探地雷達(dá)在城市交通建設(shè)中的技術(shù)應(yīng)用

秦 鎮(zhèn)，吳海波，張恩澤

（安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院，安徽淮南232001）

隨著我國城市化水平的不斷提高，城市人口數(shù)量的快速上升的同時(shí)也導(dǎo)致交通壓力的增大。軌道交通憑借其運(yùn)量大、快速便捷、環(huán)保節(jié)能、占用城市地上空間少等優(yōu)勢得到了大力發(fā)展。但是，地下通道掘進(jìn)施工過程中，隧道拱頂至路面范圍內(nèi)的空洞、地下管線回填不密實(shí)等會(huì)造成路面下方結(jié)構(gòu)內(nèi)的應(yīng)力變化，進(jìn)而引起路面沉降塌陷，這也嚴(yán)重威脅了軌道交通的安全。

當(dāng)前應(yīng)用于城市道路病害檢測的地球物理探測手段較多，常用的探測手段主要有淺層地震波反射法、高密度電阻率法、瞬變電磁法、探地雷達(dá)等。不同的探測方法都有其優(yōu)缺點(diǎn)。傳統(tǒng)的技術(shù)手段在實(shí)際應(yīng)用中往往工作量較大，不能夠快速便捷地進(jìn)行準(zhǔn)確全面的解釋，甚至在探測過程中會(huì)對(duì)工程造成破壞。憑借方便快捷、效率高、操作簡單等優(yōu)點(diǎn)，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步探地雷達(dá)無損探測手段在道路建設(shè)過程中的應(yīng)用越來越廣泛。

探地雷達(dá)在城市道路建設(shè)中的應(yīng)用時(shí)間距今較短，它的應(yīng)用始于20世紀(jì)80年代后期[1]。當(dāng)前，探地雷達(dá)在我國主要被應(yīng)用于城市道路中管線的檢測、隧道襯砌檢測、堤壩質(zhì)量安全檢測等。葛雙成等在浙江用探地雷達(dá)對(duì)大壩和海塘進(jìn)行持續(xù)多年的監(jiān)測，成功地檢測出在堤腳出現(xiàn)的掏空現(xiàn)象[2]。汪文強(qiáng)等運(yùn)用探地雷達(dá)對(duì)成都地鐵2號(hào)線盾構(gòu)施工滯后沉降進(jìn)行了檢測，以此來預(yù)防由于不密實(shí)帶和空洞等引起的道路塌陷，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)[3]。熊昌盛等研究了探地雷達(dá)在鐵路隧道襯砌中的應(yīng)用，認(rèn)為探地雷達(dá)可以快速可靠地判定襯砌厚度、襯砌背后空洞以及鋼筋、初支鋼架分布情況[4]。謝昭暉等研究了探地雷達(dá)在道路路基病害檢測中的應(yīng)用，分析了各類路基病害的雷達(dá)圖像[5]。這些研究都證實(shí)了探地雷達(dá)對(duì)建筑工程中異常體檢測的可行性和優(yōu)越性。

本文在前人的研究基礎(chǔ)上，結(jié)合某市城市軌道建設(shè)工程，用探地雷達(dá)采集大量數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理后來分辨道路下隱藏的不同病害，同時(shí)指出一些在探測過程中出現(xiàn)的干擾信號(hào)，對(duì)今后的工作有一定的借鑒意義。

1 探地雷達(dá)方法原理

1.1 探查地質(zhì)地球物理?xiàng)l件

本文中數(shù)據(jù)的采集工作均在城市軌道交通上方公路路面上進(jìn)行的。通常講，城市道路結(jié)構(gòu)由結(jié)構(gòu)層分為鋪設(shè)墊層、基層和面層組成，因各層使用的主要建筑材料不相同，介電常數(shù)即不同。道路中夾藏的軟弱層、空洞、富水區(qū)等之間的介電常數(shù)也有很大的差異，這些共同為探地雷達(dá)檢測手段提供了技術(shù)上的可行性。

1.2 探查方法原理

探地雷達(dá)是通過發(fā)射天線向地下發(fā)射高頻電磁波，電磁波在地下傳播時(shí)遇到電性性質(zhì)不同的介質(zhì)或臨界面時(shí)會(huì)發(fā)生反射，這時(shí)通過接受天線接收反射回地面的電磁波。如圖1所示，實(shí)際探測中通過左邊的發(fā)射天線(Tx)處發(fā)射寬頻帶、短脈沖的電磁波向地下穿透，電磁波在傳播的過程中遇到介電系數(shù)不同的地下目標(biāo)物體介質(zhì)時(shí)發(fā)生反射。右邊的接受天線(Rx)接受返回波，與此同時(shí)，控制單元接受反射的信號(hào)在電腦中顯示相應(yīng)的雷達(dá)波圖像。

