基于雙頻天線探地雷達(dá)技術(shù)的地下病害探測研究

黃小林 HUANG Xiao-lin

（湖南聯(lián)智科技股份有限公司，長沙 410200）

0 引言

隨著城市地下空間的不斷發(fā)展，城市路面塌陷事故頻發(fā)，路基工程與道路工程安全已構(gòu)成城市公共安全的重大問題。路基病害隱患主要是由隱蔽性道路路基病害體不斷發(fā)育引起，包括空洞、脫空、疏松和富水體等[1，2]。目前，地球物理方法是進(jìn)行城市地下空間探測、開展地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)調(diào)查以及病害隱患排查不可或缺的手段。與常規(guī)勘探相比，城市中存在交通繁忙、環(huán)境、電磁場干擾嚴(yán)重、對淺層勘探精度和探測效率要求高以及靈活度要求高等特點(diǎn)，需滿足抗干擾能力強(qiáng)、高適應(yīng)性、高效作業(yè)等要求。因此，在儀器設(shè)備選型、數(shù)據(jù)采集和處理方面有更高要求，需進(jìn)一步改進(jìn)完善傳統(tǒng)方法技術(shù)，以適應(yīng)城市勘探需求，提高抗干擾能力和實(shí)際探測效果。

探地雷達(dá)方法具有抗干擾能力強(qiáng)、淺層分辨率高、高效率和實(shí)時成像等優(yōu)點(diǎn)，在城市道路路基病害檢測和隧道襯砌病害檢測等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[3-7]?，F(xiàn)階段，國內(nèi)外探地雷達(dá)設(shè)備在不斷地更新?lián)Q代，常規(guī)單頻天線探地雷達(dá)設(shè)備在市場上仍起著主導(dǎo)作用，對雙頻天線探地雷達(dá)新技術(shù)的應(yīng)用研究較少。曾雄鷹等[8]、劉之平等[9]和Proskin 等[10]提出了雙頻天線雷達(dá)系統(tǒng)，并證明了雙頻天線探地雷達(dá)技術(shù)在城市地下空間探測的可行性和先進(jìn)性，但在實(shí)例應(yīng)用效果分析和驗證方面還存在不足。因此，本文試圖總結(jié)梳理近年來應(yīng)用雙頻天線探地雷達(dá)技術(shù)探測城市道路地下病害隱患取得的工作成果，結(jié)合大量的高、低頻數(shù)據(jù)剖面進(jìn)行對比綜合分析，概括雙頻天線的優(yōu)勢所在，并簡明闡述了城市地下空間探測的發(fā)展趨勢，為城市地下空間探測工作提供一定的參考借鑒。

1 雙頻探地雷達(dá)技術(shù)

1.1 基本原理

探地雷達(dá)是利用高頻電磁波探測目標(biāo)體的一種地球物理勘探方法，其工作原理是發(fā)射天線向地下發(fā)射電磁波信號，在電磁波向前方傳播的過程中，當(dāng)遇到介電參數(shù)差異的目標(biāo)體時，電磁波發(fā)生反射，由接收天線接收并記錄，再根據(jù)接收的雷達(dá)波形、電磁場強(qiáng)度、振幅、頻譜特等參數(shù)推斷地下情況。

探地雷達(dá)檢測原理如圖1 所示，圖中h 為異常體或界面的深度，x 為兩天線之間的距離，其中電磁波在介質(zhì)中的傳播速度V 可由近似計算，其中C 為電磁波在真空中的傳播速度，εr為介質(zhì)的相對介電常數(shù)，相對介電常數(shù)εr通過查參考規(guī)范值得出。根據(jù)電磁波在介質(zhì)中傳播的雙程走時t 可得出目標(biāo)體埋深h，由公式表示為：

圖1 探地雷達(dá)檢測原理

在實(shí)際檢測開始前，也可通過現(xiàn)場埋設(shè)標(biāo)準(zhǔn)物體進(jìn)行測距標(biāo)定得出相應(yīng)的波速V。

