Sử dụng công nghệ radar xuyên đất trong công tác khảo sát địa kỹ thuật: Lấy ví dụ cho một số dự án điển hình

Bài viết chủ yếu tập trung vào giới thiệu công nghệ radar xuyên đất và tính ứng dụng của nó trong công tác khảo sát địa kỹ thuật thông qua một số ví dụ thực tế, với mục đích làm tài liệu tham khảo cho những người làm công việc có liên quan.

NGHIÊN CỨU KHOA HỌC nNgày nhận bài: 26/4/2021 nNgày sửa bài: 14/5/2021 nNgày chấp nhận đăng: 10/6/2021 Sử dụng công nghệ radar xuyên đất công tác khảo sát địa kỹ thuật Lấy ví dụ cho số dự án điển hình Application of ground penetrating radar technology in geotechnical investigation Taking some typical projects as the examples > TS ĐỖ MINH TÍNH Khoa Xây dựng – Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội; Email: dominhtinh32@gmail; Tel: 0988560866 52 TÓM TẮT: Ở Việt Nam, khoan khảo sát phương pháp khảo sát địa kỹ thuật sử dụng phổ biến Tuy nhiên, khu vực cần khảo sát có diện tích rộng lớn dạng tuyến kéo dài, việc sử dụng phương pháp khoan khảo sát thường đem lại kết khơng thật xác làm phát sinh chi phí khảo sát Radar xuyên đất dạng phương pháp thăm dị địa vật lý, kết hợp công nghệ radar kỹ thuật khoa học địa chất Phương pháp có ưu điểm đem lại hiệu thăm dò cao, thao tác đơn giản, thăm dị khơng phá hủy có độ xác cao Bài báo chủ yếu tập trung vào giới thiệu công nghệ radar xun đất tính ứng dụng công tác khảo sát địa kỹ thuật thông qua số ví dụ thực tế, với mục đích làm tài liệu tham khảo cho người làm công việc có liên quan Từ khóa: khảo sát địa kỹ thuật; cơng nghệ radar xun đất; thăm dị địa vật lý ABSTRACT: At present, drilling method is one of the methods widely used in geotechnical engineering investigation works in Vietnam However, drilling alone often leads to unsatisfactory results or higher costs in areas with large area or linear engineering survey Ground penetrating radar technology is a geophysical detection technology that combines radar technology and geological science and technology Its advantage is that it has very high detection efficiency, simple operation, lossless detection, and very high accuracy This paper mainly introduces the ground penetrating radar technology and its application in geotechnical engineering investigation through some practical projects, and aims to provide reference for staff Keywords: geotechnical engneering investigation; ground penetrating rada technology; geophysical detection technology Đặt vấn đề Công nghệ radar xuyên đất kết kết hợp công nghệ radar khoa học địa chất Khái niệm radar xuyên đất (Ground Penetrating Radar, GRP) lần thức đưa sáng chế Đức (Letmbach, Lowy, 1910), sau ý tưởng ứng dụng công nghệ radar xuyên đất (Hulsenbeck, 1926; Melton, BS, 1937) nghiên cứu thực nghiệm (Cook, 1960) tiến hành Đến năm 70, Công ty thăm dị địa vật lý Mỹ (GSSI) thức đầu tư hệ thống radar xuyên đất vào thị trường (Subsurface Interface Radar System, viết