Nghiên cứu áp dụng thiết bị radar xuyên mặt đất trong dò tìm công trình ngầm

Thành phố Hồ Chí Minh với hệ thống hạ tầng kỹ thuật ngầm phát triển lâu đời, bao gồm các hạ tầng cấp thoát nước, điện, viễn thông, chiếu sáng… các công trình hạ tầng chồng chéo và không đồng bộ dẫn đến nhiều khó khăn trong việc phối hợp giữa các đơn vị trong quản lý. Theo dõi các tiện ích ngầm thông qua bản đồ hoặc các dấu hiệu vật lý thực sự là điều cần thiết để bảo trì và sửa chữa nhanh chóng, bất cứ khi nào cần thiết, mà không gây ra nhiều cản trở cho cuộc sống hằng ngày.

Tóm tắt

Công tác khảo sát công trình ngầm quyết định đến hiệu quả quản lý hệ thống hạ tầng, mức độ chính xác trong tiến độ thực hiện, an toàn lao động của các dự án. Vì vậy, nghiên cứu được thực hiện nhằm mục đích ứng dụng Radar xuyên mặt đất (GPR) trong việc khảo sát công trình ngầm tại TP. Hồ Chí Minh.

Nghiên cứu thực hiện điển hình tại tuyến ống truyền tải nước sạch DN1500 tại TP. Hồ Chí Minh nhằm thực hiện đánh giá hiện trạng khu vực. Nghiên cứu đã xác định được vị trí 2 tuyến ống dọc theo toàn bộ khu vực khảo sát, ở độ sâu lần lượt là 0.7 m và 1.2 m, từ đó có thể thấy được mức độ phù hợp, sự chính xác của công nghệ khảo sát công trình ngầm bằng sóng radar tại TP. Hồ Chí Minh.

Phương pháp nghiên cứu

Ứng dụng GPR trong khảo sát dò tìm đường ống cấp thoát nước

Thiết bị nghiên cứu: Máy dò tìm công trình ngầm UtilityScan GSSI: thiết bị dò tìm sử dụng Ăng-ten tần số thu nhận và phân tích sóng Radar 350MHz. Theo Bảng 2 đây là tần số phù hợp cho ứng dụng dò tìm công trình hạ tầng nằm ở khu vực chiều sâu chôn nông.

Phần mềm phân tích dữ liệu Utility tích hợp trên bộ điều khiển NVIDIA SHIELD™ Tablet hệ điều hành Android và phần mềm phân tích dữ liệu RADAN 7 cài đặt trên máy tính hệ điều hành Windows.

Hình 1. Thiết bị dò tìm Quantum Imager và UtilityScan

Ăng-ten được lắp đặt trên một khay chứa Ăng-ten, gồm cực thu và cực phát. Khoảng cách giữ 2 cực thu và phát được nhà sản xuất tính toán và thiết kế cố định để đảm bảo hiệu suất thu phát sóng RADAR. Do cấu trúc thiết kế (Hình 3), Ăng-ten có độ nhạy cao với vật thể A (Target A) và kém nhạy so với vật thể B (Target B). Vật thể A có phương song song trong khi Vật thể B có phương vuông góc với hai cực Ăng-ten thu và phát.

Hình 2. Cấu tạo Ăng-ten 

Phương pháp thực hiện: Khi thực hiện khảo sát, do đặc tính Ăng-ten nhạy cảm hơn với các vật thể có phương song song với hai cực Ăng-ten thu phát và phương truyền sóng Ăng-ten có dạng hình nón. Ta tiến hành di chuyển ăng-ten để tạo mặt cắt vuông góc với vật thể. Do phương truyền sóng có dạng hình nón, cho phép phát hiện vật thể ngay cả khi Ăng-ten chưa di chuyển cắt ngang qua vật thể. Điều này dẫn đến hình dạng vật thể phát hiện bằng công nghệ GPR sẽ có dạng các Hyperbola, với đỉnh Hyperbola là tâm của vật thể.

Hình 3. Phương pháp thực hiện

Khi phát hiện hình ảnh của các Hyperbola trên màn hình, thực hiện di chuyển ngược lại hướng đã khảo sát. Một con trỏ xuất hiện trên màn hình điều khiển, con trỏ thể hiện vị trí tương ứng tại tâm của Radar. Con trỏ khi dừng tại vị trí đỉnh của Hyperbola, tương ứng với đỉnh của vật thể dò tìm nằm tại vị trí tâm của Ăng-ten (Hình 4). Nếu đỉnh của các Hyperbola được phát hiện cùng nằm trên một đường thẳng, có thể kết luận được tồn tại vật thể và hướng của vật thể tại khu vực khảo sát công trình ngầm.

