基于探地雷達法的城市道路地下病害體探測

趙雨豪,陳宗剛,岳軍民

(中國電建集團西北勘測設(shè)計研究院有限公司,西安 710065)

0 前 言

地下病害體是指存在地表下威脅城市安全的不良地質(zhì)體，包括脫空，空洞，疏松體以及富水體。通常地下病害體的道路會在人為或者自然的因素作用下出現(xiàn)不均勻沉降，由此在路面上形成一個塌陷的坑洞，對居民人身安全和財產(chǎn)帶來了嚴重的威脅。目前地下病害體探測方法主要有3種：地震映像法、探地雷達法和高密度電阻率法。地震映像法是最早應(yīng)用于地下病害體探測的方法，原理是由地面產(chǎn)生地震波向地下傳播，通過接收地下目標體的反射波信號從而確定其的空間位置，其準確性與地下介質(zhì)的波阻抗差異有關(guān)；探地雷達自2000年以來廣泛應(yīng)用于各類地下目標體探測，主要原理是電磁波在地下傳播時分界面會形成的強烈反射信號，可完成對地下目標體的探測，進而確定其地下方位，探地雷達法具有便攜、實時、精度高等優(yōu)點，但容易受周圍環(huán)境的電磁干擾；高密度電阻率法是近年來發(fā)展的一種新型的電阻率測試方法，它將以介質(zhì)間的導(dǎo)電性差異為探測基礎(chǔ)，擁有較高的測點密度，雖一次采集可獲得豐富的地質(zhì)信息，但高密度電法需要將銅棒電極插入待檢目標中,確保兩者耦合。針對城市道路存在車流量大且周邊建筑物密集的特點，采用單一物探方法在道路地下病害體的探測中存在干擾較為嚴重，探測精度不佳的問題。本文在分析地震映像法、探地雷達法和高密度電阻率法3種常用探測方法的特點后，提出以探地雷達法為主，地震映像法為輔助的組合城市道路地下病害體探測方法，在不破壞路面的情況下，減少車流量與周圍建筑對探測的干擾，提高探測精準度[1-8]，為城市地下病害體的治理提供可靠的物探依據(jù)。

1 概 況

西安地鐵公司為了優(yōu)化城區(qū)交通環(huán)境，消除隱患對人民生命財產(chǎn)的影響，開展對地鐵所涉區(qū)域進行隱患排查的探測任務(wù)。根據(jù)任務(wù)要求，本次探測針對地鐵站點及區(qū)間的城市道路，需查明道路下方存在病害體的具體位置和影響深度等信息。本次探測區(qū)域位于西安地鐵五號線某地鐵站及其沿線區(qū)間，區(qū)域內(nèi)在大量公共場所。由于此前進行地下軌道交通的開挖施工以及路面車流量較大等原因，地表已經(jīng)出現(xiàn)了較為明顯的路面沉降，道路兩旁圍墻等建筑產(chǎn)生了一定程度的開裂(見圖1)。此次通過物探方法對地下0～5 m區(qū)域地質(zhì)情況進行勘察，查明地下病害體的空間分布范圍，為后續(xù)道路病害體的治理提供可靠的依據(jù)(見圖2)。

圖1 路面不均勻沉降

圖2 探地雷達現(xiàn)場探測

2 物探方法原理及誤差分析

城市地下軌道交通的沿線商業(yè)活動較為頻繁，在勘察過程中受到人工干擾的情況非常嚴重。由于市區(qū)內(nèi)的工程地質(zhì)具有相當特殊性，現(xiàn)場使用的物探方法必須滿足探測分辨率高和抗干擾能力強這兩個要求。根據(jù)任務(wù)要求，此次物探方法選擇以探地雷達法為主，地震映像法為輔助的探測組合。并且為了減少誤差并確?？辈旃ぷ黜樌M行，此次探測均在夜間進行。

探地雷達的工作特點：首先將高頻電磁波作為媒質(zhì)，然后通過發(fā)射機產(chǎn)生高頻電磁波并且利用發(fā)射天線(T)向外輻射電磁波。工作狀態(tài)下，發(fā)射天線電磁波的波束角為60°～90°向地下發(fā)射高頻電磁波。在地下的傳播過程中，電磁波遇到不同介質(zhì)時會產(chǎn)生反射與折射，被設(shè)置在某一固定距離(X)的接收天線(R)接收，所以當探地雷達發(fā)射的電磁波在空氣、電纜和土壤等不同的介質(zhì)中傳播時，會在不同介質(zhì)的分界面產(chǎn)生能量較強的反射信號(見圖3)[9-13]。