tắt SIR hay GPR) Về sau, hàng loạt sản phẩm radar xuyên đất số nước đầu tư nghiên cứu cung cấp thị trường, sản phầm EKKO/GPR Công ty A - Cube (Canada), sản phầm RAMAC/GPR Công ty địa chất Thụy Điển, hay sản phầm Hãng IDS/GeoRadar (Ý)… Sự đời loạt thiết bị radar xuyên đất giúp ứng dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực khoa học khác như: địa chất công trình, mơi trường cơng trình, cơng trình ngầm thị, cơng trình thủy lợi, cơng trình giao thơng, cơng trình xây dựng dân dụng công nghiệp, khảo cổ học…Ở Việt Nam năm trở lại đây, việc sử dụng công nghệ radar xuyên đất lĩnh vực cơng trình giao thơng thị, cơng trình ngầm thị, kết cấu cơng trình dân dụng cơng nghiệp trở nên phổ biến Tuy nhiên Việt Nam, việc ứng dụng công nghệ vào lĩnh vực khảo sát địa kỹ thuật hạn chế 06.2021 ISSN 2734-9888 Nguyên lý hoạt động đặc điểm công nghệ radar xuyên đất a) Nguyên lý hoạt động Công nghệ radar xuyên đất (GPR) lợi dụng truyền sóng xung điện từ tần số siêu cao tần (1 MHz ~ GHz) để nghiên cứu đặc trưng môi trường mặt đất Hệ thống GPR gồm có phận như: Ăng-ten phát, Ăng-ten thu, khối điều khiển, thiết bị hiển thị, nguồn điện Nguyên lý hoạt động sau: Bộ phát xung điện từ truyền từ Ăng-ten phát với tần số trung tâm từ 12.5 ~ 1200M dải rộng xung 0.1ns Khi sóng xung điện từ truyền vào môi trường mặt đất gặp phải vật thể bề mặt ranh giới có khác biệt tính điện từ (điện trở suất, số điện môi, độ thẩm từ ) sinh sóng phản xạ truyền qua Phần xung điện từ phản xạ truyền ngược trở lại mặt đất Ăng-ten thu tiếp nhận, ghi lại lưu giữ vào máy tính (Hình 1) Thơng qua việc xử lý máy tính thiết bị hiển thị, xung phản xạ thu từ Ăng-ten thu từ dạng sợi quang học chuyển thành chuỗi tín hiệu thời gian Loại tín hiệu thời gian tạo thành rãnh ghi hình dạng sóng radar điểm đo Nó bao gồm thơng tin biên độ, bước sóng, thời gian truyền sóng radar điểm Di chuyển (quét) Ăng ten theo điểm có khoảng cách nằm dọc theo tuyến (mặt cắt) cần đo, tiến hành đo cho toàn tuyến giúp ta vẽ mặt cắt sóng phản xạ radar (Hình 2) Hình Sơ đồ nguyên lý thăm dò radar xuyên đất Hình Sơ đồ mặt cắt sóng phản xạ radar xuyên đất Theo lý thuyết lan truyền sóng điện từ, sóng truyền theo phương vng góc tới bề mặt ranh giới mơi trường mơi trường 2, sóng phản xạ mặt ranh giới là: (a2  b2 )2  (2absin )2 j  e Ae j a2  b2  2abcos  Trong đó: A - biên độ sóng;  - góc lệch pha, tính theo cơng thức: R (1)  tg1( 2absin  ) a2  b2 2  a  ; b 1 (2)   1 ( 11 1 ( 2 2 2 1 )2 (3) )2 2  )  tg 1 ( ) (4)  1 Trong công thức   2 f tần số góc,  độ từ   tg 1 ( thẩm,  số điện  độ dẫn điện Từ cơng thức ta thấy, sóng phản xạ mặt ranh giới sóng điều hịa đơn giản biên độ A góc lệch pha  Trường sóng phản xạ phụ thuộc vào tính chất từ (từ tính) mơi trường truyền, từ tính hai loại mơi trường khác xa biên độ sóng phản xạ chênh lớn ngược lại từ tính hai mơi trường biên độ sóng phản xạ khơng (tức khơng có sóng phản xạ) Ngồi ra, từ tính