澳門(mén)特別行政區(qū)城市道路病害體探測(cè)

成潤(rùn)根， 馬彥良

(1.中國(guó)煤炭地質(zhì)總局水文物測(cè)隊(duì)，河北邯鄲 056000； 2.中煤地質(zhì)集團(tuán)有限公司，北京 100040)

目前，道路病害體探測(cè)方法主要有多道面波法、地震映像法、探地雷達(dá)法、高密度電法等，不同方法具有不同的適應(yīng)性和優(yōu)勢(shì)[1-7]。道路病害體探測(cè)具有干擾因素多、施工環(huán)境復(fù)雜、探測(cè)精度要求高等特點(diǎn)[8-10]，因此采用單一方法進(jìn)行探測(cè)并不完全適應(yīng)，相比之下采用多種方法進(jìn)行綜合探測(cè)可極大提高探測(cè)精度。本文以粵港澳大灣區(qū)澳門(mén)特別行政區(qū)相關(guān)工程為例，采用三維探地雷達(dá)和地震映像技術(shù)進(jìn)行道路空洞、脫空及其他道路地下病害檢測(cè)，取得了良好的效果。

1 研究區(qū)概況

1.1 研究區(qū)位置及環(huán)境

澳門(mén)特別行政區(qū)位于中國(guó)大陸東南沿海，地處珠江三角洲的西岸，毗鄰廣東省，研究區(qū)位于澳門(mén)特別行政區(qū)媽閣至內(nèi)港34號(hào)碼頭沿岸道路。

自然環(huán)境屬亞熱帶季風(fēng)氣候，同時(shí)帶有熱帶氣候的特性，年平均氣溫22.3℃，全年溫差變化11～14℃。春、夏季潮濕多雨，秋、冬季相對(duì)濕度較低且雨量較少。臺(tái)風(fēng)季節(jié)為5—10月，以7—9月最為頻繁。

研究區(qū)車流大，高樓林立，地勢(shì)低洼，伴有潮汐現(xiàn)象，施工環(huán)境極為復(fù)雜。

1.2 地質(zhì)情況

澳門(mén)特別行政區(qū)地層發(fā)育較為齊全，主要有震旦系、寒武系、泥盆系及中生代、新生代。第四系的沖積層、海積層、殘坡積層、崩積物等，基本為未固結(jié)成巖，與近期的人工堆積物，覆蓋于基巖之上。

1.3 研究基礎(chǔ)

公路路面的相對(duì)介電常數(shù)與采用的材料有關(guān)，一般層內(nèi)濕度較大，且采用土、礫石、粉煤灰、石灰等介電常數(shù)相對(duì)較大的集料；位于其上的面層一般采用2種材料——瀝青混合料和水泥混凝土，其濕度較小，介電常數(shù)相對(duì)較小；基層下部墊層材料常為石灰土、二灰土、碎礫石，石灰粉煤土等，孔隙度更大，含水量更高?？斩醇叭毕莓惓ｓw的孔隙度相對(duì)周圍介質(zhì)大，含水量也明顯不同，這些差異為開(kāi)展檢測(cè)路面奠定了基礎(chǔ)。

利用物探技術(shù)開(kāi)展道路空洞及其他不良隱患檢測(cè)應(yīng)具備的物理?xiàng)l件是：路面基層與上下介質(zhì)之間、缺陷異常體與周圍介質(zhì)之間的電性(特別是介電性)存在著一定的差異，而介質(zhì)的介電常數(shù)又取決于材料本身的物質(zhì)成分、結(jié)構(gòu)、孔隙度和含水量等因素。

2 技術(shù)難點(diǎn)及應(yīng)對(duì)措施

2.1 技術(shù)難點(diǎn)分析

研究區(qū)碼頭附近除了車流量大、車速快等不利因素給施工造成較大影響外，部分路段因高樓林立，GPS定位處于偽距、浮動(dòng)采集狀態(tài)，且部分路段處于單點(diǎn)狀態(tài)，影響了測(cè)量精度。探測(cè)過(guò)程中地上和地下存在多種干擾源(如地下電力或通訊管線)，這些干擾源在探地雷達(dá)圖像上往往形成與地下病害相同或相似的圖像特征，或在很大程度上影響數(shù)據(jù)的信噪比和分辨率，容易造成真實(shí)地下病害的漏判或誤判，為探地雷達(dá)剖面的解釋造成很大困難；碼頭前停放大量車輛，導(dǎo)致測(cè)線較短，不利于數(shù)據(jù)整體解釋。

