探地雷達在城市道路地下病害探測中的應用

韓 凱

（中交公路規(guī)劃設計院有限公司， 北京 100088）

0 引言

隨著我國對城市地下空間的大力開發(fā)，城市路面塌陷事故在一些城市呈高發(fā)趨勢，由城市地鐵施工引起的路面塌陷事故數(shù)見不鮮。路面塌陷具有突發(fā)性、隱伏性及多因性等特點[1]。路面塌陷會造成交通中斷、地表建筑坍塌以及危及過往行人、車輛的安全等危害，給人們的生產(chǎn)生活造成嚴重的損失。因此采用適當?shù)氖侄螌Φ罔F施工區(qū)域上方路面進行地下病害探測顯得尤為重要，根據(jù)探測結(jié)果對探測到的病害及時處治，可保障地鐵施工的安全，消除路面塌陷的隱患，對城市道路的正常運營具有重要意義。

對城市道路地下病害探測的方法有很多，常用的方法探地雷達法，高密度電阻率法、地震映像法及瞬變電磁法等[2]。城市道路地下空洞的探測具有探測環(huán)境復雜，干擾因素多且要求高效率、短工期，探地雷達技術具有高精度、高效率低投入的特點，基于此本文針對青島市地鐵某在建工程項目，為避免地下空洞、疏松體等地下病害對地鐵施工及周圍環(huán)境產(chǎn)生不利影響，采用探地雷達法對地鐵施工區(qū)域上方進行探測，查明地下病害體的位置及深度，為后續(xù)地下病害處治及地鐵施工提供安全保障。

1 探地雷達法原理

探地雷達技術是一種利用高頻電磁波探測地下介質(zhì)分布的無損檢測手段，它通過剖面掃描的方式獲得地下斷面的掃描圖像。探地雷達通過在地面上移動的發(fā)射天線向地下發(fā)射高頻電磁波，在地下旅行的電磁波遇到不同的電性界面時，就會發(fā)生反射、透射和折射。電介質(zhì)間的電性差異越大，反射回的電磁波能量也越大。反射到地面的電磁波被與發(fā)射天線同步移動的接收天線接收后，通過雷達主機精確地記錄下反射回的電磁波到達的時間、相位、振幅、波長等特征，再通過信號疊加放大、濾波降噪、圖像合成等數(shù)據(jù)加工處理手段，形成地下斷面的掃描圖像。通過對雷達圖像的判讀，便可得到地下目標物的分布位置和狀態(tài)。

2 應用實例

2.1 工程概況

青島市地鐵在建線路某區(qū)間地處市區(qū)繁華路段。地勘資料顯示擬建場地屬于侵蝕堆積緩坡、剝蝕斜坡及濱海淺灘地貌單元，地形自北向南緩傾，覆蓋層以第四系填土、中砂層及粉質(zhì)黏土為主，其下伏基巖為燕山晚期粗?；◢弾r，穿插細?；◢弾r及煌斑巖，局部受構(gòu)造影響，各地層的力學性質(zhì)變化較大。地勘資料顯示，工程范圍內(nèi)地下水位埋深2.40～5.10m。

2.2 采集參數(shù)

根據(jù)本次工程的特點及任務要求，結(jié)合相關地勘資料成果分析島本次探測采用美國勞雷公司生產(chǎn)的SIR-30E 型探地雷達，配套100MHz 屏蔽式天線探測指定區(qū)域5m 范圍內(nèi)的地下空洞、疏松體及富水體等地下病害的位置及埋深。

正式探測前，依據(jù)已有管線、地勘等資料選取試驗場地，根據(jù)試驗結(jié)果確定儀器性能及采集參數(shù)。

探地雷達測線方向沿地鐵走向布置，以地鐵施工中心線為中線向兩側(cè)探測范圍內(nèi)延伸，測線間距為2m，局部區(qū)域測線加密為1m 呈網(wǎng)格化布置，且保證每條行車道至少有一條測線。