1.2 系統(tǒng)設(shè)計

使用傳統(tǒng)單頻探地雷達(dá)進(jìn)行探測時，分辨率和探測深度是相矛盾的，即頻率低的天線深度較大，但分辨率不夠，探測準(zhǔn)確性稍差；而頻率高的天線可得到較好的分辨率，但探測深度又不理想。所以，在進(jìn)行實(shí)際探測時，選擇單一中心頻率的天線在滿足探測深度要求后需要舍棄一部分探測分辨率的性能指標(biāo)，且需要重復(fù)更換高、低頻發(fā)射天線來達(dá)到不同深度，工作效率較低。據(jù)此，研究使用設(shè)計為雙主頻超寬帶的時域發(fā)射采集技術(shù)，設(shè)置的中心頻率分別為160MHz 和670MHz，雙頻天線探地雷達(dá)并行采集，一次行進(jìn)即可得到同點(diǎn)位的高頻和低頻數(shù)據(jù)剖面，兼顧了探測深度和探測精度。重要的是，一方面針對雙頻天線采集系統(tǒng)開發(fā)了配套的基于實(shí)時采樣高動態(tài)增益技術(shù)，提高深部數(shù)據(jù)的信噪比，可并行實(shí)現(xiàn)淺部和深部地下目標(biāo)體的大深度精細(xì)化探測；另一方面采用較為先進(jìn)的優(yōu)良屏蔽材料，最大程度上減小天線之間的信號干擾。

1.3 數(shù)據(jù)采集

應(yīng)用雙頻天線探地雷達(dá)進(jìn)行地下病害檢測探測，天線中心頻率分別為160MHz 和670MHz 屏蔽天線，雙頻天線檢測系統(tǒng)如圖2 所示。具體采集參數(shù)設(shè)置如下：高頻670MHz 天線采樣頻率為5120Hz，時間窗長度為60ns，采集道間距設(shè)置為0.02m，有效探測深度約3m；低頻160MHz 天線采樣頻率為2240Hz，時間窗長度為200ns，采集道間距設(shè)置為0.02m，有效探測深度約10m。雙頻天線裝置在四輪推車上（見圖2），通過推動小車觸發(fā)采集成像，最終以雷達(dá)剖面圖像形式實(shí)時采集顯示。

圖2 雙頻天線探地雷達(dá)檢測系統(tǒng)

2 地下病害體探地雷達(dá)圖譜特征

要準(zhǔn)確地判斷探地雷達(dá)數(shù)據(jù)可能存在的病害異常，需對各種病害的雷達(dá)圖像特征進(jìn)行明確，包括空洞、脫空、疏松、富水體等病害體的探地雷達(dá)圖譜上的波組形態(tài)、振幅、相位和頻率特征。本文依托GprMax 軟件平臺，采用時域有限差分方法（FDTD）進(jìn)行常見的地下病害正演模擬分析，其中，常見的地下病害正演模擬特征圖譜如圖3 所示。根據(jù)正演模擬特征圖譜歸納總結(jié)四種常見的地下病害體的探地雷達(dá)特征如表1 所示。

表1 地下病害體探地雷達(dá)圖譜特征

圖3 常見的地下病害正演模擬特征圖譜

3 工程應(yīng)用實(shí)例

3.1 地下病害1

該異常位于長沙市望城區(qū)梅園路，距離其西北方向約2m 位置處可見一雨水井。由探地雷達(dá)成果剖面（見圖4）可以得出：雨水井與路邊的雨水篦有橫穿的連通管道，高頻、低頻數(shù)據(jù)雷達(dá)剖面均顯示該管道埋深約0.80m；異常區(qū)頂部高頻、低頻數(shù)據(jù)雷達(dá)圖譜反射信號能量強(qiáng)，相對于周圍土體為一孤立的強(qiáng)反射體，由高頻天線剖面（見圖4（a））可見頂部強(qiáng)反射界面埋深約0.75m，內(nèi)部波形較為雜亂，多次反射波比較發(fā)育，邊界及側(cè)壁出現(xiàn)了明顯的繞射波，整個強(qiáng)反射體為一個似“背斜”形狀；由低頻天線剖面（見圖4（b））可見頂部強(qiáng)反射界面0.6～0.9m，多次反射波比較發(fā)育，邊界及側(cè)壁繞射波不明顯，整個強(qiáng)反射體為一似平板形狀。根據(jù)以上雷達(dá)剖面特征判斷該異常為空洞，且經(jīng)鉆探驗證確定該空洞范圍為4.7m（東西方向）×2.5m（南北方向），頂部埋深0.79m，凈深0.60m（見圖5）。