Khu vực nghiên cứu thực nghiệm: Nghiên cứu ứng dụng công nghệ khảo sát công trình ngầm được thực hiện tại đường Bến Nghé, Phường Tân Thuận Đông, Quận 7, TP. HCM. Mục tiêu nghiên cứu là xác định vị trí tuyến ống truyền tải nước sạch DN1500 của Nhà máy nước BOO Thủ Đức (BOO) dẫn nước từ ngã tư Thủ Đức về đường Huỳnh Tấn Phát, Quận 7.

Hình 4. Đánh dấu, định vị vật thể ngầm tại hiện trường

Hiện nay, để thực hiện thăm dò, xác định công trình ngầm, phương pháp đào hở vẫn còn được áp dụng. Đây là phương pháp gây lãng phí và tốn nhiều thời gian để thực hiện. Việc nghiên cứu sẽ cung cấp giải pháp kỹ thuật khảo sát thăm dò không phá hủy để phục vụ công tác vận hành, quản lý, thi công… cho các đơn vị quản lý vận hành các cơ sở hạ tầng như điện, cấp nước, thoát nước, chiếu sáng, viễn thông và các cơ quan khác.

Kết quả thực hiện

Thực hiện quét sóng Radar qua nhiều mặt cắt trong phạm vi đã giới hạn 4x100 m, tiến hành đi vuông góc với tuyến ống nghi ngờ. Dựa trên các hình ảnh phân tích tại chỗ, xác định và tiến hành đánh dấu cắm cọc làm mốc vị trí tim ống. Tín hiệu phản xạ Radar được bộ điều khiển thu thập và xử lý dữ liệu tại chỗ. Các vật thể ngầm có hình dạng các Hyperbol và thể hiện trên màn hình điều khiển. Phát hiện 2 vật thể nghi ngờ là đường ống cấp nước BOO tại độ sâu 0,7 m và 1,2 m tính từ mặt đất. Tại nhiều mặt cắt khảo sát, xuất hiện rất rõ hình ảnh của 2 Hyperbol nằm song song.

Với công trình ngầm cần xác định là tuyến ống truyền tải nước BOO. Tuyến ống sẽ chạy xuyên suốt toàn bộ khu vực khảo sát. Do đó, tiến hành xác định nhiều mặt cắt khác nhau để xác định đỉnh Hyperbol và định vị tâm vật thể, đánh dấu các vị trí tương ứng trên mặt đất. Qua 3 điểm chúng ta sẽ vẽ được một đường thẳng, nếu các điểm đánh dấu trên mặt đất khi nối lại cùng nằm trên một đường thẳng, ta có thể xác định được vật thể nghi ngờ có tính chất tuyến tính là một vật thể chạy dài liên tục với tâm vật thể là các điểm đã đánh dấu tại hiện trường.

Kết thúc khảo sát tại hiện trường, các kết quả khảo sát công trình ngầm được phân tích chuyên sâu bằng phần mềm Radan 7. Sử dụng phần mềm Radan 7 để kiểm tra độ tin cậy các hình ảnh ghi nhận được của các vật thể ngầm đã khảo sát tại hiện trường. Phần mềm này cho phép phân tích hình ảnh, quang phổ, vị trí GPS của Hyperbol phát hiện được (Hình 6).

Hình 5. Mặt cắt và vật thể ngầm tại khu vực khảo sát 

Hình 6. Vật thể phản xạ mạnh tạo ra các hiệu ứng quang phổ trên phần mềm RADAN7

Phần mềm RADAN7 cho phép kiểm tra tín hiệu sóng phản xạ Radar trong quá trình truyến sóng vào lòng đất. Chức năng tương tự máy phân tích giao động ký. Nếu chia cột tín hiệu sóng phản xạ thành 2 phần, sóng phản xạ dương (bên phải trục tung) và sóng phản xạ âm (bên trái trục tung). Sự phản xạ được tạo ra bất cứ khi nào sóng Radar đi qua các môi trường có tính chất dẫn điện hoặc điện môi khác nhau. Khi sóng Radar đi từ môi trường điện môi thấp đến môi trường điện môi cao, sẽ xuất hiện sóng phản xạ dương. Ngược lại sóng Radar đi từ môi trường điện môi cao đến môi trường điện môi thấp sẽ xuất hiện sóng phản xạ âm. Cường độ hoặc biên độ của sự phản xạ được xác định bởi độ tương phản trong hằng số điện môi và độ dẫn của hai vật liệu. Phân tích sóng phản xạ, có thể dự đoán độ sâu và sự thay đổi hằng số điện môi trong môi trường truyền sóng Radar.