圖3 探地雷達探測原理

工作過程中，顯示器上實時顯示基于脈沖反射波形式的雷達圖形，黑色和白色分別代表波形的正負峰，當然也可以根據(jù)實際用灰階或彩色表示。室內(nèi)對原始雷達圖像進行濾波降噪等處理，然后根據(jù)反射脈沖波形的波動程度解譯地質(zhì)情況。反射脈沖波形主要由發(fā)射脈沖波的能量、波在地質(zhì)界面上的反射特性和波在地下介質(zhì)中傳播時的衰減情況決定。物性界面的波阻抗決定了反射特性，一般用反射系數(shù)描述，圖4為雷達波形記錄[14-17]。

圖4 雷達波形記錄

地震映像法的主要特點是工作時的偏移距相同，然后逐步移動激發(fā)點與接收點來接收地震信號。連續(xù)掃描地層或目標體并處理分析采集的地震波信息，地震波的波形變化反映了地下介質(zhì)的變化。在對異常信號區(qū)進行驗證時，地震波傳播遇到不同性質(zhì)的地層分界面或地下病害體時，會產(chǎn)生反射波或折射波返回檢波器[18-20]。室內(nèi)對信號異常區(qū)的地震波數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)處理，得到地震映像深度剖面。分析深度剖面的特征形態(tài)，得到了地下目標有效信息。地震映像法探測原理見圖5。

圖5 地震映像法探測原理

3 地質(zhì)及地球物理特征

3.1 地質(zhì)條件

工作區(qū)所處的大地貌單元為關(guān)中平原，地形總體平坦。探測范圍內(nèi)地層自上而下依次為瀝青混凝土路基，厚度約0.4～1.0 m，電磁波速度0.12～0.15 m/ns；第四系全新統(tǒng)人工填土，晚更新統(tǒng)風積黃土，厚度約10.0 m，電磁波速度0.095 m/ns。其余殘積古土壤，沖積粉質(zhì)粘土砂及中更新統(tǒng)沖、積粉質(zhì)粘土、中砂等地層未在探測范圍內(nèi)。

根據(jù)前期勘查報告顯示，地鐵沿線土體以粉土、粉質(zhì)黏土為主。當出現(xiàn)土體疏松時，內(nèi)部多呈蜂窩狀結(jié)構(gòu)，外部施加壓力后易出現(xiàn)壓縮變形、固結(jié)沉降變形，且在水流沖刷及路面震動后，易發(fā)生坍塌形成空洞病害。

3.2 地球物理特征分析

此次探測的地鐵站點和區(qū)間總體上地質(zhì)雷達波波形清楚，反射能量較強，但在部分地段出現(xiàn)了不同規(guī)模的異常信號。經(jīng)過分析，地下病害體深度位置在行車道大多位于路基混凝土與瀝青路面以下，規(guī)模大小不一。地下病害體的上界面一般不平整，上界面為根據(jù)電磁波速度反演推算的反射界面，可能與實際存在一定的誤差。由于空洞位置電磁波速度大于周圍土體，約為周圍土體的1.5～3.0倍，在計算過程中按2.0倍考慮。

4 病害體探測及成果解釋

此次探地雷達法和地震映像法以同線勘探的方式，對地鐵站點及區(qū)間進行地下病害體探測。其中探地雷達使用的是發(fā)射接收一體化天線，頻率為200 MHz，參數(shù)設(shè)置包括疊加次數(shù)設(shè)置為10次，采樣點數(shù)選擇512點，采樣長度480 ns；地震映像法設(shè)置的偏移距為3 m；采樣間隔0.2 ms；采樣點數(shù)2048；檢波器主頻100 Hz。根據(jù)JGJ/T 437-2018《城市地下病害體綜合探測與風險評估》[21]與現(xiàn)場實際情況，現(xiàn)場測線的布置間距為2.5 m。

4.1 地球物理特征分析

初次探測完成后，室內(nèi)經(jīng)過數(shù)據(jù)處理圈定出異常信號。隨后結(jié)合現(xiàn)場踏勘和地下管網(wǎng)資料，將地下管線等人工構(gòu)筑物進行引起的疑似病害體異常信號進行剔除，避免誤判為空洞，然后利用地震映像法和探地雷達對異常信號進一步驗證分析，并確定其病害體類型、尺寸范圍、影響深度和中心坐標。

