪二者优点,克服了瞬变电磁仪定点测量效率低的问题,并能有效弥补地质雷达在探测深度上的不足,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,克服了瞬变电磁仪定点测量效率低的缺陷,同时也弥补了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、便利无损探测。探测技术指标可达到在路面以下6 m内,城市道路地下管线探测误差平面位置小于0.1 h(埋深),埋深位置小于0.15 h(埋深);通过匝数、电流和供电时间等天线参数及组合模式的研究与改进,将探测深度延伸至地下20 m;探测速度达到10~20 km/h。

    随着该项目研究技术成果的不断推广,瞬变电磁雷达可广泛应用于城市市政工程管线探测、城市道路地下空洞病害探测、地下工程施工超前地质预报等诸多领域,有效提高城市基础设施施工及维护服务水平,减少重大公共安全事故的发生。

    (北京市市政工程研究院 供稿

    注:本文刊载于《市政技术》2019年第1期,第1、2页。