hai loại môi trường khác xa, dẫn tới thay đổi góc lệch pha lớn ngược lại Như vậy, thơng qua phân tích đặc trưng dạng sóng (biên độ góc lệch pha sóng phản xạ ) giúp có thông tin thay đổi môi trường bên mặt đất Mặt khác, công suất phản xạ sóng radar xác định theo cơng thức sau:  R S  D (5) Pr  C e Pt 64 3D4 Trong đó: Pt - công suất phát xạ; C - số thiết bị;  - bước sóng; R - hệ số phản xạ; S - diện tích mặt cắt ngang hữu hiệu vùng khuếch tán;  - hệ số suy giảm; D - chiều sâu bề mặt ranh giới phản xạ Từ cơng thức (5) thấy, lượng mà radar thu phụ thuộc vào nhiều yếu tố, chiều sâu mặt ranh giới phản xạ yếu tố nhạy cảm Do vậy, chiều sâu thăm dị theo phương pháp GPR thường khơng lớn Đồng thời, lượng thu radar có quan hệ chặt chẽ với hệ số phản xạ (R), nên ranh giới tầng đất đá phân bố nông có tính chất khác biệt rõ nét phản ánh rõ ràng Ngồi ra, Pr cịn phụ thuộc vào bước sóng  (quan hệ tuyến tính), nên điều kiện tiếp thu lượng thơng qua việc giảm bước sóng  để làm tăng độ phân giải kết đo Từ vấn đề trình bày thấy, điều kiện lượng phát xạ định, công nghệ radar xuyên đất thích hợp với việc thăm dò xác định ranh giới tầng đất đá phân bố nơng có từ tính khác biệt rõ rệt Thực tế chứng minh, sử dụng tần số phát trung tầm từ 50 MHz ~ 100 MHz, chiều sâu thăm dị lên tới 20 ~ 50 m Đây lý mà hồn tồn ứng dụng cơng nghệ cơng tác khảo sát địa kỹ thuật b) Đặc điểm công nghệ radar xuyên đất Công nghệ radar xuyên đất có đặc điểm sau: (1) Có tính thích ứng cao: sử dụng phương pháp thăm dị khơng phá hủy, cơng nghệ áp dụng cách an tồn khu vực thị đông dân cư công trường xây dựng với điều kiện làm việc tương đối thoải mái (2) Khả chống nhiễu tốt: có khả chống nhiễu điện từ tốt nên tác nghiệp khu vực đô thị đông dân cư ảnh hưởng nhiều tiếng ồn từ môi trường xung quanh (4) Khả định vị nhanh xác: có kết trực quan ISSN 2734-9888 06.2021 53 NGHIÊN CỨU KHOA HỌC xác chiều sâu phân bố đối tượng cần thăm dò, thể trực tiếp mặt cắt đo vẽ với độ phân giải cao (5) Thiết bị tương đối gọn nhẹ, thao tác đơn giản, có máy tính kèm phục vụ cho việc thu thập, ghi chép, xử lý lưu giữ số liệu q trình thăm dị Ứng dụng cơng nghệ radar xuyên đất khảo sát địa kỹ thuật Nhiệm vụ cơng tác khảo sát địa kỹ thuật làm sáng tỏ tình trạng phân bố lớp đất đá tính lý phạm vi ảnh hưởng cơng trình xây dựng Ngồi ra, cơng tác khảo sát địa kỹ thuật cần phải làm sáng tỏ điều kiện mặt phục vụ cơng tác thi cơng móng cho cơng trình Ví dụ như, phía mặt đất có hay khơng hệ thống cơng trình ngầm, hang hốc ngầm, vật thể ngầm gây ảnh hưởng đến vấn đề an tồn q trình q trình thi cơng móng cơng trình Trong cơng tác khảo sát địa kỹ thuật nay, phương pháp khoan khảo sát kết hợp số thí nghiệm trường phương pháp sử dụng nhiều Tuy nhiên, với khu xây dựng có diện tích lớn dạng tuyến kéo dài, sử dụng phương pháp khoan khảo sát cần phải bố trí số lượng lớn hố khoan Điều mặt làm tăng chi phí thời gian khảo sát, mặt khác khoảng