探地雷達(dá)在路基缺陷檢測中的應(yīng)用研究

張焱森

（廣州市市政工程試驗檢測有限公司 廣東廣州 510520）

0 引言

隨著城市市政基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的逐步完善，后期的改擴(kuò)建成為當(dāng)下面臨的新問題。市政給排水管線在建設(shè)及維修等過程中，由于施工過程中不可避免的因素，導(dǎo)致路面出現(xiàn)不同病害，諸如不均勻沉降、開裂、錯臺等[1-3]。而此病害的產(chǎn)生原因，多是在頂管施工過程中，路基土層出現(xiàn)了脫空、空洞、不密實等現(xiàn)象；或者是舊有排水管線，出現(xiàn)局部滲漏，帶走路基中砂土形成空洞，進(jìn)一步引發(fā)路面塌陷。

探地雷達(dá)法（Ground Penetrating Radar Method），作為一種具有輕便、檢測效率高、分辨率高等優(yōu)點的無損檢測方法，在道路路基缺陷病害檢測方面中，應(yīng)用十分普遍[4]。本文以探地雷達(dá)對廣州市區(qū)某市政道路進(jìn)行雨水管施工完畢后路面病害檢測為依據(jù)，對比了不同頻率探地雷達(dá)對道路路基不同病害的反射信號差異，分析了不同道路病害的頻譜特征，以及不同頻率數(shù)據(jù)的不同處理方法，明確了不同頻率探地雷達(dá)的適用范圍，對后期路基病害探測工作提供了參考。

1 探地雷達(dá)檢測原理與理論依據(jù)

1.1 探地雷達(dá)工作原理

探地雷達(dá)是以待檢測目標(biāo)體的介電常數(shù)與周邊物質(zhì)的介電常數(shù)存在差異為理論依據(jù)，利用探地雷達(dá)發(fā)射天線向目標(biāo)體發(fā)射高頻脈沖電磁波，由接收天線接收目標(biāo)體的反射回波，探測目標(biāo)體空間位置和分布的一種非接觸式地球物理探測方法[5-6]。地層中的介質(zhì)存在不同的介電常數(shù)，因此對不同頻段電磁波的波阻抗不盡相同，反射回接收天線的電磁波能量發(fā)生不同程度衰減，利用其在探地雷達(dá)頻譜中的頻率特征來判斷介質(zhì)情況。

1.2 理論依據(jù)

電磁波的傳播取決于介質(zhì)的電性，介質(zhì)的電性主要有電導(dǎo)率μ和介電常數(shù)ε，前者主要影響電磁波的穿透（探測）深度，在電導(dǎo)率適中的情況下，后者決定電磁波在該物體中的傳播速度，因此，所謂電性介面也就是電磁波傳播的速度介面[7]。不同的地質(zhì)體（物體）具有不同的電性，因此，在不同電性的地質(zhì)體的分界面上，都會產(chǎn)生回波，基本目標(biāo)體探測原理見圖1。

圖1 基本目標(biāo)體探測原理（圖片來源：自繪）

1.2.1 電磁脈沖波旅行時間

式中：z-勘查目標(biāo)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。

1.2.2 電磁波在介質(zhì)中的傳播速度

式中：C-電磁波在真空中的傳播速度（0.29979m/ns）；εr-介質(zhì)的相對介電常數(shù)；μr-介質(zhì)的相對磁導(dǎo)率（一般 μr≈1）。

1.2.3 電磁波的反射系數(shù)

電磁波在介質(zhì)傳播過程中，當(dāng)遇到相對介電常數(shù)明顯變化的地質(zhì)現(xiàn)象時，電磁波將產(chǎn)生反射及透射現(xiàn)象，其反射和透射能量的分配主要與異常變化界面的電磁波反射系數(shù)有關(guān)：

式中：r-界面電磁波反射系數(shù)；ε1-第一層介質(zhì)的相對介電常數(shù)；ε2-第二層介質(zhì)的相對介電常數(shù)。

1.2.4 探地雷達(dá)記錄時間和勘查深度的關(guān)系

式中：z-勘查目標(biāo)體的深度；t-雷達(dá)記錄時間。

2 工程概況

該區(qū)域路段現(xiàn)狀為已建道路，交通狀況較為復(fù)雜。新設(shè)管線為污水管道，長度3770m，管徑D800～D2000，埋深3.00～9.60m，采用鋼筋混凝土管，擬采用頂管施工。本次采用瑞典Impulse Rader公司生產(chǎn)的CO730型高動態(tài)雙頻探地雷達(dá)，中心頻率分別為300MHz及70MHz，采用測距輪模式，道間距設(shè)置0.02m，采樣點取600，沿新建管線兩側(cè)分別設(shè)置了兩條測線，并根據(jù)路面狀況對特殊路段進(jìn)行了測線加密。

3 數(shù)據(jù)處理與圖像解釋

3.1 300MHz數(shù)據(jù)處理與解釋

對300MHz剖面數(shù)據(jù)進(jìn)行后期處理，其主要步驟分為：①靜校正切除（時間零點校正）；②DC去直流漂移：去除零漂現(xiàn)象；③能量衰減增益：增強(qiáng)深部信號；④去除水平干擾：去除因駐波所導(dǎo)致的水平信號干擾；⑤巴特沃斯帶通濾波：去除高低頻干擾，保留有效信號；⑥滑動平均：去除毛刺信號干擾，使得圖像更加平滑；⑦距離歸一化：校正距離，減少里程誤差的積累。然后調(diào)整對比度，使得灰度圖強(qiáng)弱對比明顯，凸出異常，處理結(jié)果部分病害見圖2、圖3。

