Nghiên cứu được thực hiện nhằm mục đích ứng dụng GPR  trong việc khảo sát các công trình ngầm tại Thành phố Hồ Chí Minh.  Nghiên cứu được tiến hành bằng cách quét vuông góc với vật thể nghi ngờ, xác định vị trí vật thể dựa trên hình ảnh hiển thị trên máy tính bảng, vị trí xuất hiện các vật thể được hiển thị dưới dạng hình hyperbol, xuất phát từ những thay đổi trong chất điện môi (vận tốc) được tạo ra khi ăng ten tiếp cận và đi qua các vị trí tương tự. Nghiên cứu đã xác định thành công vị trí 2 tuyến ống dọc theo toàn bộ khu vực khảo sát, ở độ sâu lần lượt là 0.7m và 1.2m, 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 Thành phố Hồ Chí Minh.

1. GIỚI THIỆU

GPR sử dụng trường điện từ, thông qua sự suy giảm tín hiệu và phản xạ tín hiệu khi đi qua vật liệu (bị ảnh hưởng bởi tính dẫn điện và hằng số điện môi của vật liệu) để phát hiện các cấu trúc (hay các sự thay đổi tính chất vật liệu) trong vật liệu. Do sự suy giảm khi xuyên qua vật liệu, trường điện từ sẽ thâm nhập đến một số độ sâu nhất định trước khi bị hấp thu hoàn toàn.

Thiết bị GPR gồm 2 thành phần chính, bộ điều khiển và ăng-ten. Bộ điều khiển chứa các thiết bị điện tử kích hoạt sóng Radar mà ăng-ten phát xuống lòng đất. Bộ điều khiển cũng tích hợp một máy tính và ổ cứng để lưu trữ dữ liệu cho mục đích kiểm tra sau khi thực hiện khảo sát thực địa. Ăng-ten nhận xung điện do bộ điều khiển tạo ra, khuếch đại nó và truyền nó vào mặt đất hoặc môi trường khác ở một tần số cụ thể. Một chuỗi sóng Radar được ăng-ten phát vào lòng đất, khi gặp các vật liệu có độ dẫn điện và hằng số điện môi khác nhau, sẽ tạo ra các sóng phản xạ. Ăng-ten thu các sóng phản xạ này và bộ điều khiển tính toán cường độ và thời gian nhận được sóng phản xạ để cho ra kết quả khảo sát dò tìm (Jeffrey 2000).

Tần số ăng-ten là một yếu tố chính trong việc sóng Radar thâm nhập sâu được vào lòng đất. Tần số của ăng-ten càng cao, độ sâu thâm nhập được vào lòng đất sẽ càng giảm nhưng bù lại có khả năng phát hiện các vật thể có kích thước nhỏ hơn so với ăng-ten có tần số thấp. Lựa chọn ăng-ten là một trong những yếu tố quan trọng nhất trong thiết kế khảo sát. Tần số công nghệ GPR sử dụng từ 10MHz đến 10 GHz. Đây là dải tần số dân dụng, được sử dụng rộng rải trong đời sống thường ngày (Dawoud 2003). GPR sử dụng nguyên tắc tán xạ sóng điện từ để xác định vị trí các vật bị chôn vùi và hoạt động trong dải tần từ 10 MHz đến 3 GHz (Birken and Oristaglio 2014). 

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. 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. Năng lượng Radar đáp ứng với các vật liệu khác nhau theo những cách khác nhau. Cách mà nó phản ứng với mỗi vật liệu bị chi phối bởi hai tính chất vật lý của vật liệu: tính dẫn điện và hằng số điện môi. 

