探地雷達(dá)在公路路基巖溶探測中的應(yīng)用研究

周平 胡麗琴

摘 要：本文介紹了探地雷達(dá)工作原理和探測方法，在工程實例的基礎(chǔ)上，研究了公路路基巖溶的探地雷達(dá)信號特征及現(xiàn)場干擾信號的雷達(dá)圖像特征，有助于提高探地雷達(dá)信號的解譯水平，為探地雷達(dá)在路基巖溶探測工作積累了必要經(jīng)驗。

關(guān)鍵詞：探地雷達(dá)；路基；溶洞

中圖分類號：U412 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）06（b）-0000-00

中圖分類號： 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：

The Application Study Of Detection With Ground Penetrating Radar About Highway Subgrade Karst Cave

ZHOU Ping1 HU Li-qing2

（1 Jiangxi Traffic Consulting Company， Nanchang， Jiangxi 330300，China）

（2 Jiangxi Nanchang Transport Management，Nanchang， Jiangxi 330300，China ）

Abstract：Working principle of ground penetrating radar and detection methods was introuduced. Based on engineering example， the characteristics of radar images about highway subgrade karst was studied， it is helpful to improve the translation level of ground penetrating radar signal ， it is also helpful to improve the experience in subgrade karst exploration work.

Key words：Ground penetrating radar； karst cave

1引言

我國近年來掀起的交通設(shè)施建設(shè)高潮使得交通狀況日新月異，特別是公路通車?yán)锍虒冶凰⑿?。在大量的公路工程建設(shè)過程中，受限于工期、技術(shù)等因素，由公路路基巖溶引起基層和面層病害的情況時有發(fā)生。在這一背景下，如何對新建和運營的公路路基巖溶進(jìn)行探測和解譯便成了掌握和處治巖溶的關(guān)鍵技術(shù)。

2 探測原理與方法

2.1探測原理

我國的探地雷達(dá)無損檢測技術(shù)起步于上世紀(jì)九十年代，探地雷達(dá)是一種用于確定地下介質(zhì)分布情況的高頻電磁技術(shù)，基于地下介質(zhì)的電性差異，探地雷達(dá)通過一個天線發(fā)射高頻電磁波，另一個天線接收地下介質(zhì)反射的電磁波，并對接收到的信號進(jìn)行處理、分析、解譯。其詳細(xì)工作過程是：由置于地面的天線向地下發(fā)射一高頻電磁脈沖，當(dāng)其在地下傳播過程中遇到不同電性（主要是相對介電常數(shù)）目標(biāo)時，電磁波發(fā)生反射返回地面，被接收天線接收，并由主機(jī)記錄，雷達(dá)工作原理及其基本組成見圖1。反射波從被發(fā)射天線發(fā)射到被接收天線接收的時間稱為雙程走時t，當(dāng)求得地下介質(zhì)的波速時，可根據(jù)測到的精確t值折半乘以波速求得目標(biāo)體的位置或埋深，同時結(jié)合各反射波組的波幅與頻率特征可以得到探地雷達(dá)的波形圖像，從而了解場地內(nèi)目標(biāo)體的分布情況。

我國眾多科技工作者分別從理論基礎(chǔ)和工程應(yīng)用的角度對探底雷達(dá)技術(shù)先后進(jìn)行了大量的研究[1-5]，并取得了輝煌的成果。

圖1 雷達(dá)工作原理及其基本組成示意圖

2.2探測方法

根據(jù)現(xiàn)場探測深度和精度要求選擇100M地面耦合型天線，探測方向沿路線方向布設(shè)，測線布置示意圖如圖2所示（黑點為測線剖面位置），采用連續(xù)測量模式或測距輪模式，時窗范圍250ns，探測深度為10米左右。

圖2 探地雷達(dá)測線布置示意圖

3巖溶及其圖像特征分析

當(dāng)路基中存在巖溶時，其與巖土體電性差異較大，電磁波在二者界面處易形成強(qiáng)烈的反射波，根據(jù)雷達(dá)檢測剖面圖像輪廓和波形特征即可識別巖溶的空間特征。

3.1正常地段

正常的地段巖土體風(fēng)化程度、含水率、軟硬狀態(tài)等較為均一，介電常數(shù)變化不大， 介質(zhì)較為均勻，其雷達(dá)圖像反射波較弱，同相軸連續(xù)。

圖3 正常段雷達(dá)波形圖

3.2溶洞

溶洞內(nèi)介質(zhì)為空氣或粘土夾雜碎石填充物，與灰?guī)r的電性差異較大，因此，電磁波在其周邊會產(chǎn)生很強(qiáng)的反射。圖4中左側(cè)異常區(qū)域為巖溶空洞，已經(jīng)鉆探驗證，右側(cè)異常區(qū)域為平行的兩條圓管涵。溶洞和管涵的邊界均會產(chǎn)生強(qiáng)反射，管涵的強(qiáng)反射界面在水平方向上沿管涵軸線基本對稱，而溶洞的強(qiáng)反射界面則顯得很雜亂。由于電磁波傳播介質(zhì)的變化，無法準(zhǔn)確判斷電磁波速，所以圖中異常區(qū)豎向標(biāo)高與實際幾何特征存在差異。

圖4 溶洞雷達(dá)波形圖

3.3上跨橋梁

當(dāng)測線下穿橋梁等結(jié)構(gòu)物時，電磁波會經(jīng)空氣向上傳播并在橋梁底面產(chǎn)生強(qiáng)反射，在水平方向上呈現(xiàn)明顯的拋物線，其視速度為0.3m/ns左右。

圖5 上跨橋梁雷達(dá)波形圖

3.4上跨電纜

當(dāng)測線下穿電纜時，同樣會產(chǎn)生拋物線形強(qiáng)反射，其視速度也為0.3m/ns左右。

圖6 上跨電纜雷達(dá)波形圖

3.5隔離柵

在高速公路的路塹兩側(cè)邊坡上常設(shè)置隔離柵，隔離柵隨邊坡高度起伏，當(dāng)測線沿著路線方向前進(jìn)時，天線距隔離柵的距離亦隨之變化，從圖7中可以看出，較強(qiáng)的隔離柵反射界面是連續(xù)的，反射界面雙程走時從左至右呈現(xiàn)增大趨勢，這說明天線與隔離柵的距離是增大的，路側(cè)邊坡是由低向高變化的。

圖7 隔離柵雷達(dá)波形圖

4結(jié)論

本研究通過探地雷達(dá)探測原理進(jìn)行分析，針對探測對象優(yōu)化了探測方法和探測參數(shù)，結(jié)合工程實測圖像對正常段信號和常見的異常段信號進(jìn)行了分析。得到了如下認(rèn)識：

（1） 當(dāng)介質(zhì)電性差異較大時，反射波是很直觀、強(qiáng)烈的，界面信號明顯；

（2） 賦存于巖土體中的溶洞能夠被準(zhǔn)確的探測，但豎向尺寸存在誤差；

（3） 準(zhǔn)確掌握現(xiàn)場探測條件是進(jìn)行巖溶探測的基礎(chǔ)。

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