圖2清晰可見，在測線樁號40m，深度約1m位置，出現(xiàn)單支雙曲線，此頻譜特征說明下部埋設(shè)有管線；緊鄰管線右側(cè)電磁波反射信號幅值較強(qiáng)，同相軸不連續(xù)、錯斷，且相位雜亂，呈區(qū)域化分布，說明該區(qū)域土體受到擾動，出現(xiàn)疏松、不密實現(xiàn)象。

圖2 管線周邊不密實-300MHz（圖片來源：儀器采集數(shù)據(jù)）

圖3 路基脫空區(qū)-300MHz（圖片來源：儀器采集數(shù)據(jù)）

圖3 顯示在測線樁號56～59m，深度約1m位置，電磁波反射信號幅值較強(qiáng)，呈近似水平的帶狀分布，且有多次反射信號。該處出現(xiàn)連續(xù)的脫空區(qū)，路基可能出現(xiàn)不均勻沉降?；蛘咴诘叵滤疂B流及沖刷作用下，脫空區(qū)可能會有擴(kuò)大趨勢。

3.2 70MHz數(shù)據(jù)處理與解釋

對70MHz剖面數(shù)據(jù)進(jìn)行后期處理，其主要步驟分為：①重抽道：對道間距進(jìn)行x方向重新采樣；②靜校正切除（時間零點校正）；③DC去直流漂移；④能量衰減增益；⑤去除水平干擾；⑥陷波/帶阻濾波：在頻率域執(zhí)行陷波濾波；⑦巴特沃斯帶通濾波；⑧重采樣：在時間方向上重采樣；⑨滑動平均；⑩距離歸一化。最后調(diào)整對比度，凸出異常，處理結(jié)果部分病害見圖4、圖5。

圖4 路基不密實區(qū)-70MHz（圖片來源：儀器采集數(shù)據(jù)）

圖5路基脫空區(qū)-70MHz（圖片來源：儀器采集數(shù)據(jù)）

圖4 中，在測線樁號60m，深度約1m位置，電磁波信號幅值較強(qiáng)，同相軸不連續(xù)、錯斷、相位雜亂，呈區(qū)域化分布，說明該區(qū)域土體出現(xiàn)空洞、疏松、不密實的病害，部分路段已導(dǎo)致路面不均勻沉降。同圖2電磁波頻譜所顯示的病害特征相似。

圖5中，在測線樁號110～122m，深約1.1m位置，電磁波反射信號幅值較強(qiáng)，呈近似水平的帶狀分布，且有多次反射信號，說明此處出現(xiàn)連續(xù)脫空區(qū)，病害已較為嚴(yán)重。結(jié)合現(xiàn)場實地勘查記錄，此處因頂管施工，已出現(xiàn)路面沉降，部分部位路面開裂，且降雨入滲等因素也同樣導(dǎo)致病害逐步惡化。該圖特征同圖3特征相一致。

由圖2～圖5電磁波頻譜特征可見，在選擇中心頻率為300MHz的探地雷達(dá)進(jìn)行路基病害探測時，分辨率較高，對于比較小范圍的路基缺陷，都可以通過幅值的變化進(jìn)行反饋，并通過頻譜分析，得出缺陷的確切位置。但探測深度較淺，電磁波衰減較快，僅可達(dá)到3m左右。而中心頻率為70MHz時雷達(dá)探測深度較深，可達(dá)6～7m，電磁波衰減較慢，但分辨率明顯下降，對于比較小范圍的缺陷，并不能準(zhǔn)確反映出其位置，且灰度圖清晰度下降，滑動平均處理對其頻譜平滑度的增加并不十分明顯。

對于不同中心頻率電磁波采集信號，要用不同的處理步驟進(jìn)行后處理，其原因在于：

（1）低頻信號采集的電磁波，若現(xiàn)場采集道間距若設(shè)置過小，則使得采集道數(shù)過于密集，在測線方向上將頻譜拉伸過長，導(dǎo)致缺陷或病害不容易直觀顯示，因此首先進(jìn)行重采樣。

（2）低頻信號容易接收更多的水平駐波，此類波僅通過巴特沃斯帶通濾波并不能有效去除，對異常信號的判斷影響較大。因此，增加陷波/帶阻濾波處理，可有針對性濾除部分駐波信號，以便對有效的缺陷信號更好的分析處理。

4 結(jié)論

探地雷達(dá)在對路基病害進(jìn)行檢測時，根據(jù)實際探測深度需求，選擇合適的中心頻率，是十分重要的。路基存在不密實缺陷時，電磁波反射信號幅值較強(qiáng)，同相軸不連續(xù)、錯斷，且相位雜亂，呈區(qū)域化分布；而當(dāng)路基出現(xiàn)脫空病害時，電磁波反射信號幅值增強(qiáng)，呈近似水平的帶狀分布，且有多次反射信號。因此，當(dāng)電磁波頻譜中出現(xiàn)上述兩種情況，可判定為路基病害。

對于探地雷達(dá)采集信號的后期處理，高頻與低頻稍有區(qū)別。對于低頻信號，存在較為明顯的水平層狀駐波信號，需要經(jīng)過陷波濾波，對干擾信號濾除。同時，帶通濾波的頻率選擇，也是至關(guān)重要的。