Tính dẫn điện: Vì sóng radar là năng lượng điện từ, nó có thể bị suy giảm (hấp thụ tự nhiên) khi di chuyển qua một vật liệu. Nếu vật liệu mà năng lượng sóng điện từ đang di chuyển qua là vật liệu có độ dẫn điện thấp (điện trở cao) như: cát khô, băng hoặc bê tông khô…, tín hiệu có thể di chuyển qua dễ dàng và ít bị suy hao (do tín hiệu được giữ nguyên lâu hơn), do đó có thể đi sâu hơn vào vật liệu. Nếu một vật liệu có độ dẫn điện cao (điện trở thấp) như: nước, đất sét, bê tông ướt..., năng lượng sóng điện từ sẽ được hấp thụ trước khi nó có cơ hội thâm nhập sâu vào vật liệu. Do đó, Radar phù hợp để kiểm tra bất kỳ vật liệu nào có độ dẫn điện thấp (bê tông, cát, gỗ, nhựa đường, v.v.). Theo nguyên tắc thông thường, hàm lượng nước của vật liệu càng lớn thì độ dẫn điện càng cao, vì vậy sóng Radar sẽ thâm nhập sâu hơn trong đất cát khô cằn so với trong đất sét ướt.

Hằng số điện môi: Độ tương phản điện môi là một con số mô tả cho thấy sóng điện từ truyền qua vật liệu nhanh như thế nào. Sóng điện từ sẽ luôn di chuyển nhanh nhất có thể thông qua một vật liệu, nhưng một số vật liệu nhất định làm chậm tốc độ di chuyển của sóng điện từ hơn các vật liệu khác. Nếu chúng ta biết điện môi của mặt đất, chúng ta có thể tìm ra độ sâu của một vật thể bởi vì chất điện môi cho chúng ta biết sóng điện từ đang di chuyển nhanh như thế nào. Bảng 1 trình bày hằng số điện môi của sóng Radar.

Hệ thống RADAR đo thời gian từ lúc phát sóng điện từ đến lúc nhận được sóng phản xạ, vì vậy nếu biết tốc độ của sóng điện từ, có thể nhân thời gian và tốc độ di chuyển hai chiều để có được độ sâu. Điện môi càng cao, sóng điện từ di chuyển qua môi trường càng chậm và ngược lại. Phạm vi của hằng số điện môi từ 1 (không khí) đến 81 (nước), kim loại có hằng số điện môi vô cùng (∞). Sóng điện từ di chuyển trong không khí với tốc độ gần như bằng ánh sáng. Nó di chuyển trong nước ở khoảng 1/9 tốc độ ánh sáng. Điện môi từ 5 đến 20, điển hình cho hầu hết các khu vực khảo sát hạ tầng, tương ứng với vận tốc sóng điện từ là 6,6cm đến 13,5cm mỗi nano giây. Vật liệu ướt sẽ làm chậm tín hiệu vì sự hiện diện của nước sẽ làm tăng điện môi tổng của vật liệu.

Công nghệ GPR được ứng dụng rộng rãi trong công tác khảo sát hạ tầng (các loại đường ống ngầm như ống bê-tông, ống kim loại và phi kim loại. Dò tìm cáp ngầm điện lực, điện thoại. Xác định vị trí và độ sâu đường ống…), khảo cổ, khoáng sản, khảo sát đứt gãy, …Bảng dưới đây mô tả một số ứng dụng tương ứng với tần số ăng-ten, độ sâu dò tìm Bảng 2).

2. PHƯƠNG PHÁP 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 (hình 1). 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  GPR 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 1), 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.

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 2a). 

 

Hình 2. 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 2b). 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.

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 3. Phạm vi và công tác khảo sát bằng thiết bị Radar

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.

 

3. KẾT QUẢ THỰC HIỆN

Thực hiện quét sóng Radar qua nhiều mặt cắt trong phạm vi đã giới hạn 4x100m, 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 0,7m và 1,2m 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 (Hình 4). 

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 5). 

 

Hình 4. Mặt cắt và vật thể ngầm tại khu vực khảo sát

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 tại (hình 5), 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.

Lớp tái lập. Lớp tái lập được xác định ở độ sâu 0.3-0.5m 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 300mm 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.

 

Hình 5. Vật thể phản xạ mạnh tạo ra các hiệu ứng quang phổ trên phần mềm RADAN7

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 0.7m và 1.2m. 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.

4. 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. HCM 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.

-------------------------------------