探地雷達(dá)法在道路空洞檢測(cè)中的應(yīng)用探究

張大海,周碩

摘 要：當(dāng)前，我國(guó)市政道路空洞事故多發(fā)頻發(fā)，居民生活受到影響，人民財(cái)產(chǎn)及生命安全受到損失。而探地雷達(dá)法作為一種用于地質(zhì)勘探的檢測(cè)技術(shù)，其在檢測(cè)過(guò)程中不需要破壞地質(zhì)表層結(jié)構(gòu)，便可快速準(zhǔn)確的判斷出地球淺層結(jié)構(gòu)的土質(zhì)環(huán)境，因此已經(jīng)逐漸發(fā)展為一種偵測(cè)道路病害的有效測(cè)量手段。為此，本文首先對(duì)探地雷達(dá)法的技術(shù)原理展開(kāi)了分析，進(jìn)而討論其在城市道路空洞檢測(cè)中的應(yīng)用方法以及數(shù)據(jù)處理技術(shù)，以期為城市道路空洞等病害檢測(cè)評(píng)估提供技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：探地雷達(dá);道路檢測(cè);道路空洞;技術(shù)支持

0 引言

當(dāng)前，市政基礎(chǔ)設(shè)施承載能力與我國(guó)城市高速發(fā)展存在不平衡。表現(xiàn)較為突出的是，在地下水文環(huán)境、高強(qiáng)度荷載、管線滲漏以及相關(guān)自然因素的共同作用下，全國(guó)城市道路空洞災(zāi)害進(jìn)入集中爆發(fā)的高峰期。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2018-2020年，我國(guó)城市道路空洞累計(jì)造成30人死亡，26人受傷;2020年僅媒體報(bào)道的道路空洞事故達(dá)260余起;較比2019年106起道路空洞事故增長(zhǎng)127%，道路空洞災(zāi)害事故造成越來(lái)越嚴(yán)重的生命財(cái)產(chǎn)損失和社會(huì)影響。全國(guó)各省市對(duì)城市地下病害隱患排查有著迫切需求。

1 探地雷達(dá)技術(shù)的應(yīng)用原理

探地雷達(dá)法又稱(chēng)為GPR（Ground-Penetrating-Radar）地質(zhì)雷達(dá)法，一種采用窄脈沖寬帶高頻電磁波信號(hào)檢測(cè)地下介質(zhì)分布的方法。該方法通過(guò)天線連續(xù)拖動(dòng)的方式向地下發(fā)射高頻電磁波，電磁波信號(hào)在物體內(nèi)部傳播時(shí)遇到存在電性差異（介電常數(shù)）的介質(zhì)界面時(shí)，就會(huì)反射、透射和折射。反射的電磁波被與發(fā)射天線同步移動(dòng)的接收天線接收后，通過(guò)雷達(dá)主機(jī)精確記錄反射回的電磁波的運(yùn)動(dòng)特征，獲得地下介質(zhì)的斷面掃描圖像，通過(guò)對(duì)掃描圖像進(jìn)行處理和圖像解譯，達(dá)到識(shí)別地下目標(biāo)物的目的。探地雷達(dá)由發(fā)射天線（T）發(fā)出寬頻帶短脈沖電磁波，其主頻為數(shù)十兆赫至數(shù)千兆赫波段，經(jīng)地下電性不均勻體反射后，由接收天線（R）接收反射信號(hào)，所得記錄為時(shí)間域脈沖信號(hào)。

在具體應(yīng)用過(guò)程中，可以參照下列公式來(lái)對(duì)其進(jìn)行應(yīng)用，即： t=

該公式代表著探地雷達(dá)在工作過(guò)程中發(fā)出的電磁波信號(hào)往返用時(shí)，其中v代表電磁波的傳播速度，z為探測(cè)目標(biāo)地點(diǎn)的地下深度，x則是發(fā)射天線傳出信號(hào)到達(dá)底下目標(biāo)地點(diǎn)之后，再返回接受天線所經(jīng)過(guò)的全程總長(zhǎng)。通過(guò)采集電磁波信號(hào)往返用時(shí)的幅度變化、相位差、頻率差等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，即可通過(guò)具體的幾何圖像來(lái)分析地下結(jié)構(gòu)的詳細(xì)情況[1]。

2 探地雷達(dá)法在道路空洞檢測(cè)的具體應(yīng)用

在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，可以采用“普查—詳查—鉆探勘驗(yàn)”的方法實(shí)現(xiàn)道路空洞的精準(zhǔn)檢測(cè)。