圖4 空洞實(shí)測數(shù)據(jù)二維雷達(dá)影像圖

圖5 空洞病害隱患體鉆探驗證照片

3.2 地下病害2

該異常位于長沙市望城區(qū)旺旺路。由探地雷達(dá)成果剖面（見圖6）可以得出：從高頻、低頻數(shù)據(jù)雷達(dá)剖面均顯示表層下有鋼筋分布，高頻剖面可以清晰分辨鋼筋的埋深和分布情況，低頻天線可以判斷表層以下有鋼筋分布，但其埋深和分布情況很難進(jìn)行準(zhǔn)確判讀；異常區(qū)頂部高頻、低頻數(shù)據(jù)雷達(dá)圖譜反射信號能量均明顯增強(qiáng)，相對于周圍土體為一孤立的強(qiáng)反射體，由高頻天線剖面（見圖6（a））頂部強(qiáng)反射界面埋深約0.70m，多次反射波較發(fā)育，側(cè)壁出現(xiàn)了明顯的繞射波，整個強(qiáng)反射體為一個似“背斜”形狀；由低頻天線剖面（見圖6（b））頂部強(qiáng)反射界面0.5～0.8m，多次反射波發(fā)育，側(cè)壁繞射波較明顯，整個強(qiáng)反射體為“背斜”形狀。根據(jù)雷達(dá)剖面特征判斷該異常為空洞，且經(jīng)鉆探驗證該空洞范圍為3.1m（東西方向）×1.5m（南北方向），頂部埋深0.65m，凈深0.50m（見圖7）。

圖6 空洞實(shí)測數(shù)據(jù)二維雷達(dá)影像圖

3.3 地下病害3

該異常位于長沙市望城區(qū)梅園路，其在電力井旁。由探地雷達(dá)成果剖面（見圖8）可以得出：異常區(qū)頂部高頻、低頻數(shù)據(jù)雷達(dá)圖譜反射信號能量均明顯增強(qiáng)，相對于周圍土體為一孤立的強(qiáng)反射體，由高頻天線剖面（見圖8（a））可見頂部強(qiáng)反射界面埋深約0.60m，雙曲線反射波特征，側(cè)壁附近出現(xiàn)了微弱的繞射波，整個強(qiáng)反射體為一個“雙曲線”形狀，由單一高頻推測可能為管線或者脫空病害；由低頻天線剖面（見圖8（b））可見頂部強(qiáng)反射界面0.5～0.7m，多次反射波比較發(fā)育，側(cè)壁附近繞射波不明顯，整個強(qiáng)反射體為似平板形狀，由單一低頻推測為脫空病害。根據(jù)雷達(dá)剖面特征并經(jīng)實(shí)地復(fù)測初步判斷該異常為脫空，經(jīng)過開挖揭露驗證確定該異常為脫空病害，脫空范圍2.1m（東西方向）×5.0m（南北方向），頂部埋深0.59m，凈深0.22m。

圖8 脫空實(shí)測數(shù)據(jù)二維雷達(dá)影像圖

4 結(jié)論

①在正演模擬圖譜上可以清晰地得出空洞、脫空、疏松和富水病害等的振幅、相位、能量及波組特征，數(shù)值模擬得到的圖譜特征為實(shí)測數(shù)據(jù)解譯提供了理論基礎(chǔ)，提高了現(xiàn)場解譯的效率和準(zhǔn)確度。

②雙頻天線探地雷達(dá)的高頻天線在識別3m 以內(nèi)的病害和管線等地下目標(biāo)體分辨率較高，在確認(rèn)病害體邊界位置和頂部埋深準(zhǔn)確度可達(dá)90%以上；低頻天線探測深度可達(dá)10m 以淺，可以補(bǔ)充高頻天線探測深度的不足，但損失了部分分辨率，得到的地下目標(biāo)體圖譜特征存在一定的畸變，但整體大的異常特征清晰顯著。因此，雙頻天線并行采集可兼顧探測深度和探測精度，對道路地下病害體賦存情況進(jìn)行全方位“體檢”，可促進(jìn)道路塌陷向高精度、大深度方向發(fā)展。

③雙頻天線探測得到的高、低頻剖面可進(jìn)行相互參照對比分析，有利于成果的解譯工作，一方面高頻天線探測做到表層不厭其精，低頻天線探測深部抓大放小，相互補(bǔ)充，突出優(yōu)勢；另一方面雙頻天線并行采集在某種意義上相當(dāng)于在同一位置進(jìn)行了2 次探測，提高了探測效率和可靠性。雙頻天線探地雷達(dá)具備便捷高效、高精度和大深度探測優(yōu)勢，是目前城市地下空間探測發(fā)展趨勢。