圖1 探地雷達(dá)工作原理圖

1.3 主要計(jì)算公式

（1）電磁脈沖波旅行時(shí)間：

式中：z——勘查目標(biāo)介質(zhì)體的埋深；

x——發(fā)射、接收天線的距離（式中因z＞x故x可忽略）；

v——電磁波在介質(zhì)中的傳播速度。

（2）探地雷達(dá)記錄時(shí)間和勘查深度的關(guān)系：

式中：Z——勘查目標(biāo)體的深度；

t——雷達(dá)記錄時(shí)間。

2 探查技術(shù)應(yīng)用

探地雷達(dá)現(xiàn)場使用中需要合理選擇測線布置方式，以及合適的天線及參數(shù)等，這里結(jié)合Mala雷達(dá)進(jìn)行闡述。

2.1 測線布置

測線的布置要根據(jù)具體工程要求布置。利用500MHz屏蔽雷達(dá)探測地下管線時(shí)，在收集到目標(biāo)管線資料的情況下，要根據(jù)管線的垂直方向進(jìn)行測線的布置，至少布置3條（圖2）：中間一條，兩邊間距2m各布置一條，這樣才能有效地判斷出管線的具體位置以及埋深等信息。

圖2 管線測線布置

管線探測測線的布置應(yīng)盡可能地避免障礙物和地面金屬覆蓋物。利用50MHz非屏蔽和100MHz屏蔽雷達(dá)探測深部和淺部地下狀況時(shí)，根據(jù)工程要求，左右地鐵隧道上方各布置3條測線。

2.2 可行性分析

在探地雷達(dá)實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)對(duì)探測目標(biāo)體和場地環(huán)境進(jìn)行充分了解和分析，以此來確保項(xiàng)目的順利完成，具體表現(xiàn)在以下3個(gè)方面：

（1）目標(biāo)體的埋深。探測目標(biāo)體的埋深是探地雷達(dá)方法探測可行性的決定性因素，若目標(biāo)體的埋深過深，那么雷達(dá)探測法將不適用。一般我們認(rèn)為，探地雷達(dá)的探測深度由2個(gè)因素決定，它們分別是雷達(dá)系統(tǒng)的增益指數(shù)和場地的介質(zhì)介電常數(shù)。

（2）目標(biāo)體的電性特征。運(yùn)用下面的目標(biāo)體功率反射系數(shù)來判斷探地雷達(dá)檢測手段的可行性。

一般認(rèn)為，Pr的值不應(yīng)小于0.01，公式（3）中，εh和εT分別表示為圍巖和目標(biāo)體的相對(duì)介電常數(shù)，表1為常見介質(zhì)的介電常數(shù)。

表1 常見介質(zhì)的介電常數(shù)

（3）探測地場地環(huán)境。實(shí)際探測過程中，場地環(huán)境對(duì)探測的數(shù)據(jù)結(jié)果影響很大，往往會(huì)干擾我們對(duì)目標(biāo)探測體的判斷。測區(qū)內(nèi)的金屬材料如廣告牌、路面鋪蓋的鋼板等都會(huì)對(duì)探測形成嚴(yán)重干擾，所以在探測過程中要盡量避開這些大型干擾物或是在探測過程中對(duì)這些干擾物進(jìn)行詳細(xì)記錄，以便后期數(shù)據(jù)解釋中對(duì)干擾信號(hào)源的甄別。

2.3 天線中心頻率的選擇

雷達(dá)剖面圖成像的分辨率與天線的中心頻率成正相關(guān)關(guān)系，探測深度與天線中心頻率成反相關(guān)關(guān)系。一般探測情況下，天線中心頻率的選擇由設(shè)計(jì)要求的分辨率和目標(biāo)探測深度決定。