diện tích hố khoan nội suy Do đó, cơng tác khảo sát địa kỹ thuật biết vận dụng công nghệ radar xuyên đất kết hợp với phương pháp khoan khảo sát, giúp giảm chi phí lại có kết có độ tin cậy xác cao Điều chứng minh thực có hiệu thực tế cơng trình Trong q trình thực công tác khảo sát địa kỹ thuật, thường bắt gặp tình sau: khu vực xây dựng có số lượng hố khoan chí chưa thực cơng tác khoan, u cầu sử dụng cơng nghệ radar xun đất thăm dị để đưa tình trạng phân bố lớp đất đá phạm vi chiều sâu định Khi này, vấn đề mấu chốt kỹ đọc thơng tin mặt cắt radar xuyên đất Kinh nghiệm thực tế cho thấy, biết vận dụng kiến thức địa chất (thu thập tài liệu địa chất khu vực lân cận, quan sát vị trí bề mặt đá gốc xuất lộ ), từ đưa lý giải hợp lý thơng tin có từ thăm dị radar giải vấn đề Dưới số phương pháp phân tích mặt cắt địa chất điển hình từ kết thăm dị radar xun đất, đúc kết thơng qua kết hợp lý thuyết thực nghiệm: a) Dạng mặt cắt vật liệu trầm tích bở rời Các vật liệu trầm tích bở rời bao gồm: trầm tích cát đất tàn tích đại, đất loại sét, đất hữu Các lớp tầng địa chất vật liệu thường có tính chất từ khác nhau, sóng phản xạ chúng thể mặt cắt radar rõ Ví dụ hình 3, sóng tới truyền từ mơi trường có số điện điện trở suất nhỏ tới lớp đất hữu có thơng số tính điện lớn hơn, sau lại truyền xuống lớp đất có thơng số tính điện giảm dần, mặt đất thường xuất chùm tia phản xạ có pha ngược với sóng tới, bề mặt ranh giới phía đồng pha với sóng phản xạ b) Dạng mặt cắt đá gốc, đá magam đồng Khi đá gốc đá magma đồng (ví dụ đá granite), thường mặt cắt địa chất điển hình Tức là, phía đất tàn tích, sau theo thứ tự từ xuống đá phong hóa hồn tồn  đá phong hóa mạnh  đá phong hóa vừa  đá phong hóa nhẹ  đá gốc chưa bị phong hóa Đối với trường hợp này, thành phần vật chất lớp đất tàn tích lớp đá phong hóa hồn tồn tương đồng nên tính chất điện chúng thay đổi 54 06.2021 ISSN 2734-9888 không thật rõ rệt, đới xuất sóng phản xạ mạnh Khi vào đới phong hóa mạnh, thành phần cịn tồn khối đá tảng chưa bị phong hóa nên tính chất vật lý có khác biệt tương đối lớn so với môi trường xung quanh, xuất nhiều sóng phản xạ Trong đới phong hóa vừa có tồn nhiều khe nứt phong hóa khe nứt kiến tạo, sóng phản xạ tương đối tập trung Đến đới phong hóa nhẹ đá gốc chưa bị phong hóa, tính chất điện đá đồng nhất, tồn số lượng khe nứt kiến tạo, nên sóng phản xạ tập trung; vào sâu lượng sóng phản xạ giảm làm cho biên độ sóng nhỏ Như vậy, tổng hợp phân tích ta thấy, sau tiến hành lọc sóng cách hợp lý, mặt cắt sóng phản xạ radar đá magma đồng có đới tập trung, tương ứng với đới phong hóa vừa mạnh, sóng tới sóng phản xạ tương đồng Sóng tới =1 Đất hữu  = 12 Đất loại sét =6 Đất cát Đá gốc =5 Sóng phản xạ =4 Hình Hình dạng sóng radar mặt cắt vật liệu trầm tích c) Dạng mặt cắt vùng có hang Karst Trong trường hợp cần khảo sát khu vực có hang Karst xảy hai tình sau: (1) Hang Karst lấp đầy vật chất lấp nhét: vật chất lấp