滄榆高速頂管區(qū)地質(zhì)雷達(dá)探測分析

盧斌熒

（陜西省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西西安，710065）

地質(zhì)雷達(dá)是工程技術(shù)人員探測地下目標(biāo)的一種常用手段。20 世紀(jì)50 年代，地質(zhì)雷達(dá)開始用于冰層、冰川厚度的探測，因其攜帶方便、快速準(zhǔn)確等的優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用工程驗(yàn)收等無損檢測，在公路隧道探測、巖土工程勘察等領(lǐng)域，能夠直觀、實(shí)時(shí)的顯示工程地質(zhì)情況。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的突破性發(fā)展，地質(zhì)雷達(dá)性能越來越強(qiáng)大，地質(zhì)雷達(dá)探測在理論研究、硬件設(shè)備制造、探測原理、數(shù)據(jù)的解譯和分析處理方面取得了重大突破，天線覆蓋范圍越來越廣，探測深度和精度得到了極大拓展。隨著技術(shù)的不斷更新發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域更加廣泛，社會經(jīng)濟(jì)效益顯著。在高速公路勘察設(shè)計(jì)階段，為隧道的圍巖分級，判明裂隙發(fā)育區(qū)、富水區(qū)的位置提供了參考，也為探明隧道施工區(qū)的地質(zhì)情況，鉆孔的布設(shè)、斷層的分布提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。然而，在高速公路運(yùn)營階段，地質(zhì)雷達(dá)探測次生災(zāi)害治理應(yīng)用的案例并不多見。

地質(zhì)雷達(dá)（GPR），是一種利用高頻無線電磁波來確定介質(zhì)內(nèi)部物質(zhì)分布規(guī)律的地球物理探測方法，在地下傳播過程中，通過對電磁波回波的研究和分析，就可以獲得地下目標(biāo)體的幾何形態(tài)與空間位置［1-3］。 姜化冰對深度不同、尺寸各異的方形空洞進(jìn)行正演模擬，分析各種因素空洞目標(biāo)雷達(dá)圖譜的變化［4］；李世念等利用基于三維時(shí)域有限差分方法原理的GprMax 3D 軟件，充氣型和充水型空洞三維探地雷達(dá)正演模擬，對數(shù)據(jù)體不同方向的圖像特征進(jìn)行分析，并結(jié)合工程實(shí)例，驗(yàn)證了正演模擬結(jié)果的可靠性［5］；李政用Matlab 語言編寫模擬程序，對隧道襯砌檢測和超前預(yù)報(bào)中的典型地電模型進(jìn)行正演模擬，取得了正演圖像，提高圖像的解釋水平［6］；韓俊濤建立了常見鐵路路基病害模型和檢測的圖譜判識基本規(guī)律，圓形空洞呈雙曲線特征，矩形空洞在邊界上呈現(xiàn)一段水平圓?。?］；劉勝峰通過不同高度、圓形和方形兩種規(guī)則空洞雷達(dá)探測實(shí)驗(yàn)，結(jié)論是雷達(dá)對水平尺度探測效果良好，但是垂直大小的精度遜于水平方向［8］；陳婕通過GprMax 計(jì)算原理，建立了不同大小，不同深度、不同形狀的不同填充介質(zhì)的混凝土空洞模型，總結(jié)出其成像的規(guī)律［9］。韓佳明總結(jié)出地下圓形空洞雷達(dá)掃描圖像對稱軸左側(cè)為單調(diào)遞減的連續(xù)凹函數(shù)，厚度由不斷增大至穩(wěn)定［10］；對稱軸右側(cè)為單調(diào)遞增的連續(xù)凹函數(shù)，厚度由穩(wěn)定至不斷減小；隨著埋深與半徑增大，曲線曲率減小，曲線圖像趨于緩和，曲線的特征體現(xiàn)出張開弧度增大的趨勢。

