三維探地雷達(dá)在道路地下病害體探測(cè)中的應(yīng)用

王海寧

(中國(guó)煤炭地質(zhì)總局，北京 100038)

0 引言

近年來，我國(guó)對(duì)城市地下空間開發(fā)利用力度逐漸加大，城市淺層地質(zhì)穩(wěn)定性越來越受到重視，一方面，城市淺層地質(zhì)的不穩(wěn)定性造成道路地下巖土體疏松下陷形成空洞，對(duì)城市地下給排水管道具有破壞作用；另一方面，城市地下給排水管道的破損滲漏對(duì)周邊巖土體的沖蝕以及老舊防空洞積水浸泡，導(dǎo)致城市淺層地質(zhì)不穩(wěn)定性進(jìn)一步加劇。我國(guó)多地頻繁發(fā)生道路塌陷事故，造成重大生命財(cái)產(chǎn)損失，使城市發(fā)展受到負(fù)面影響。因此開展城市道路地下病害體探測(cè)，盡量將事發(fā)后搶險(xiǎn)和治理轉(zhuǎn)變?yōu)槭虑邦A(yù)防，對(duì)城市健康運(yùn)行及人民群眾的生活具有十分重要的意義。 三維探地雷達(dá)作為近幾年發(fā)展起來的無損探測(cè)技術(shù)，具有分辨率高、探測(cè)速度快、抗干擾能力強(qiáng)、異常定位準(zhǔn)確的特點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于城市道路地下病害探測(cè)。

1 三維探地雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)

1.1 工作原理

探地雷達(dá)是通過發(fā)射天線(T)向下發(fā)射超高頻短脈沖電磁波，由接收天線(R)接收反射波，并根據(jù)其回波旅行時(shí)間t(又稱雙程走時(shí))、幅度與波形資料，經(jīng)過圖像處理和解譯，以確定地下界面或地下介質(zhì)的空間分布。

脈沖波的旅行時(shí)間：

(1)

式中：t-雙程旅行時(shí)(ns)，z-目標(biāo)體埋深(m)，x-天線距離(m)，υ-地下介質(zhì)中的電磁波傳播速度。式中x值在剖面探測(cè)中是固定的，υ值可以用寬角法直接測(cè)量，當(dāng)介質(zhì)的導(dǎo)電率很低時(shí)：

(2)

其中c為電磁波在真空中的速度(c=0.3 m/ns)，ε為地下介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)。

1.2 三維探地雷達(dá)

三維探地雷達(dá)是近年來發(fā)展的新技術(shù)，它采用三維陣列天線(圖1)，將發(fā)射天線與接收天線分離，交錯(cuò)等距排列，發(fā)射和接收天線可任意組合，實(shí)現(xiàn)剖面間距接近天線中心頻率的1/4波長(zhǎng)這一理想狀態(tài)。采集數(shù)據(jù)經(jīng)專門的處理軟件處理后可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無縫拼接，保證最終成果為一個(gè)完整的三維數(shù)據(jù)體。該成果可以在任意方向上“切片”以反映異常的形態(tài)。

圖1 三維探地雷達(dá)陣列天線示意圖Figure 1 A schematic diagram of 3D ground penetrating radar array antenna

1.3 三維探地雷達(dá)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

三維探地雷達(dá)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括雷達(dá)陣列天線(集成主機(jī))、GPS精確定位系統(tǒng)、控制中心、工程車等(圖2)，將三維探地雷達(dá)圖像、圖像坐標(biāo)位置、地表特征物、標(biāo)記等多種數(shù)據(jù)信息同步采集，融入到原始數(shù)據(jù)中。該系統(tǒng)可對(duì)城市道路進(jìn)行地毯式、全覆蓋普查探測(cè)，得益于這種全新的數(shù)據(jù)采集模式，技術(shù)人員通過一幅幅雷達(dá)剖面，和不同方向的“切片”判斷分析地下異常的位置、形態(tài)以及危害程度，并提出施工建議。

圖2 三維探地雷達(dá)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)示意圖Figure 2 A schematic diagram of 3D ground penetrating radar data acquisition system

2 城市道路地下病害探測(cè)的干擾識(shí)別與衰減

在城市環(huán)境道路上探測(cè)地下病害體，三維探地雷達(dá)接收到的干擾信號(hào)一方面來自探地雷達(dá)系統(tǒng)內(nèi)部，另一方面來自探地雷達(dá)所處的工作環(huán)境。三維探地雷達(dá)系統(tǒng)內(nèi)部的干擾信號(hào)主要來自天線控制電路之間的干擾、收發(fā)天線之間的直接耦合干擾、天線盒震蕩信號(hào)干擾等。隨著探地雷達(dá)制造技術(shù)的飛速發(fā)展，三維探地雷達(dá)系統(tǒng)內(nèi)部干擾對(duì)探地雷達(dá)成果的影響越來越有限。因此本文主要研究外部因素造成的干擾識(shí)別與衰減。三維探地雷達(dá)探測(cè)道路地下病害體施工過程中，外部環(huán)境干擾按照其空間來源，可分為空中干擾、地面干擾和地下干擾。各種干擾在探地雷達(dá)圖像上都會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的地球物理響應(yīng)，有些干擾異?？梢酝ㄟ^后期處理手段衰減，但是當(dāng)產(chǎn)生與地下病害體類似的干擾異常時(shí)，僅通過探地雷達(dá)數(shù)據(jù)處理，無法有效衰減此類干擾，需結(jié)合其他輔助方法識(shí)別。