nhét bùn cát, bùn sét pha Khi mơi trường hang thường có số điện mơi cao, xung quanh khu vực hang sóng phản xạ theo hướng ngược lại, cịn phía đáy hang có sóng phản xạ tương đồng, mặt cắt sóng radar có dạng vịm cung (2) Hang Karst khơng có chất lấp nhét: khơng khí hang có số điện mơi thấp, hình dạng sóng phản xạ trái ngược với trường hợp hang bị lấp nhét Một điều cần lưu ý cho dù trường hợp vị trí tương đối hai chùm sóng phản xạ trái ngược Nếu không ý đến đặc điểm này, dễ bị nhầm lẫn với số loại đá phong hóa thành đá tảng có hình dạng gần trịn Đất tàn tích Đới phong hóa hồn tồn Đới phong hóa mạnh Đới phong hóa vừa Đới phong nhẹ Đá gốc Hình Hình dạng sóng radar mặt cắt đá granite phong hóa Hang Karst Hình Đặc trưng sóng radar vùng có hang Thực tế chứng minh, khoan khảo sát dạng công tác khảo sát địa kỹ thuật áp dụng phổ biến nhất, đồng thời thực nhiều dạng thí nghiệm trường Tuy nhiên, khu vực mà môi trường bên mặt đất có cấu tạo phức tạp, rõ ràng phương pháp khoan khảo sát cịn có mặt hạn chế định Trong trường hợp vậy, việc kết hợp khoan khảo sát thăm dò công nghệ radar xuyên đất, lấy số liệu hố khoan thực tế làm sở, sau kết hợp với kết từ thăm dò GPR giúp đánh giá cách toàn diện điều kiện địa chất khu vực xây dựng Ví dụ thực tế a) Khảo sát địa chất phục vụ phân chia địa tầng dị tìm hang Karst vùng đệm đô thị thành phố Tuyên Quang Dự án thực Viện Khoa học Địa chất & Khoáng sản đại diện Hãng IDS GeoRadar Việt Nam Dự án nằm khuân khổ kết hợp chuyển giao công nghệ GPR khảo sát thực tế phục vụ phân chia địa tầng dị tìm hang Karst khu vực vùng đệm sinh thái phía Đơng thành phố Tuyên Quang Tổng diện tích khảo sát khoảng 2,1ha Toàn khu vực khảo sát chia nhỏ thành lưới vng kích thước 50 × 50m Với lưới vng thực thăm dị GPR theo tuyến xung quanh lưới (2 tuyến bên tuyến bên cạnh ô vuông) Kết việc xác định bề dày tầng phủ (lớp đất trầm tích Đệ tứ) cịn phát khu vực có số vị trí có hang Karst Cụ thể hình ảnh mặt cắt sóng phản xạ radar Hình Hình Hình Mặt cắt sóng phản xạ radar phân chia địa tầng vị trí phát hang Karst b) Thăm dị GPR dự án Cơng trình xây lắp hệ thống Lị đáy quay phận luyện gang, Cơng ty TNHH Gang thép Hưng Nghiệp Formosa Hà Tĩnh phục vụ công tác thi cơng móng cho cơng trình Dự án có tổng diện tích xây dựng khoảng 5.3 Cơng tác thăm dò GPR thực trước tiến hành cơng tác khoan khảo sát thí nghiệm trường Mục đích cơng tác khảo sát GPR tìm kiếm, phát đối tượng ngầm có phạm vi diện tích khu đất xây dựng Kết sử dụng để thiết kế vị trí hố khoan lập biện pháp an toàn thi cơng móng cho cơng trình sau Phương án thăm dị GPR thực theo sơ đồ chia khu vực xây dựng sau (Hình 8): Hình Sơ đồ phân chia khu vực khảo sát phục vụ cơng tác thăm dị GPR Ngun tắc đo sau: ô, tiến hành đo GPR dọc theo cạnh ô thành tuyến, tuyến cách 1.0 m (Hình 9) Kết khu vực bao gồm: Site 1.1; Site 1.2; Site 1.3 Site 1.4 phát thấy có vật thể ngầm gây ảnh hưởng tới q trình khoan khảo sát