主要判斷依據(jù)包括以下幾點：一是各土層、基巖反射波呈現(xiàn)出同相軸的特點，將路基和土層界面區(qū)別出來；二是當土層比較穩(wěn)定且較為致密，那么它的波形特點是同相軸連續(xù)，并且反射得清晰連續(xù)，整體波形呈規(guī)律性的衰減；若此時土層界面發(fā)生錯動，則會呈現(xiàn)出同相軸的錯動；三是當土層比較松散時，地震波的特點是同相軸不連續(xù)或者丟失，同時波形較為紊亂，衰減非常迅速，并且波形的振幅變小；在頻率域上的特點是頻率雜亂，由于土層松散區(qū)的介電常數(shù)小，因此其雷達波呈現(xiàn)出強反射，雷達波組多且能量強，不連續(xù)；四是空洞的弧形反射是其在地震波和雷達波區(qū)別于土層松散區(qū)的主要特點。

4.2 綜合解釋成果

1、2線位于地鐵區(qū)間道路，總體呈東西向。區(qū)間探測以三維探地雷達為主，根據(jù)地震映像和探地雷達對區(qū)間道路下深度為5 m內(nèi)的空間范圍進行探測。在1線365～368 m與2線775～777 m兩處雷達波同相軸不連續(xù)雜亂分布，多次波較明顯，繞射波較明顯在橫向上分布有間斷，能量不均勻，在水平切片上可以清楚看出病害體的投影面積(見圖6、7)。此處地下區(qū)域產(chǎn)生多組較強的反射雷達波，能量比較強，存在多次波震蕩，波組出現(xiàn)扭曲。地震映像法驗證顯示異常信號區(qū)波形結(jié)構(gòu)變化較大，同相軸上凸和下凹現(xiàn)象較明顯，地震波歷時延長，說明該區(qū)域地層受到了擾動，界面分層不清晰。因此推測這兩處病害體類型為一般疏松體，其松散區(qū)延伸至路面結(jié)構(gòu)層。1線病害體最淺埋深0.3 m，最深約1.4 m，面積為1.6 m2；2線病害體最淺埋深0.5 m，最深約1 m，面積為1.1 m2。

圖6 1線地下病害體綜合解釋

3、4線位于地鐵站，根據(jù)探地雷達結(jié)合其他資料對地鐵站周邊地下5 m內(nèi)的空間范圍進行了探測(見圖8、9)。在9線的8～18 m和4線的174～176 m兩處雷達波整體振幅增強，多次波明顯，頂部反射波與入射波同向、底部反射波與入射波反向。其中3線異常體反射波表現(xiàn)為正向連續(xù)平板狀；而4線異常體頂部形成連續(xù)的同向性反射波組。根據(jù)地震映像法顯示兩處異常體所處地層的頻率低于背景場。其中3線的第7至14道同相軸出現(xiàn)下凹現(xiàn)象，局部有散射；4線的第14至17道同相軸分叉。因此判斷3線病害體類型為空洞，最淺埋深0.6 m，最深約1.8 m，面積為18.8 m2；4線病害體的上方路基波形近水平且連續(xù)，因此判斷4線病害體類型為脫空，最淺埋深0.3 m，最深約1 m，面積為1 m2。

圖7 2線地下病害體綜合解釋

圖8 3線地下病害體綜合解釋

圖9 4線地下病害體綜合解釋

4.3 成果驗證

為了更準確地檢驗出探地雷達法的精度，除了地震映像法復(fù)核以外，還采用最直接的鉆孔驗證。鉆探手段對復(fù)核出的地下病害體進行抽檢，主要是針對脫空和空洞這兩類病害體。經(jīng)過現(xiàn)場鉆孔，此次探地雷達法探測出的的病害體真實存在。這表明此次探測已經(jīng)達到預(yù)期目標(見圖10)。

圖10 地下病害體鉆孔驗證

5 結(jié) 論

(1) 通過現(xiàn)場探測，使用天線頻率為200 MHz的探地雷達能夠快速查找出異常信號區(qū)，在輔助以檢波器頻率不超過100 MHz的地震映像法共探測出4處病害體，其中最大埋深1.4 m，最小埋深0.3 m。

(2) 城市道路的地下病害體探測面臨復(fù)雜的場地工程環(huán)境，因此選擇合適的物探方法至關(guān)重要。探地雷達所具備的便攜、實時、精度高的優(yōu)點,并結(jié)合地震映像法抗電磁干擾能力的特點能夠準確判斷城市道路地下5 m范圍病害體的空間位置。

探地雷達法和地震映像法二者組合進行地下病害體探測是一種行之有效的高分辨率物探方法，均可取得了清晰的圖像，滿足了勘察任務(wù)所要求的精度。