2.2 應(yīng)對(duì)措施

在車流量大的地段，隨機(jī)干擾較強(qiáng)，施工中采用專人負(fù)責(zé)監(jiān)控車流量，選擇夜間車輛少、干擾小，在合適的時(shí)段、車流進(jìn)行施工的措施；針對(duì)GPS測(cè)量精度無(wú)法滿足施工要求時(shí)，或在GPS信號(hào)不穩(wěn)定的情況下，采用現(xiàn)場(chǎng)地標(biāo)打點(diǎn)、描繪草圖及與地理信息結(jié)合的方式進(jìn)行采集，滿足了探測(cè)的精度要求。探測(cè)實(shí)施方案為：首先對(duì)道路進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)踏勘，提前畫(huà)出測(cè)線草圖，利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)測(cè)線分布圖，優(yōu)化采集方案；在處理解釋數(shù)據(jù)時(shí)，根據(jù)以往施工經(jīng)驗(yàn)、周邊環(huán)境、管網(wǎng)資料進(jìn)行分析，剔除外部干擾因素，對(duì)于不能確定的異常，通過(guò)測(cè)量實(shí)地定位、現(xiàn)場(chǎng)復(fù)測(cè)等方式排除干擾。

3 數(shù)據(jù)采集

采集的數(shù)據(jù)有效是開(kāi)展病害探測(cè)的基礎(chǔ)，也是現(xiàn)場(chǎng)采集的關(guān)鍵，因此要求數(shù)據(jù)采集前在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行一致性試驗(yàn)，如設(shè)備的穩(wěn)定性、適用性、靈敏度需滿足道路探測(cè)要求。

本次使用的三維探地雷達(dá)設(shè)備單幅探測(cè)寬度為1.7m，為保證本次檢測(cè)工作達(dá)到道路全覆蓋掃描的目的，普查階段主路采用車載雷達(dá)為主，人工拖拽為輔的工作方法(其中，碼頭、人行道采用人工拖拽方法)。作業(yè)時(shí)根據(jù)潮汐曲線選擇海水退潮時(shí)段進(jìn)行探測(cè)，以達(dá)到最佳的探測(cè)效果。采集參數(shù)：中心頻率，200MHz；采樣間隔，8cm；采集時(shí)窗，80ns。

雷達(dá)復(fù)測(cè)完成定位后，由測(cè)量人員固定好卷尺，并標(biāo)好測(cè)點(diǎn)位置，進(jìn)行地震映像數(shù)據(jù)采集工作。選用偏移距2m，激發(fā)點(diǎn)距0.5m，采集參數(shù)：記錄時(shí)間，80ms；采樣率，50kHz；檢波器頻率：100Hz。

4 資料處理和解釋

4.1 資料處理

三維探地雷達(dá)數(shù)據(jù)處理的目的是壓制隨機(jī)干擾，提高資料信噪比，提取反射波相關(guān)物性參數(shù)(速度、振幅、頻率、相位等)。因探測(cè)過(guò)程中存在多種干擾，單一的去噪方法很難取得理想效果，為此需采用多種去噪手段聯(lián)合去噪。本次資料處理除了采用預(yù)處理、時(shí)間增益、反褶積、負(fù)信號(hào)分析、分層處理、計(jì)算介電常數(shù)、深度分析、參數(shù)修正等流程外，重點(diǎn)采用了常規(guī)濾波、一維濾波、二維(F-K域)濾波、多道中值濾波等去噪方法，最大程度提高信噪比。