Sóng phản xạ trực tiếp. Ăng-ten phát chùm sóng Radar hình nan quạt vào lòng đất, một số tia sóng Radar sẽ truyền trực tiếp đến ăng-ten thu, gây ra hiện tượng phản xạ trực tiếp. Có thể dễ dàng phân biệt và phát hiện điều này khi kết quả khảo sát luôn xuất hiện một lớp phản xạ tại độ sâu 00m trên màn hình kết quả.

Phân tích sóng phản xạ

Lớp tái lập. Lớp tái lập được xác định ở độ sâu 0.3-0.5 m tính từ mặt đất, để phục vụ công việc khảo sát, hiện trường khảo sát được tái lập tạm bằng các vật liệu sẵn có tại hiện trường như đất, gạch đá, cát, vật liệu xây dựng.

Vật thể ngầm. Theo đặc điểm sử dụng vật liệu đường ống tại TP.Hồ Chí Minh, đường ống có đường kính lớn hơn 300 mm sẽ sử dụng ống kim loại hoặc bê-tông cốt thép. Sóng Radar khi gặp vật thể ngầm sẽ xảy ra sự phản xạ do thay đổi hằng số điện môi giữa môi trường khảo sát và vật liệu của vật thể. Tại đỉnh Hyperbol xuất hiện sóng phản xạ dương, chứng tỏ hằng số điện môi của vật thể lớn hơn hằng số điện môi của môi trường. Khẳng định, vật thể phát hiện được có tính chất kim loại, đây có thể là đường ống cấp nước cần dò tìm.

Phần mềm RADAN7 cũng cung cấp vị trí GPS tại khu vực dò tìm. Thống kê GPS tại các điểm là đỉnh của các Hyperbol (Bảng 3). Sử dụng phần mềm Google Earth để kiểm tra, xác định 2 vật thể dò tìm được có tính chất tuyến tính, cùng nằm trên một đường thẳng hàng.

Bảng 1. Vị trí GPS vật thể dò tìm được tại khu vực khảo sát công trình ngầm

Dựa trên các kết quả khảo sát phân tích công trình ngầm tại hiện trường và phần mềm RADAN7. Tại khu vực khảo sát công trình ngầm, đã phát hiện 2 vật thể song song và tuyến tính dọc theo toàn bộ khu vực giới hạn khảo sát. Độ sâu 2 vật thể lần lượt là 0.7 m và 1.2 m. So sánh đối chiếu với dữ liệu vận hành đường ống cấp nước BOO xác định vật thể có độ sâu 1.2 là tuyến ống truyền tải nước BOO Thủ Đức.

KẾT LUẬN

Nghiên cứu ứng dụng thiết bị dò tìm công trình ngầm UtilityScan GSSI tại hiện tại đường Bến Nghé, Phường Tân Thuận Đông, Quận 7, TP. Hồ Chí Minh đã xác định được vị trí và độ sâu của 2 công trình ngầm, trong đó có 1 công trình ngầm được xác định là đường ống cần dò tìm. Các công trình ngầm được thể hiện rõ ràng bằng hình ảnh, độ sâu các Hyperbol trên phần mềm tại các mặt cắt khảo sát. Phân tích chuyên sâu bằng phần mềm RADAN7 cũng xác định được các công trình ngầm, độ sâu cũng như vị trí tọa độ định vị GPS. Phương pháp thực hiện tại hiện trường, cũng như vận hành máy UtilityScan dễ dàng, nhanh chóng. Thiết bị thiết kế dạng xe đẩy giúp thuận tiện trong thao tác di chuyển, tiếp cận mặt bằng khảo sát.

Phương pháp khảo sát dò tìm công trình ngầm bằng công nghệ GPR cho thấy nhiều ưu điểm vượt trội so với phương pháp dò tìm truyền thống như không phải tiến hành đào hở thăm dò, tiết kiệm được thời gian, nhân lực và chi phí thực hiện. Dữ liệu khảo sát được số hóa, giúp công tác lưu trữ, lập hồ sơ kỹ thuật nhanh chóng, hiệu quả.