現(xiàn)場采集方式為時間模式及距離模式，每10m 現(xiàn)場做1 處標記，通過打標的方式校準里程樁號。

2.3 資料解譯

探地雷達法資料解釋是根據(jù)獲得的雷達數(shù)據(jù)剖面上同相軸的變化規(guī)律，雷達波的波形、振幅和相位等特征，結(jié)合現(xiàn)場環(huán)境及相關地質(zhì)資料，來推測地下空洞、疏松體等地下病害體的過程。要獲得準確的探測成果，需對各種病害的雷達圖像特征及干擾特征進行明確。不同病害的地球物理特征詳見表1。

表1 不同地下病害體的探地雷達特征

道路下方的空洞內(nèi)部多為空氣，因此電磁波從土體進入空洞內(nèi)部，反射系數(shù)為正，空洞頂板與入射波相位相同，反射振幅強，且多次波發(fā)育，有時在空洞兩側(cè)可見繞射波發(fā)育。

疏松體是土和空氣的混合體，由于空氣的介電常數(shù)為1，因此其相對介電常數(shù)要小于周圍土體的介電常數(shù)，當電磁波從密實土體進入疏松土體是其反射系數(shù)為正，會出現(xiàn)入射波與反射波相位相同的現(xiàn)象，土體不均勻程度會導致振幅強弱、同相軸的不連續(xù)及波形的雜亂程度的差異。

在城市中探測時，需排除不同類型的信號干擾，井蓋、路燈桿及防護欄等會在雷達圖像上反映，這就要求我們在雷達圖像解譯時將這些異常與目標異常區(qū)分開來，典型干擾源雷達圖像實例如下。

圖1 地表監(jiān)測點雷達圖像

在城市地鐵施工中，常在道路上設置若干地面沉降監(jiān)測點，監(jiān)測點一般為現(xiàn)場鉆孔后埋設，雷達圖像上表現(xiàn)為曲率較大的尖的雙曲線。

圖2 中央防護欄干擾雷達圖像

在城市道路中間有時會設置隔離防護欄，防護欄一般為鐵質(zhì)金屬且以固定間隔設置，目前的探地雷達雖然大多使用屏蔽式天線，但是往往天線的屏蔽程度不夠，因此雷達剖面也會將此目標信號記錄，表現(xiàn)在雷達圖像上為有規(guī)律的雙曲線形態(tài)，且雙曲線下方存在多次反射現(xiàn)象。

2.4 探測成果

根據(jù)雷達探測結(jié)果及相關資料分析，探測區(qū)域內(nèi)共發(fā)現(xiàn)2 處由土體疏松引起的異常體。

圖3 1 號異常體雷達圖像

1 號異常體見圖3 中黑色虛框內(nèi)所示，在水平標尺10-25m，深度約1.5m～2.5m范圍內(nèi)，雷達圖像表現(xiàn)為同向軸嚴重錯斷，波形雜亂，無規(guī)律，結(jié)合相關地勘資料及現(xiàn)場情況，此區(qū)域推測為土體嚴重疏松區(qū)域，局部存在空洞。

圖4 2 號異常體雷達圖像

2 號異常體雷達圖像見圖4 黑色虛框內(nèi)所示，在水平標尺6～13m，深度約1～2.5m 范圍內(nèi)，同相軸缺失，反射能量弱，在水平刻度9～10m 范圍內(nèi)存在一井蓋，結(jié)合現(xiàn)場實際情況，推測該區(qū)域為管線周圍沖刷導致的土體疏松。

3 結(jié)束語

（1）本文介紹了利用探地雷達技術對地下病害探測的應用，針對青島市地鐵某線路建設工程項目，利用探地雷達技術對某區(qū)間地下病害情況進行探測，結(jié)果表明，部分路段存在土體疏松病害，根據(jù)探測結(jié)果提供的異常體的位置及范圍，采取相對應的處治措施，可為地鐵安全施工提供保障。

（2）在地下水位較淺地區(qū)，探地雷達探測深度十分受限，應綜合考慮其他物探方法，增加探測深度，多種方法綜合探測。

（3）城市道路探測中，地下管線、路燈桿、交通標志標牌等市政實施會成為探測的干擾因素，應充分識別此類異常的雷達圖像特征，數(shù)據(jù)解譯時予以避免。