地質雷達探測道路病害的案例分析與思考

趙 亮,趙增志,張 雷

(中國冶金地質總局地球物理勘查院,保定 071000)

0 引言

地質雷達(Ground Penetrating Radar,簡稱GPR),又稱探地雷達,是一種對地質界面或地下不可見目標體快速探測定位的電磁技術,并廣泛應用于無損探測、城市勘查等領域[1]。特別是隨著近些年高頻微電子科技和計算機技術的發(fā)展,地質雷達逐漸由二維探測發(fā)展到三維探測,進一步拓展了地質雷達的應用范圍,探測效果和探測速度也顯著提升。本文結合不同的測區(qū)環(huán)境、地下構筑物的關系,分析研究地質雷達在道路檢測中的應用,探討雷達檢測作為道路驗收手段的補充的必要性。

1 基本原理

地質雷達是利用高頻電磁脈沖波的反射來探測地質界面或目標體的,它是從地面向地下發(fā)射電磁波來實現(xiàn)探測的,故亦稱之為探地雷達[2]。具體為通過發(fā)射天線向地下發(fā)射一定寬度的高頻電磁波(例如T1、T4等),接收天線接收來自地下的回波(例如R1、R4等),通過計算所接收到的回波的雙程走時、振幅變化、頻率差和相位差得到地下目標體的位置、形態(tài)等相關信息,從而達到探測目的[3]。其工作原理見圖1。

圖1 地質雷達工作原理圖Fig.1 Working principle of geological radar

三維地質雷達是在二維地質雷達的基礎上發(fā)展起來的新設備。與二維雷達相比有比較明顯的優(yōu)勢,主要優(yōu)勢有:①雷達數(shù)據(jù)更“立體”、分辨率更高。三維地質雷達探測好比給目標體做“CT”,不僅能從宏觀上反應目標體的形狀、大小等信息而且能做到在不同深度上反應出目標體的細節(jié)信息。②信息豐富、集成度高。可以根據(jù)項目需求進行訂制,如拓展到8通道、16通道、24通道等;還可以加裝GPS、影像、地圖等設備。③施工周期短、速度快。在道路條件允許的情況下,三維地質雷達可以達到10 km/h～20 km/h,更適用于大范圍作業(yè)[4-5]。二維雷達對步行道、比較窄的街道進行探測,是三維雷達的有效補充。見圖2三維雷達和二維雷達工作照。

圖2 三維雷達和二維雷達工作照Fig.2 3D radar and 2D radar working photos

2 地質雷達解釋基礎與過程

2.1 地質雷達解釋基礎

地質雷達是以高頻電磁波傳播為基礎,通過電磁波在介質中反射和折射等現(xiàn)象來實現(xiàn)對地下介質探測的。影響雷達波在地下介質中傳播的參數(shù)有很多,主要包括介電常數(shù)、磁導率和電導率(電阻率)等,其中決定電磁波場速度的主要因素是介電常數(shù)[6],一般速度與電導率和介電常數(shù)呈反比關系。

一般城市道路從上到下可分為面層、基層和路基層。面層一般采用瀝青混合料或水泥混凝土混合料,材料內空隙少,濕度較小,介電常數(shù)相對較小?；鶎邮堑缆返闹饕兄貙?多由水泥混合料、石灰、二灰土等材料鋪筑,層內濕度相對較大,介電常數(shù)隨材料不同而變化。路基層是道路的基礎,通常以石灰土、碎礫石、粉煤灰土為主,其空隙更大,含水量更高,介電常數(shù)相對較大。道路病害多發(fā)育于此層[7]。常見介質介電常數(shù)詳見表1。

表1 常見介質電導率、相對介電常數(shù)、電磁波傳播速度Tab.1 Common dielectric conductivity,relative dielectric constant,electromagnetic wave propagation speed

2.2 地質雷達解釋過程

地質雷達探測的解釋過程通常包含兩部分內容,一是數(shù)據(jù)處理,二是圖像解釋。①數(shù)據(jù)處理主要是對所記錄的波形作處理,目的為突出有用的目標信息,抑制隨機噪聲,改善背景值。常用的方法為:去除零漂、重復測量、帶通濾波等。②圖像解釋主要是結合地質情況判斷目標體(異常體)為主[8]。三維地質雷達的解釋相比二維地質雷達來說變的相對容易些。三維數(shù)據(jù)不僅能從宏觀上辨識目標體,而且能從不同深度,不同角度對目標體的細節(jié)進行識別。譬如道路中常見的人工構造物:管道、涵洞、地下人防、檢修井等等,三維對它們都有很高的辨識度。