優(yōu)化了地震映像法適應(yīng)近海區(qū)域資料特點(diǎn)的資料處理流程。首先對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行解編和格式轉(zhuǎn)換；其次進(jìn)行記錄連接和道炮編輯，并定義觀測(cè)系統(tǒng)；然后進(jìn)行地形校正、振幅恢復(fù)和道均衡；再進(jìn)行一維帶通濾波、二維(F-K域)濾波和預(yù)測(cè)反褶積；最后進(jìn)行去噪和修飾性處理。處理中突出了地震映像法在小炮檢距情況下單道接收的特點(diǎn)，不做自動(dòng)增益處理，主要做好道炮編輯和常規(guī)濾波，特別是做好反褶積濾波。

4.2 資料解釋

本次探測(cè)工作使用三維探地雷達(dá)與地震映像技術(shù)對(duì)工作區(qū)道路進(jìn)行全覆蓋掃描探測(cè)。探測(cè)到道路病害體6處，其中空洞4處，疏松體1處、富水體1處，并經(jīng)過(guò)了鉆探驗(yàn)證。

4.2.1 道路路基疏松

由路面基層內(nèi)介質(zhì)疏松產(chǎn)生的介電常數(shù)異常，導(dǎo)致地面接收的電磁波發(fā)生變化，相對(duì)應(yīng)的雷達(dá)剖面將表現(xiàn)出不同的異常特征。一般的由密實(shí)不均體界面引起的異常幅度一般較大，判斷其邊界的定性方法為：在不均勻體邊界處有連續(xù)的反射波同相軸中斷或彎曲分布，其波長(zhǎng)變長(zhǎng)，波幅明顯變化，波組特征也發(fā)生明顯變化。地震映像剖面上波形變化較大，同相軸上凸或下凹現(xiàn)象較明顯，地震波歷時(shí)延長(zhǎng)，頻率低于背景場(chǎng)是道路路基疏松的典型特征(圖1)。

4.2.2 道路下富水體

富水體的相對(duì)介電常數(shù)大于周邊土體，隨著含水量的增大，相對(duì)介電常數(shù)差異越大。雷達(dá)圖譜通常為頂面反射信號(hào)能量較強(qiáng)，下部信號(hào)衰減明顯，同相軸較連續(xù)、頻率變化不明顯(圖2)。

4.2.3 脫空或空洞

脫空、空洞的相對(duì)介電常數(shù)與土體的相對(duì)介電常數(shù)差異明顯。此時(shí)，層間介質(zhì)的介電常數(shù)差異較大，依據(jù)雷達(dá)波反射界面與波的傳播特性，反射界面明顯、傳播速度降低?？斩串惓^(qū)雷達(dá)圖譜通常為反射信號(hào)能量強(qiáng)，反射信號(hào)的頻率、振幅、相位變化異常明顯，下部多次反射波明顯，邊界可能伴隨繞射現(xiàn)象(圖3，圖4)。

地震映像剖面上同相軸消失或分叉，頻率低于背景場(chǎng)是脫空的典型反應(yīng)。波形結(jié)構(gòu)變化較大，同相軸上凸或下凹現(xiàn)象較明顯，地震波歷時(shí)延長(zhǎng)，頻率低于背景場(chǎng)是空洞的典型反映。

(a)探地雷達(dá)剖面 (b)地震映像剖面圖1 道路路基疏松剖面Figure 1 Road subgrade loose mass section

圖2 道路下富水體探地雷達(dá)剖面Figure 2 Road underneath water-rich mass ground penetrating radar section

(a)探地雷達(dá)剖面 (b)地震映像剖面圖3 道路脫空剖面Figure 3 Road voids section

(a)探地雷達(dá)剖面 (b)地震映像剖面圖4 道路脫空剖面Figure 4 Road voids section

5 結(jié)語(yǔ)

探地雷達(dá)結(jié)合地震映像技術(shù)綜合探測(cè)道路病害體，可以最大限度克服各種干擾，消除單一物探方法的多解性，提高探測(cè)精度。應(yīng)用上述方法查明道路病害體平面分布范圍和空間展布形態(tài)，從而確定其影響范圍，為制定最優(yōu)治理對(duì)策提供了較為全面、可靠的物探依據(jù)。不僅確保了道路地質(zhì)災(zāi)害的及時(shí)發(fā)現(xiàn)、評(píng)估和治理，而且也保證了廣大人民群眾的出行和生命財(cái)產(chǎn)安全。