若要求的空間分辨率為Xm,在知道場地介質(zhì)介電常數(shù)ε的情況下，天線中心頻率可由公式（4）計(jì)算得到：

天線中心頻率的選擇也可以根據(jù)施工承建方的要求探測深度（D）來快速選擇：

3 工程應(yīng)用分析

城市道路建設(shè)中運(yùn)用探地雷達(dá)主要是檢測淺層地下管線布置、地下空洞的分布、以及裂縫和松散不密實(shí)區(qū)域等病害。但是在實(shí)際檢測過程中，地表及地下存在著諸多影響因數(shù)，往往這些影響因數(shù)在雷達(dá)數(shù)據(jù)圖像上會(huì)呈現(xiàn)一些類似于我們所要探測的病害的波形特征，在后期的報(bào)告中就會(huì)容易出現(xiàn)誤判或遺漏。本文特別指出一些常見的干擾源并加以分析說明。

3.1 典型干擾分析

(1)人行天橋。城市道路中的人行天橋?qū)Ψ瞧帘蔚睦走_(dá)的探測結(jié)果有較大的影響。當(dāng)雷達(dá)經(jīng)過人行天橋下方時(shí)，電磁波會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)烈的反射，在接近和遠(yuǎn)離人行天橋時(shí)會(huì)產(chǎn)生繞射波，從而會(huì)在雷達(dá)圖像上形成多組雙曲線特征。如圖3測線100～120的矩形區(qū)域，為實(shí)測時(shí)當(dāng)雷達(dá)天線經(jīng)過天橋時(shí)的干擾信號(hào)。

圖3 RT50MHz雷達(dá)穿過人行天橋雷達(dá)圖

由圖3可以看出，人行天橋的雷達(dá)圖像為較規(guī)則的雙曲線，但雙曲線特征不能反映實(shí)際天橋的寬度。

圖4 金屬井蓋雷達(dá)圖

(2)路面金屬蓋板。探地雷達(dá)天線通過地表金屬物時(shí)會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)反射，在探地雷達(dá)剖面上表現(xiàn)為強(qiáng)能量同向軸出現(xiàn)，并且反射波會(huì)在金屬物和天線間產(chǎn)生多次反射，在剖面上表現(xiàn)為強(qiáng)能量同向軸垂直方向上延續(xù)時(shí)間長的特點(diǎn)[6]。根據(jù)現(xiàn)場探測記錄，圖4中測線26～28m處的紅色矩形標(biāo)記內(nèi)為探地雷達(dá)經(jīng)過道路金屬蓋板時(shí)出現(xiàn)的現(xiàn)象。

3.2 典型病害分析

（1）松散不密實(shí)。城市道路下松散不密實(shí)病害一般是由于后期道路施工回填不實(shí)和雨水滲透侵蝕而形成的。松散不密實(shí)區(qū)域在各種外力的作用下會(huì)發(fā)育成道路下方隱伏空洞而影響交通運(yùn)輸安全。路基壓實(shí)度較好的情況下，各層之間密實(shí)，雷達(dá)剖面圖上的波形較為規(guī)則有序。當(dāng)公路面在內(nèi)外力的共同作用下，往往發(fā)生路面下方出現(xiàn)松散的現(xiàn)象，松散區(qū)內(nèi)形成局部含水、夾氣層。這時(shí)該區(qū)域內(nèi)介質(zhì)松散且含水量相對(duì)較大，電磁波穿透該區(qū)域是被大量吸收，反射波互相影響，出現(xiàn)同相軸不連續(xù)、波形雜亂的特征[7]。

圖5 不密實(shí)區(qū)域

圖5中在測線13～19m處，同相軸出現(xiàn)明顯的錯(cuò)段、不連續(xù)，判斷該區(qū)域?yàn)樗缮⒉幻軐?shí)區(qū)域。

（2）管線。利用探地雷達(dá)探查城市道路中管網(wǎng)分布情況前一般需要對(duì)管線的走向、埋深、口徑等資料有大概的了解，然后根據(jù)具體情況來布置測線（圖2）和選擇相應(yīng)頻率的雷達(dá)天線，最后集合各條測線上所測得的數(shù)據(jù)分析目標(biāo)管線的準(zhǔn)確位置和埋深。典型的管線反射信號(hào)為拋物線形，如果管徑較小或者埋藏較深，施工場地地下含水率較高時(shí)可能看不到拋物線形狀。城市道路地下管線多為圓柱形，當(dāng)雷達(dá)經(jīng)過管線上方時(shí)，雷達(dá)剖面圖會(huì)出現(xiàn)明顯的繞射現(xiàn)象。圖6中有4處（測線距離18m、28m、33.5m、39.5m）出現(xiàn)了明顯的管線的拋物線型反射特征，疑似為管線分布。拋物線的頂端位置即為管線的上壁位置，所以檢測中可以根據(jù)雷達(dá)剖面圖上拋物線來準(zhǔn)確計(jì)算管線的位置和埋深。計(jì)算管線的具體埋深目前常用的方式為對(duì)比測量法，需要先測試計(jì)算電磁波在該施工場地的傳播速度，然后再根據(jù)公式（2）來計(jì)算[8]。后結(jié)合施工方實(shí)地開挖驗(yàn)證了探測的準(zhǔn)確性。