3 典型案例分析

3.1 中華道地質雷達探測

3.1.1 測區(qū)概況

中華道所處地市處于河北省中部,西臨白洋淀,屬于河流沖擊平原,主要為第三紀沉積層。該市屬于暖溫帶半濕潤半干旱大陸性季風氣候,年平均降水量為600 mm～900 mm,降水量大部分集中在汛期(7月～8月)。

該道路施工在7月～10月,主要為雨污水管道的更換。管道位于非機動車道下,全長2.1 km,管道溝槽寬5.5 m,根據(jù)道路情況,結合管道的埋深,大部分采用開挖鋪設,局部采用頂管工藝。溝槽深度小于3 m時,采用放坡開挖,挖深大于3 m時,采用鋼板樁支撐開挖。管道鋪設后用振動壓路機壓實,最后施做基層、防水層、面層。

3.1.2 資料解釋

在道路施工完畢一個月后進行了地質雷達檢測。首先采用三維地質雷達全覆蓋檢測,雷達參數(shù)為:天線中心頻率200 MHz、8通道、采樣時窗100 ns、采樣點數(shù)512、采樣間距2 cm。然后采用二維雷達進行準確定位,二維雷達天線中心頻率200 MHz、采樣時窗60 ns、采樣點數(shù)512。最后對異常中心位置進行打孔驗證。圖3為局部異常水平切片,深度為0.5 m,圖4為二維雷達剖面圖。

圖3 道路局部異常水平切片,深度為0.5 mFig.3 Local abnormal horizontal slice of road,with a depth of 0.5 m

圖4 二維雷達剖面圖Fig.4 Two dimensional radar profile

在三維地質雷達影像判讀過程中選定該異常(圖中紅框處)。該異常呈扁圓形,平面面積為4.2 m×1.7 m,雷達波強度與其背景形成強烈對比,呈現(xiàn)雷達波強反射。異常從0.45 m開始出現(xiàn),隨著深度不斷增加,雷達波強度未見顯著衰減,依然呈現(xiàn)強反射。

從二維雷達圖像上可以看到異常體的雷達反射波振幅明顯強于背景值,反射波組形態(tài)雜亂,底部反射波與入射波相反(圖像呈黑白黑)。雷達波表現(xiàn)為似平板狀,底部有多次波發(fā)育,靠近深部多次波呈衰減趨勢。推測此異常為空洞異常。

3.1.3 鉆孔驗證

二維雷達確定好異常范圍及中心位置后采用￠20的沖擊鉆進行打孔驗證。當鉆孔深度到達0.45 m左右時突然出現(xiàn)了掉鉆現(xiàn)象,隨后用工業(yè)內窺鏡觀察鉆孔內部情況,發(fā)現(xiàn)該異常為空洞病害,通過探桿量測空洞凈空為0.8 m。

道路施工方為了不破壞路面,通過側面開挖的形式進行灌漿處理。通過側面的空隙用內窺鏡(QV)查看發(fā)現(xiàn):水穩(wěn)層已經(jīng)下沉消失,土壤為松散狀且沒有浸濕痕跡,道路面層底板平整。上述現(xiàn)象說明此處水穩(wěn)層所用的材料不達標,不是后期雨水沖刷等因素造成。是回填料級配不好,還是施工工藝的問題,亦或是其他原因引起的,有待施工方進一步查明,將近8 m3的土石去向何處施工方也很茫然。圖5為打孔后的內窺鏡圖像,圖6為側面開挖后的QV影像圖。

圖5 內窺鏡圖像Fig.5 Endoscope image

圖6 QV影像圖Fig.6 QV image

3.2 中河路地質雷達探測

3.2.1 測區(qū)概況

中河路所處地市位于浙江省中北部,錢塘江下游,京杭大運河南段,地勢低平,河網(wǎng)、湖泊密布。地層主要以粉土、粉砂土為主。該市四季分明,雨量充沛,地下水位偏高。

該道路為全新道路,在4月～11月施工,為雙向四車道,中間有綠化隔離,帶全長3.7km。雨污水管道位于機動車道下路基層,埋深2.7 m,采用鋼板樁支撐開挖鋪設。其他管線位于人行道下,埋深1.5 m左右。管道鋪設后用依次施做道路基層、防水層、面層等,最后振動壓路機壓實。