1 研究背景

1.1 研究區(qū)概況

本項(xiàng)目位于榆林市，場地地形高低起伏，地面高程在1 149.80～1 342.80m。場地地貌單元主要分為風(fēng)砂灘地地貌和黃土梁地地貌，風(fēng)砂灘地地貌，表層風(fēng)積砂較厚，低洼處常年積水形成海子，灘地大小不一，多曲折相連，黃土梁地多被風(fēng)沙半覆蓋，梁地大小不一。沿線地表植被稀疏，主要生長為黃蒿、楊樹等沙生植物。在區(qū)域范圍內(nèi)地基土自上而下分層描述如下：①層細(xì)砂（Q4eol）：褐黃色，含云母片，稍濕—飽和，松散—中密狀態(tài)，以稍密狀態(tài)為主，搖震反應(yīng)中等，無光澤反應(yīng)，干強(qiáng)度低，韌性低。層厚5.50～8.50m，層底深度為5.50～8.50m，土質(zhì)均勻，稍濕，松散-中密，以稍密狀態(tài)為主，中壓縮性，工程性能一般，可選做管道和工作坑地基持力層。②層黃土（Q3eol）：黃褐色—紅褐色，飽和，可塑—軟塑，以可塑狀態(tài)為主，針狀孔隙發(fā)育，含鈣質(zhì)結(jié)核，局部含粉土夾層，偶見蝸牛碎片，無濕陷性，屬中壓縮性土。層厚4.50～5.30m，層底深度為10.60～13.00m，土質(zhì)均勻，稍濕，堅(jiān)硬—硬塑，以硬塑狀態(tài)為主，中壓縮性土，無濕陷性，工程性能一般，可選做管道和工作坑地基持力層。③層粉土（Q3eol）：褐黃色，含云母片，飽和，中密，含鈣質(zhì)結(jié)核，局部鈣質(zhì)結(jié)核富集，搖震反應(yīng)中等，無光澤反應(yīng)，干強(qiáng)度低，韌性低。未揭穿，最大揭露厚度11.40m，土質(zhì)均勻，稍濕，中密—密實(shí)轉(zhuǎn)臺，以中密狀態(tài)為主，中壓縮性，工程性能一般，可選作管道和工作坑地基持力層。

地層情況的復(fù)雜程度，影響到了地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)分析的精準(zhǔn)程度，本研究充分收集研究區(qū)的地層情況，便于后續(xù)研判。

1.2 區(qū)域?yàn)?zāi)害治理實(shí)驗(yàn)概況

本次實(shí)驗(yàn)根據(jù)探測結(jié)果提供的數(shù)據(jù)作為災(zāi)害治理設(shè)計(jì)的依據(jù)，對探測出的缺陷（脫空和不密實(shí)）區(qū)域進(jìn)行治理，治理后運(yùn)行一段時(shí)間后再次探測，對仍存在災(zāi)害缺陷，進(jìn)一步治理，直至完全探測不出缺陷為止，滿足公路運(yùn)營的需要。

2 數(shù)據(jù)來源和技術(shù)方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本研究收集到高速公路和頂管的施工階段的資料，包括地質(zhì)勘察資料、路基和路面結(jié)構(gòu)圖、頂管施工圖，詳細(xì)整理了路面及其以下的包括路面結(jié)構(gòu)層、路基、底基層的結(jié)構(gòu)，底基層以下的地質(zhì)鉆探資料。這些資料都作為后續(xù)分析的參考資料。

2.2 地質(zhì)雷達(dá)檢測原理

地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)（Ground Penetrating Radar，簡稱GPR）利用主頻為106～109Hz 波段的電磁波，以寬頻帶短脈沖的形式，由地面通過地質(zhì)雷達(dá)天線發(fā)射器發(fā)送到地下，電磁波經(jīng)地下目的體或地層反射界面后返回，被地質(zhì)雷達(dá)天線接收器所接收，通過對收到的雷達(dá)信號進(jìn)行處理和解譯，達(dá)到探測地下目標(biāo)體的目的［11-12］。

地表下的介質(zhì)比較復(fù)雜，電磁波吸收和反射的存在差異，通過對反射波形的分析，可以建立地下介質(zhì)的結(jié)構(gòu)模型（地質(zhì)雷達(dá)檢測原理示意圖見圖1）。

圖1 地質(zhì)雷達(dá)檢測原理示意Figure 1 Schematic of GPR detection principle

電磁波在介質(zhì)中傳播，電場強(qiáng)度分量關(guān)系式如下：

式中：Ex為傳播距離Z=x處的電場強(qiáng)度；E0為傳播距離Z=0 處的電場強(qiáng)度；k為傳播系數(shù)，其表達(dá)式為k=α+jβ，其中α為衰減常數(shù)，表示每單位距離衰減程度的常數(shù)；j為電流密度；β為相移常數(shù)，表示每單位距離落后的相位［11］。

式中：ω為電磁波的角頻率（ω=2πf，f為電磁波中心頻率）；μ為介質(zhì)的磁導(dǎo)率；σ為介質(zhì)的電導(dǎo)率；ε為介質(zhì)的介電常數(shù)。

實(shí)際計(jì)算中，通常用相對磁導(dǎo)率（μr=μ/μ0）和相對介電常數(shù)（εr=ε/ε0）計(jì)算介質(zhì)的衰減常數(shù)α和相移常數(shù)β。

式中：μ0=4π×10-7H/m，為空氣磁導(dǎo)率：ε0=1/36π×10-9F/m，為空氣介電常數(shù)。

在介質(zhì)中傳播的平面電磁波，在遇到不同的波阻抗（η）界面時(shí)將發(fā)生反射和透射，產(chǎn)生反射波和透射波。

垂直極化平面波的反射系數(shù)：

平行極化平面波的反射系數(shù)：

式中：θi為電磁波入射角；θn為電磁波反射角；η1和η2為兩個不同介質(zhì)的波阻抗。

（1）高阻介質(zhì)