Tuy nhiên, tại một số vị trí, các mặt cắt không xác định được hình ảnh Hyperbol. Một số vị trí được tái lập tạm bằng nhiều loại vật liệu khác nhau như đất, gạch đá, cát, vật liệu xây dựng để phục vụ khảo sát tạo nên địa tầng không ổn định. Điều này gây ảnh hưởng rất nhiều đến kết quả khảo sát. Sóng Radar truyền qua nhiều vật liệu hỗn hợp có hằng số điện môi khác nhau tại tầng mặt của mặt cắt khảo sát gây ra tình trạng nhiễu và tán xạ. Sóng Radar bị phản xạ tại tầng mặt, làm giảm cường độ sóng Radar vào lòng đất. Một số vị trí ngập trong nước, làm tăng hằng số điện môi gây giảm vận tốc truyền và cường độ Radar. Do vậy, công tác tái lập các công trình hạ tầng cũng ảnh hưởng đáng kể đến kết quả dò khảo sát công trình bằng công nghệ sóng Radar. TP. Hồ Chí Minh là khu vực có mực nước ngầm cao, điều này cũng gây ảnh hưởng đến chất lượng khảo sát công trình ngầm, cần lưu ý chế độ triều cường và thời tiết trước khi có kế hoạch khảo sát công trình ngầm bằng công nghệ Radar.

Nghiên cứu đã xác định 2 công trình ngầm tại khu vực khảo sát, tuy nhiên chỉ xác định được 1 công trình ngầm là tuyến ống BOO Thủ Đức. Thiết bị dò tìm công trình ngầm mặc dù phục vụ rất tốt cho nhu cầu khảo sát, dò tìm công trình ngầm, nhưng cần có các thông tin hạ tầng kỹ thuật tại vị trí dò tìm mới có thể xác định được chính xác đây là loại công trình gì. Điều này càng khẳng định, cần có sự phối hợp trao đổi thông tin giữa các đơn vị quản lý các công trình ngầm (cấp nước, thoát nước, viễn thông, truyền tải điện…) mới có thể giải quyết triệt để vấn đề về quản lý, vận hành cơ sở hạ tầng.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1. Bevan, B. and J. Kenyon (1975). "Ground-penetrating radar for bistorical archaeology." Masca Newsletter 11(12): 2-17.

2. Birken, R. and M. Oristaglio (2014). Mapping subsurface utilities with mobile electromagnetic geophysical sensor arrays. Sensor Technologies for Civil Infrastructures, Elsevier: 347-395.

3. Buderi, R. (1996). TheInvention That Changed the World, New.

4. Dawoud, M. M. (2003). High frequency radiation and human exposure. Proceedings of the International Conference on Non-Ionizing Radiation at UNITEN (ICNIR 2003).

5. Giardano, M., R. B. Clay, K. L. Kvamme, T. J. Green, R. A. Dalan, J. J. Lockhart, M. L. Hargrave, B. S. Haley, L. Somers and L. B. Conyers (2006). Remote sensing in archaeology: an explicitly North American perspective, University of Alabama Press.

6. Hebsur, A., N. Muniappan, E. Rao and G. Venkatachalam (2013). "Application of GPR in urban utility detection ranging and characterization."

7. Jeffrey, J. D. (2000). "Ground penetrating radar fundamentals." Department of Geological Sciences, The Ohio State University, prepared as an appendix to a report to the US EPA, Region V.

8. Jol, H. M. (2008). Ground penetrating radar theory and applications, elsevier.

9. Reynolds, J. M. (2011). An introduction to applied and environmental geophysics, John Wiley & Sons.

10. Shihab, S. and W. Al-Nuaimy (2005). "Radius estimation for cylindrical objects detected by ground penetrating radar." Subsurface sensing technologies and applications 6(2): 151-166.

11. Stern, W. (1929). "Versuch einer elektrodynamischen Dickenmessung von Gletschereis." Gerlands Beitrage zur Geophysik 27: 292-333.

12. TURKEL, V., M. YALCINKAYA and H. AKBAS (2009). Detection methods of underground pipelines. 24th World Gas Conference, Buenos Aires, Argentina.

13. Windsor, C. G., L. Capineri and P. Falorni (2005). "The estimation of buried pipe diameters by generalized Hough transform of radar data." PIERS Online 1(3): 345-349.

14. https://www.geophysical.com/

15. www.nyld.com/index.asp

16. http://userpage.fu-berlin.de/geodyn/instruments/ Manual_GSSI_Antennas.pdf).n

TS. VÕ ANH TUẤN

Bộ môn Nước và Môi trường

Trường Đại học Kiến trúc TP. Hồ Chí Minh