2.1 空中干擾

空中干擾主要是由于地面上孤立的物體，在探地雷達(dá)探測(cè)時(shí)反射雷達(dá)電磁波，在雷達(dá)剖面上形成具有固定特征的圖像，如道路指示牌、人行天橋、高壓電線、路燈桿等。由于這些物體表面的反射波是通過空氣傳播的，電磁波在空氣中的傳播能量衰減很小，所以這些干擾波的主要特征是：振幅、頻率等與發(fā)射信號(hào)相似，且波速為電磁波在空氣中的傳播速度，約為0.26～0.28 m/ns。

對(duì)于空中干擾，在三維探地雷達(dá)施工過程中，做好野外探測(cè)記錄，如干擾位置、離地面高度、干擾材質(zhì)等，在后期數(shù)據(jù)處理時(shí)將此異常人工剔除。在夜晚施工過程中，由于施工條件的限制，操作人員難免會(huì)漏記部分空中干擾信息，這些干擾會(huì)被作為異常，清晰地記錄在探地雷達(dá)圖像上。對(duì)此類信號(hào)可以通過做速度分析加以識(shí)別(圖3)：電磁波在空氣中的傳播速度在0.26～0.28m/ns，而在地下介質(zhì)中的傳播速度一般不超過0.2m/ns。

2.2 地面干擾

地面干擾主要來源于三維探地雷達(dá)與地面之間的直達(dá)波、地面金屬物與非金屬物產(chǎn)生的反射波，這些地表干擾波的總體特征是能量衰減小、反射系數(shù)大、波形雜亂，且存在多次反射，但在到達(dá)時(shí)間上一般早于目標(biāo)回波。

圖3 速度分析前后探地雷達(dá)圖像Figure 3 Ground penetrating radar images before and after velocity analysis

這些干擾波壓縮了目標(biāo)回波的動(dòng)態(tài)范圍，降低了系統(tǒng)對(duì)弱反射目標(biāo)的探測(cè)能力。此外，淺表層的目標(biāo)反射回波與直達(dá)波的到達(dá)時(shí)間相接近，能量相對(duì)較小的目標(biāo)回波信號(hào)可能淹沒于直達(dá)波之中，不利于目標(biāo)的檢測(cè)與識(shí)別。因此，在三維探地雷達(dá)數(shù)據(jù)處理中，這些干擾波是衰減的主要對(duì)象。

①地面孤立反射物。地面金屬物與非金屬物產(chǎn)生的反射波能量強(qiáng)且存在多次反射(圖4)，很難有效去除，根據(jù)其在三維探地雷達(dá)上特殊的地球物理響應(yīng)，可將其與道路地下病害體區(qū)分開來。

圖4 地面金屬物干擾在三維探地雷達(dá)剖面上的反映Figure 4 Reflection of surface metal disturbance on 3D ground penetration radar section

②“水平”干擾的衰減。由于三維探地雷達(dá)采用類似與地震勘探共偏移距剖面的工作方式，使得數(shù)據(jù)中存在大量的水平相干干擾，如發(fā)射和接收天線之間的多次直達(dá)波和界面之間的多次反射等，同時(shí)還存在大量的高頻干擾，這些相干干擾幾乎淹沒了目標(biāo)的異常信號(hào)。

電磁波在空間介質(zhì)內(nèi)是沿射線方向以真速度傳播的，但在實(shí)際探測(cè)過程中，因測(cè)線方向與波的射線方向常常不同，因此，沿測(cè)線傳播的速度也就不等于真速度。因此，可以利用視速度不同，達(dá)到衰減道間“水平”信號(hào)的目的，如圖5所示。

2.3 地下干擾

地下干擾主要是電磁波遇到地下強(qiáng)反射界面，在雷達(dá)圖像上形成與地下空洞、脫空、疏松體、富水體等地下病害體類似的地球物理特征。實(shí)際工作中，常見的地下強(qiáng)反射界面有地下管線、地下空間附屬物、地下工程加固體等。

來自地下的干擾往往不易察覺(圖6)，在成果解釋時(shí)以原始雷達(dá)剖面為基礎(chǔ)，除了野外記錄的測(cè)線信息外還要進(jìn)行地下構(gòu)(建)筑物的調(diào)查，結(jié)合調(diào)查結(jié)果、地下管線資料、地下工程竣工驗(yàn)收資料等排除地下干擾。

3 應(yīng)用實(shí)例分析

目前，三維探地雷達(dá)已經(jīng)在哈爾濱、邯鄲、合肥、杭州、株洲、蘭州、廈門等城市道路地下病害探測(cè)工程中成功應(yīng)用，現(xiàn)以蘭州為例，介紹三維探地雷達(dá)探測(cè)道路地下病害的應(yīng)用成果。