波阻抗公式如下式表示：

在垂直入射情況下，θ1=θn=0，則：

上式表明，介質(zhì)介電常數(shù)的不同與反射信號相關(guān)。對于高阻介質(zhì)，反射信號的大小主要取決于介質(zhì)介電常數(shù)的差異。

（2）低阻介質(zhì)

波阻抗公式如下式表示：

在垂直入射情況下，θi=θn= 0，則：

上式表明，對于低阻介質(zhì)，反射信號的大小主要取決于介質(zhì)電導(dǎo)率的差異［11］。介質(zhì)的復(fù)雜程度與反射信號表現(xiàn)出高關(guān)聯(lián)性，這種特性可以進(jìn)行地表下的地質(zhì)分析。

3 數(shù)據(jù)采集與分析

3.1 天線選取與設(shè)備標(biāo)定

本次檢測采用地質(zhì)雷SIR-4000 主機(jī)及配套100MHz 和400MHz 屏蔽天線，連續(xù)采集，主機(jī)時(shí)窗選用200ns、AD 采樣16 位、1 024 掃描樣點(diǎn)數(shù)、128 掃描線/s、9 節(jié)點(diǎn)自動增益、3 道水平平滑；垂向高通濾波50MHz、低通濾波300MHz、3道水平平滑。

首先對檢測目標(biāo)進(jìn)行介電常數(shù)標(biāo)定，檢測前對路基的介電常數(shù)做現(xiàn)場標(biāo)定，每處頂管位置標(biāo)定1次，每次采集3個數(shù)據(jù)，根據(jù)已知頂管位置計(jì)算出路基介電常數(shù)值，取平均值為該段路基的介電常數(shù)。經(jīng)現(xiàn)場標(biāo)定，本次檢測段路基介電常數(shù)取值為8。

3.2 測線布設(shè)

根據(jù)探測需要，在頂管下穿區(qū)域沿車道方向布設(shè)測線，測線布置覆蓋頂管穿越區(qū)域（地質(zhì)雷達(dá)檢測測線布設(shè)示意圖見圖2）。

圖2 地質(zhì)雷達(dá)檢測測線布設(shè)示意圖Figure 2 Schematic diagram of GPR detection line layout

3.3 地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)處理

本次的地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)采用數(shù)據(jù)處理軟件RADAN7進(jìn)行處理。處理流程：數(shù)據(jù)輸入→數(shù)據(jù)編輯→能量均衡→數(shù)值濾波→時(shí)深轉(zhuǎn)換→圖形編輯→輸出剖面圖（地質(zhì)雷達(dá)主要處理方法及功能見表1）。

表1 地質(zhì)雷達(dá)主要處理方法及功能Table 1 Main processing methods and functions of GPR

地質(zhì)雷達(dá)在檢測過程中，由于受周圍環(huán)境電磁噪聲、儀器自身噪聲等因素的影響，數(shù)據(jù)記錄中除目標(biāo)體信息外，還包含其他許多干擾信息。這些干擾信息降低了數(shù)據(jù)的信噪比，往往會掩蓋真實(shí)異常，甚至造成假異常，使檢測結(jié)果不準(zhǔn)確，因此在利用地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測結(jié)果解釋之前，需要進(jìn)行數(shù)據(jù)處理來壓制干擾，提高數(shù)據(jù)的信噪比。

對檢測結(jié)果進(jìn)行處理可以提高信噪比，但是要得到檢測結(jié)果，還需要結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查情況及相關(guān)構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)信息和現(xiàn)場記錄，盡量剔除假異常，使地質(zhì)雷達(dá)檢測信息和目標(biāo)體真實(shí)情況相對應(yīng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)的解釋。

地質(zhì)雷達(dá)檢測數(shù)據(jù)的處理，需要先找出雷達(dá)波圖譜中的反射波同相軸不連續(xù)、產(chǎn)生彎曲、反射波能量強(qiáng)、回波振幅反應(yīng)較強(qiáng)的區(qū)域，再根據(jù)雷達(dá)波的相位、頻率和幅值變化等因素綜合分析判定，最終確定病害分布情況。

3.4 實(shí)驗(yàn)過程

本次實(shí)驗(yàn)段落為3條煤礦疏干水綜合利用項(xiàng)目下穿高速工程管線區(qū)域（下穿深度一般大于10m，不含路基填高），對下穿段高速公路道路土體密實(shí)度進(jìn)行探測，防止施工引起道路路基土體松散、空洞，對行車安全造成安全隱患，及時(shí)掌握探測段內(nèi)高速公路路基密實(shí)度情況，以便及時(shí)采取相應(yīng)措施，快速處理以消除安全隱患。