thi cơng móng cho cơng trình Vị trí hình ảnh mặt cắt đối tượng ngầm thể từ Hình đến Hình 12 Hình Mặt cắt sóng phản xạ radar phân chia lớp trầm tích đến độ sâu 5,5m Hình Sơ đồ nguyên tắc đo ISSN 2734-9888 06.2021 55 NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Hình Vị trí phát đối tượng Site 1.1 độ 0.9 m cách điểm H1 54.0 m Hình 10 Vị trí phát đối tượng Site 1.2 độ 0.65 m cách điểm A2 1.0 m Hình 11 Vị trí phát đối tượng Site 1.3 độ 0.3 m, 0.4 m cách điểm A2 20.2 m, 21.8 m Hình 12 Vị trí phát đối tượng Site 1.4 độ 0.5 m, 0.95 m, 1.43 m cách điểm A3 từ 10.85 đến 12.0 m Kết luận Từ phân tích mặt lý thuyết thơng qua số ví dụ thực tế nêu nhận thấy: - Cơng nghệ radar xun đất hồn tồn kết hợp sử dụng với dạng công tác khác khảo sát địa kỹ thuật Nó khơng giúp giảm chi phí khảo sát mà cịn cho kết nhanh, không cần phá hủy môi trường trạng có độ xác cao - Đối với khu vực mà mơi trường đất có cấu tạo phức tạp, thiếu đồ (hoặc sơ đồ) hệ thống cơng trình hạ tầng kỹ thuật ngầm GPR giải pháp thích hợp để thăm dị, đánh giá thiết lập lại đồ cơng trình ngầm - Chiều sâu thăm dò GPR phụ thuộc vào tần số Ăngten, tần số Ăng-ten thấp, chiều sâu thăm dị lớn độ xác thấp ngược lại Do vậy, thực công tác thăm dò GPR cần vào yêu cầu công tác khảo sát điều kiện môi trường đất để lựa chọn tần số phù hợp 56 06.2021 ISSN 2734-9888 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] TS Đỗ Quang Thiên, NGND.GS.TSKH Nguyễn Thanh Các phương pháp nghiên cứu khảo sát địa chất cơng trình phục vụ xây dựng (sách Giáo trình) Nhà xuất Đại học Huế Huế, 2010 [2] Báo cáo kết thăm dò radar xun đất cảm ứng điện từ Cơng trình xây lắp hệ thống Lò đáy quay phận luyện gang, Công ty TNHH Gang thép Hưng Nghiệp Formosa Hà Tĩnh Công ty TNHH Tư vấn, Chuyển giao công nghệ Xây dựng Mỏ - Địa chất (CODECO) Hà Tĩnh, 2020 [3] M Beres, et al Intergration of ground penetrating radar and micro gravimetric method to map shallow cave Journal of Applied Geophysics [J], 2001, 46 (4): 249 - 262 [4] G Grandiean, et all Evalustion of GPR techniques for Civil Engineering applications: study on a test site Journal of Applied Geophysics [J], 2000.45(3): 141 - 156 [5] L Orlando, E Marchesi GeoRadar as a tool to indentify and characterize solid waste dump deposits Journal of Applied Geophysics [J] 2001, 48(3): 163 - 174 ... lý mà hồn tồn ứng dụng công nghệ công tác khảo sát địa kỹ thuật b) Đặc điểm công nghệ radar xuyên đất Cơng nghệ radar xun đất có đặc điểm sau: (1) Có tính thích ứng cao: sử dụng phương pháp thăm... thao tác đơn giản, có máy tính kèm phục vụ cho việc thu thập, ghi chép, xử lý lưu giữ số liệu trình thăm dị Ứng dụng cơng nghệ radar xun đất khảo sát địa kỹ thuật Nhiệm vụ công tác khảo sát địa kỹ. .. thơng qua số ví dụ thực tế nêu nhận thấy: - Cơng nghệ radar xun đất hồn tồn kết hợp sử dụng với dạng công tác khác khảo sát địa kỹ thuật Nó khơng giúp giảm chi phí khảo sát mà cịn cho kết nhanh,