3.1 病害1——脫空

圖7是位于東崗東路蘭州大學(xué)第一醫(yī)院東崗院區(qū)附近，三維探地雷達(dá)處理后的圖像，上圖為0.86m(18ns)處的水平切片，下圖為沿上圖棕色線位置垂切的剖面圖。在剖面上橫坐標(biāo)20m處有一處異常，結(jié)合地面和水平切片判斷此處異常為一小脫空，范圍2m×2m，埋深0.5m左右。在剖面橫坐標(biāo)37m的位置有異常，結(jié)合地面雷達(dá)圖像和地表特征物分析，此處異常是由地表的地鐵沉降檢測(cè)樁引起的。在剖面橫坐標(biāo)最右側(cè)67m處可以看到一處過路管線，埋深0.7m左右。

圖5 水平噪聲衰減前(左)后(右)三維探地雷達(dá)剖面Figure 5 3D ground penetrating radar sections before (left) and after (right) horizontal noise attenuation

圖6 地下管線干擾探地雷達(dá)圖像Figure 6 Ground penetrating radar image under subsurface pipeline disturbance

圖7 蘭州大學(xué)第一醫(yī)院東崗院區(qū)附近三維探地雷達(dá)圖像Figure 7 3D ground penetrating radar image of Lanzhou University First Hospital Donggang part nearby

3.2 病害2——空洞

圖8為酒泉路甘肅省省政府—武都路段三維探地雷達(dá)探測(cè)結(jié)果，上圖為12ns處水平切片，下圖為沿上圖棕色線垂切剖面。紅色方框內(nèi)的異常位于酒泉路西側(cè)，甘肅銀行南側(cè)，位于道路中心位置。南北長(zhǎng)約4m，東西長(zhǎng)約1m，深度約0.6m。從剖面上可以看到明顯的雙層雙曲線信號(hào)，分析為空洞。

圖8 蘭州酒泉路省政府南三維探地雷達(dá)圖像Figure 8 3D ground penetrating radar image of Lanzhou Jiuquan Road to the south of provincial government

3.3 病害3——回填不實(shí)

圖9為東崗路七四三七東三維探地雷達(dá)探測(cè)結(jié)果，上圖為20ns處水平切片，下圖為沿上圖棕色線垂切剖面。剖面上橫坐標(biāo)21m處有一條過路管線，埋深1m左右，橫坐標(biāo)16～19m處雷達(dá)圖像雖同相軸連續(xù)，但地層下陷，且雷達(dá)反射波比較明顯，分析知此處異常是由回填不實(shí)引起的。

圖9 蘭州東崗路七四三七東三維探地雷達(dá)圖像Figure 9 3D ground penetrating radar image of Lanzhou Donggang Road to the east of No.7437 factory

3.4 病害4——密實(shí)回填

圖10位于張掖路步行街361專賣店門口的三維探地雷達(dá)探測(cè)結(jié)果，上圖為2ns處的水平切片，下圖為沿上圖棕色線垂切剖面。在剖面上橫坐標(biāo)26～45m，該處曾經(jīng)塌陷過，并進(jìn)行了回填處理，在雷達(dá)圖像上可以看出回填處比較密實(shí)，且回填的范圍在水平切片上顯示清楚，在剖面橫坐標(biāo)6m處的污水井在水平切片上表現(xiàn)真實(shí)。

圖10 張掖路(步行街)三維探地雷達(dá)圖像Figure 10 3D ground penetrating radar image of Zhangye Road (pedestrian mall)

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過對(duì)三維探地雷達(dá)原理、 道路地下病害探測(cè)技術(shù)系統(tǒng)地介紹，結(jié)合具體工程實(shí)例，總結(jié)出一套成熟的三維探地雷達(dá)探測(cè)道路地下病害施工流程，并根據(jù)工程實(shí)踐，研究了三維探地雷達(dá)探測(cè)道路地下病害干擾的分類、識(shí)別和衰減的方法，指導(dǎo)了道路地下病害體三維探地雷達(dá)圖像的分析和解譯。

三維探地雷達(dá)對(duì)有物性差異的地質(zhì)體探測(cè)效果比較理想，可滿足對(duì)淺層道路地下病害的探測(cè)，不僅無須破壞道路路面、實(shí)現(xiàn)真正意義的“無損”探測(cè)，而且能夠快速準(zhǔn)確地確定道路地下病害范圍， 查找病害產(chǎn)生的根本原因，并結(jié)合現(xiàn)代遙感技術(shù)、地理信息系統(tǒng)技術(shù)等， 可推進(jìn)實(shí)現(xiàn)城市地面塌陷防治預(yù)警機(jī)制的形成與完善，為智慧城市建設(shè)發(fā)揮更大作用。三維探地雷達(dá)技術(shù)是進(jìn)行道路地下病害探測(cè)最理想的地球物理方法，可預(yù)見，三維探地雷達(dá)在道路地下病害探測(cè)工作中將會(huì)廣泛應(yīng)用。