經(jīng)過第一次探測，發(fā)現(xiàn)僅1號管線周圍有5處脫空和1處不密實(shí)（表2），其余兩條管線區(qū)域正常；對1號管線區(qū)域發(fā)現(xiàn)的不密實(shí)和脫空區(qū)域經(jīng)過專業(yè)設(shè)計(jì)和施工治理，進(jìn)行第二次探測和治理（表3）；對于仍然存在不密實(shí)的區(qū)域進(jìn)行于第三次探測，探測結(jié)果未發(fā)現(xiàn)不密實(shí)現(xiàn)象。

表2 第一次地質(zhì)雷達(dá)探測典型病害缺陷統(tǒng)計(jì)Table 2 Statistics of typical disease detected by GPR at the first time

表3 治理后第一次地質(zhì)雷達(dá)探測病害缺陷統(tǒng)計(jì)Table 3 Statistics of disease detected by GPR at the first time after treatment

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比較發(fā)現(xiàn)：第一次探測出5 處災(zāi)害缺陷，經(jīng)過治理后第二次探測依然有三處，分別是測線237 不密實(shí)區(qū)域經(jīng)過治理后缺陷大小由2.70m×2.58m 縮小為1.13m×0.65m，縮小至10 %，測線242的不密實(shí)區(qū)域經(jīng)過治理后的缺陷大小由4.80m×1.72m 縮小為1.91m×0.5m，縮小至11%，測線245 的脫空的區(qū)域經(jīng)過治理后缺陷大小由1.33m×2.19m縮小為1.13m×1.58m，縮小至60%（由脫空變?yōu)椴幻軐?shí)）。對這些不密實(shí)的區(qū)域治理后進(jìn)行第三次探測，沒有發(fā)現(xiàn)不密實(shí)等災(zāi)害缺陷，公路營運(yùn)正常，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)真實(shí)有效。

3.5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果判定

對地質(zhì)雷達(dá)檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理可以提高信噪比，但是要得到檢測結(jié)果，還需要結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查情況及相關(guān)構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)信息和現(xiàn)場記錄，盡量剔除假異常，使地質(zhì)雷達(dá)檢測信息和目標(biāo)體真實(shí)情況相對應(yīng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確解釋。

主要判定特征應(yīng)符合下列要求：

1）密實(shí)：信號幅度較弱，甚至沒有界面反射信號。

2）不密實(shí)：界面的強(qiáng)反射信號同相軸呈繞射弧形，且不連續(xù)，較分散。

3）脫空：界面反射信號強(qiáng)，三振相明顯，在其下部仍有強(qiáng)反射界面信號，兩組信號時(shí)程差較大。

本次探測以特定的頂管為中心，兩側(cè)各15m，分布多條測線，經(jīng)兩次探測后治理，第三次探測無異常，時(shí)間間隔分別為1 個月、2 個月和4 個月，通過近一年的運(yùn)營觀察，歷經(jīng)夏天高溫和冬天嚴(yán)寒的運(yùn)行實(shí)踐，未發(fā)現(xiàn)明顯的路基沉降的變化，證明此方法可在高速公路頂管穿越區(qū)指導(dǎo)公路運(yùn)營養(yǎng)護(hù)部門對道路次生災(zāi)害的檢測，快速確定治理方案，保證公路的正常運(yùn)行。

4 結(jié)論

通過地質(zhì)雷達(dá)法對頂管施工區(qū)域高速公路路基檢測，可成功排除道路存在的安全隱患，保障高速公路運(yùn)營安全。經(jīng)過施工前后地質(zhì)雷達(dá)檢測數(shù)據(jù)分析對比，發(fā)現(xiàn)地質(zhì)雷達(dá)法在道路病害檢測中發(fā)揮出了明顯的優(yōu)勢，總結(jié)如下：

1）地質(zhì)雷達(dá)法應(yīng)用于運(yùn)營階段的高速公路道路探測，無損、快捷、對交通運(yùn)營影響較小。

2）地質(zhì)雷達(dá)法對高速公路道路病害探測效果顯著，通過病害整治前后地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)對比，發(fā)現(xiàn)道路病害范圍明顯縮小及無異常，證明地質(zhì)雷達(dá)在道路病害探測中數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性及方法的可靠性。

3）地質(zhì)雷達(dá)在探測過程中干擾因素較多，對數(shù)據(jù)處理、分析、解譯的要求較高，需要詳細(xì)收集道路結(jié)構(gòu)、地層地質(zhì)資料，以及現(xiàn)場實(shí)際情況，有助于提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

4）地質(zhì)雷達(dá)應(yīng)用于高速公路病害探測，能有效排除道路安全隱患，保障高速公路運(yùn)營安全，在今后的勘察探測中，將會發(fā)揮出更大的價(jià)值。