2.1 普查階段

所謂“普查”，即指大范圍勘探路面地下詳情，從而確定信號(hào)異常區(qū)域，以此縮小道路病害查探范圍。由于此過(guò)程是面向道路的全斷面進(jìn)行勘測(cè)，因此為了提高工作效率需要首先按1.5 m～2.0 m的斷面間距來(lái)對(duì)檢測(cè)路段進(jìn)行測(cè)線標(biāo)記，然后又采用車(chē)載雷達(dá)同時(shí)對(duì)多線展開(kāi)地質(zhì)勘測(cè)。這樣做的優(yōu)勢(shì)在于能夠最大限度提高工作效率，減少道路普查對(duì)交通流量所帶來(lái)的影響。同時(shí)為了提高測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，工作人員需要保證每條車(chē)道至少使者兩條測(cè)線，此標(biāo)準(zhǔn)在遇到加寬路面情況時(shí)，可適當(dāng)進(jìn)行增加調(diào)整[2]。

在針對(duì)一些道路空洞高發(fā)區(qū)域（如地鐵施工、管線密集路段）進(jìn)行探測(cè)時(shí)，還可以采用布設(shè)測(cè)點(diǎn)的方式來(lái)進(jìn)行局域網(wǎng)格探測(cè)。具體操作流程是在目標(biāo)測(cè)區(qū)布置3到5個(gè)以上的測(cè)點(diǎn)，并保證測(cè)點(diǎn)橫向、縱向?yàn)殂暯樱纬上嗷ゴ怪钡亩嗟罍y(cè)線，測(cè)線間距仍以相鄰斷面之間1.5 m～2.0 m的間距為基準(zhǔn)，從而對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行加密探查。如所測(cè)區(qū)域?yàn)榻徊婊驈澋缆房祝部赏ㄟ^(guò)多個(gè)測(cè)點(diǎn)之間大角度相連，以大于該區(qū)域斷面1.0 m～2.0 m的范圍進(jìn)行測(cè)量。

2.2 詳查階段

經(jīng)過(guò)初步普查之后，此時(shí)工作人員往往已經(jīng)能夠確定目標(biāo)路段存在屬于數(shù)據(jù)異常的大致區(qū)域，此時(shí)即可有效縮小檢測(cè)范圍，采RTK（載波相位差分技術(shù)，即Real-time kinematic）來(lái)確定道路空洞位置的準(zhǔn)確坐標(biāo)。如圖2所示。

與普查階段追求效率不同，詳查階段主要考慮的是準(zhǔn)確性。因此在這一勘探期間工作人員主要是采用手推式雷達(dá)探測(cè)儀器來(lái)對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行檢查，并且為了采集更為具體的病害體詳細(xì)信息，工作人員需要通過(guò)采用局域網(wǎng)格探測(cè)法，并將探測(cè)點(diǎn)的分隔間距縮小到一米范圍之內(nèi)，以此進(jìn)行更為細(xì)致的探測(cè)。同時(shí)為了避免普查階段出現(xiàn)疏漏，工作人員還需要結(jié)合道路周邊環(huán)境的實(shí)際情況，對(duì)一些正在進(jìn)行道路施工、存在塌陷歷史以及地下構(gòu)置物與管線密集的敏感區(qū)域進(jìn)行二次復(fù)查，以確保能夠?qū)δ繕?biāo)路段實(shí)施全范圍覆蓋檢測(cè)[3]。

需要注意的時(shí)勘測(cè)過(guò)程中，地下各類(lèi)排水管線會(huì)對(duì)探查結(jié)果產(chǎn)生一定的誤導(dǎo)與干擾作用，因此需要工作人員分別采用400 MHz、200 MHz、100 MHz的電磁波對(duì)道路地下結(jié)構(gòu)進(jìn)行由淺至深的探測(cè)，并輔助QV排查法以及環(huán)境調(diào)查法的方式來(lái)保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2.3 鉆探勘驗(yàn)階段

通過(guò)詳查幾乎已經(jīng)可以確定道路空洞病害的存在情況，但是為了去除不穩(wěn)定因素，同時(shí)進(jìn)一步判斷空洞病害的輕重程度以及成因，尚需采用鉆探勘驗(yàn)的方式進(jìn)一步確認(rèn)。

此工序中，探點(diǎn)通常設(shè)置在地下數(shù)據(jù)信號(hào)反應(yīng)最為強(qiáng)烈的位置，實(shí)際鉆孔之前，需要反復(fù)確認(rèn)地下管線的分布情況，以此確定鉆孔的掘進(jìn)方向。同時(shí)鉆孔范圍不宜過(guò)大，僅需要能夠保證工業(yè)內(nèi)窺鏡順利通過(guò)即可，再次過(guò)程中工作人員可以根據(jù)鉆孔附近的巖芯與水位情況來(lái)判斷地下土層的空洞情況，最后在使用攝像機(jī)進(jìn)行具體確認(rèn)。