圖6 管線密集分布區(qū)

（3）空洞。地下空洞是發(fā)育在城市道路下方的脫空區(qū)域，具有隱伏性強(qiáng)、突發(fā)等特點(diǎn)，對(duì)城市交通安全構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。道路下方隱伏空洞是在內(nèi)外力的共同作用下發(fā)育形成的。雨水的滲入，將路基下方的細(xì)小介質(zhì)顆粒侵蝕、搬運(yùn)流失從而形成局部脫空現(xiàn)象。空洞內(nèi)部主要填充空氣和水，與正常路基結(jié)構(gòu)形成明顯的相對(duì)介質(zhì)常數(shù)差異（表1）?？斩吹牡湫吞匦员憩F(xiàn)為電磁波反射信號(hào)幅值較強(qiáng)，呈典型的孤立體相位特征，通常為規(guī)整或非規(guī)整的雙曲線波形特征（圖7）。圖中可以看出，在測線15m附近，時(shí)間深度在20ns以下，電磁波反射明顯呈粗線型雙曲線特征，判斷為空洞異常區(qū)。

4 結(jié)論

圖7 空洞異常區(qū)

探地雷達(dá)作為一種新興的探測技術(shù)，在城市軌道建設(shè)中能夠快速準(zhǔn)確地探測到隧道頂部至路面中所存在的各種病害。本文通過工程實(shí)踐和數(shù)據(jù)處理解釋來區(qū)別真假信號(hào)，并對(duì)松散不密實(shí)、管線填埋區(qū)域、空洞等的雷達(dá)剖面圖進(jìn)行解釋，為今后的工作提供一定的參考。在實(shí)際操作過程中發(fā)現(xiàn)：

（1）探地雷達(dá)可以應(yīng)用于城市軌道建設(shè)工程檢測中，探測過程高效且無損。

（2）探地雷達(dá)可以準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)一些地下目標(biāo)體，但是對(duì)目標(biāo)體的大小及形狀的判定準(zhǔn)確性不夠，需要進(jìn)行綜合物探后表達(dá)。

（3）在城市道路檢測中，探地雷達(dá)容易受多方面的外界條件干擾，檢測過程中要仔細(xì)記錄目標(biāo)場地的環(huán)境條件，以便后期數(shù)據(jù)處理對(duì)干擾源的表達(dá)。

[1] 周楊,冷元寶,趙圣立.路用探地雷達(dá)的應(yīng)用技術(shù)研究進(jìn)展[J].地球物理學(xué)進(jìn)展,2003,18(3):481-486.

[2] 葛雙成,梁國錢,陳夷,等.探地雷達(dá)和高密度電阻率法在壩體滲漏探測中的應(yīng)用[J].水利水電科技進(jìn)展,2005,25(5):55-57.

[3] 汪文強(qiáng),劉爭平,白國東,等.探地雷達(dá)在地鐵盾構(gòu)施工滯后沉降監(jiān)測中的應(yīng)用研究[J].地球物理學(xué)進(jìn)展,2016,31(1):354-359.

[4] 熊昌盛,李晉平,陳輝,等.地質(zhì)雷達(dá)檢測鐵路隧道襯砌質(zhì)量的效果驗(yàn)證[J].鐵道建筑,2011(11):32-34.

[5] 謝昭暉,李金銘.探地雷達(dá)技術(shù)在道路路基病害探測中的應(yīng)用[J].地質(zhì)與勘探,2007,43(5):92-95.

[6] 賈輝,陳昌彥,白朝旭,等.城市道路病害檢測中常見干擾源探地雷達(dá)圖像特征分析[J].工程勘察,2012,40(11):86-92.

[7] 俞先江,馬圣昊,王正,等.探地雷達(dá)技術(shù)在國省干線公路早期病害防治中的應(yīng)用[J].公路,2015(8):255-259.

[8] 張鵬,董韜,馬彬,等.基于探地雷達(dá)的地下管線管徑探測與判識(shí)方法[J].地下空間與工程學(xué)報(bào),2015,11(4):1023-1032.