鉆探勘驗(yàn)的主要目的一是為了再次確認(rèn)地下漏洞病害的存在情況;二則是通過(guò)這種手段提前分析病害問(wèn)題的具體成因，以便于工作人員可以根據(jù)實(shí)際情況來(lái)采用不同的治理手段，盡最大限度減少掘開(kāi)路面對(duì)城市交通所造成的影響。一般來(lái)說(shuō)說(shuō)采用水鉆配釬探的方式，即可大致確定道路地下形成空洞的原因，例如鉆探過(guò)程中，鉆頭的轉(zhuǎn)速逐漸升高，并且傳動(dòng)桿上傳來(lái)的異物觸擊頻率明顯減少，此時(shí)即可判斷地下空洞的成因多為土體疏松所致，此時(shí)工作人員則需要考慮對(duì)其進(jìn)行換基填筑或是灌漿修復(fù)處理;如鉆探過(guò)程中，鉆孔周?chē)膸r芯形態(tài)開(kāi)始變得粘稠，并且突然出現(xiàn)掉鉆或鉆孔水位升高的現(xiàn)象，那么說(shuō)明目標(biāo)區(qū)域的地下土層含水量異常，工作人員需要考慮是由于管線泄漏所致還是出現(xiàn)了季節(jié)性的地下水位變化，從而制定出針對(duì)性的防治處理措施[4]。

3 數(shù)據(jù)處理與分析技術(shù)

3.1 探地雷達(dá)信息處理

探地雷達(dá)在工作過(guò)程中，常常會(huì)受到來(lái)自各方面的信息干擾，因此需要對(duì)其采集的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行加工處理之后才能夠從中獲取有效信息。通常來(lái)說(shuō)，對(duì)探地雷達(dá)所采集信息進(jìn)行處理的主要方式包括有：空間濾波、增益調(diào)整、點(diǎn)平均、刪除無(wú)用道、地形校正、水平比例歸一化、反褶積、頻率濾波、偏移歸位、f-K傾角濾波等幾種受段，經(jīng)過(guò)以上處理之后，工作人員即可根據(jù)圖像或數(shù)據(jù)顯示信息，來(lái)讀目標(biāo)區(qū)域的破壞成因進(jìn)行判斷。

3.2 數(shù)據(jù)分析判斷

數(shù)據(jù)分析是在整合了普查與現(xiàn)場(chǎng)詳查的數(shù)據(jù)信息之后，對(duì)探地雷達(dá)顯示圖像的一種分析與特征識(shí)別。通常來(lái)說(shuō)，電磁波在穿過(guò)不同介質(zhì)時(shí)所產(chǎn)生的傳播時(shí)間以及傳播特性均會(huì)呈現(xiàn)出明顯的差異性，因而這種差異會(huì)導(dǎo)致雷達(dá)接收天線所采集到的數(shù)據(jù)信號(hào)呈現(xiàn)出異常轉(zhuǎn)臺(tái)，反饋到圖像上即表示為相位、波組形態(tài)、頻譜結(jié)構(gòu)和振幅的變化，通過(guò)觀察這種變化，工作人員即可做出地球物理特征分析，從而描述出具體的地下病害類(lèi)型。這種變化使用公式表示可以呈現(xiàn)為：

R=

式中，與是電磁波穿越不同介質(zhì)時(shí)所產(chǎn)生的相對(duì)介電常數(shù)，而R則是代表電磁波的反射系數(shù)。通過(guò)該公式可以分析，電磁波在穿越不同物質(zhì)界面時(shí)會(huì)導(dǎo)致其反射系數(shù)出現(xiàn)變化，特別是兩種物質(zhì)的相對(duì)階段常數(shù)差異越大，那么電磁波的反射情況便會(huì)越是明顯，并將這種情況呈現(xiàn)與幾何圖像之中，給予工作人員最為直觀的提示[5]。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，道路脫空與空洞病害的本質(zhì)相同，都是由于土質(zhì)結(jié)構(gòu)的改變導(dǎo)致地下受力平衡狀態(tài)被打破，從而使得泥土出現(xiàn)位移現(xiàn)象。由于這種病害的發(fā)生情況并不明顯，因此給工作人員的工作開(kāi)展帶來(lái)了很大的困難。但是靈活使用探地雷達(dá)技術(shù)不僅能夠有效探測(cè)出這一病害，同時(shí)還能夠幫助工作人員對(duì)病害成因做出進(jìn)一步分析，因此有效提高人工工作效率。

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