3.2.2 資料解釋

在次年1月份進行了地質雷達檢測,距離道路施工完畢近兩個月。雷達作業(yè)流程與參數(shù)設置與中華道檢測相同,不再贅述。圖7為局部異常水平切片,深度為0.7 m,圖8為二維雷達剖面圖。

圖7 局部異常水平切片(0.7 m)Fig.7 Local abnormal horizontal slice (0.7 m)

圖8 二維雷達剖面圖Fig.8 2D radar profile

在三維地質雷達影像判讀過程中選定該異常。該異常呈近似長方形,平面面積為3.5 m×3.7 m,雷達波強度與其背景形成強烈對比,呈雷達波強反射。異常0.6 m開始出現(xiàn),隨著深度不斷增加,雷達波強度未見明顯衰減,依然呈現(xiàn)強反射,目標體的輪廓也沒發(fā)生很大變化。根據(jù)以往經(jīng)驗可以排除人工構筑物、掩埋物體等。

進一步準確定位采用200 MHz二維地質雷達,可以看到該異常與背景值對比強烈,反射波振幅顯著加強,明顯高于背景值。反射波表現(xiàn)為正向連續(xù)平板狀形態(tài),多次波明顯,相位與入射波反向(圖像呈黑白黑)。推測此異常為空洞異常。

3.2.3 鉆孔驗證

二維雷達確定好異常范圍及中心位置后采用?20的沖擊鉆進行打孔驗證。當鉆孔深度到達0.55 m左右時突然出現(xiàn)了掉鉆現(xiàn)象,隨后用工業(yè)內窺鏡觀察鉆孔內部情況,發(fā)現(xiàn)該異常為空洞異常,由于空洞面積較大,內窺鏡亮度不夠,所以通過探桿粗略探明內部情況:空洞凈空為0.95 m,路基層上部干燥,底部有水。由于空洞位于排水管道的正上方,結合探桿探明情況,初步分析形成空洞的原因為管道破裂引起水土流失引起。該圖9為內窺鏡圖像,圖10平面范圍圖。

圖9 內窺鏡圖像Fig.9 Endoscope image

圖10 平面范圍圖Fig.10 Plan range

3.3 其他典型案例

引起道路病害的原因復雜多樣,列舉一些其他道路檢測項目中的典型案例。常見引起道路病害的原因有:回填不合格材料、人防工程破損、管道破損、檢修井滲漏等等。檢測方法和流程與上述兩個案例基本相似,不再贅述。

3.3.1 回填不合格材料引起

該道路病害位于過路排水管道的兩側,為脫空病害。采用了建筑垃圾、石塊回填,石塊之間留有較大的空隙,這對管道的安全危害極大,在長期重載下石塊的棱角可能會擠破管道,引起滲漏,進而發(fā)展為空洞病害,影響道路的安全。圖11為回填石塊的圖片。

圖11 回填材料形成的空隙Fig.11 Voids formed by strength backfill material

3.3.2 人防工程破損引起

該處道路病害為空洞病害,發(fā)生在突降暴雨之后,病害面積較大。通過二維雷達檢測發(fā)現(xiàn)部分路段水穩(wěn)層下的路基層(深度大約1 m)已經(jīng)缺失。通過后期的管線調查發(fā)現(xiàn)該處的土壤被雨水沖入道路旁邊廢棄的人防工事里(施工前應對人防工程進行妥善處理)。圖12為二維雷達圖,顯示連續(xù)的路基層已經(jīng)斷裂、缺失。

圖12 二維雷達剖面圖Fig.12 2D radar profile

3.3.3 管道破損引起

該病害位于排水管道的正上方,為脫空病害。從QV影像圖中可以看出管道兩端已經(jīng)破損斷裂,失去了對上方土體的支撐能力,周邊部分土體已經(jīng)流失。管道幾乎失去了排水功能。圖13為管道兩端的QV影像圖。

圖13 QV影像圖Fig.13 QV image

3.3.4 檢查井周邊碾壓不實引起

這類病害位于檢查井周邊,尤其是排水檢查井更為常見,多為脫空病害。分析形成原因可能有:①回填材料不達標。②壓實度不夠。檢查井周邊應逐層回填、逐層夯實。③井內防水層脫落。井內防水層脫落會造成檢修井滲漏,進而造成檢修井周邊水土流失,從而引起病害。④其他原因。圖14為檢修井周邊的脫空病害的照片。此類脫空面積一般不大,但是應該引起足夠重視,防止演變?yōu)榭斩催M而造成路面塌陷、下沉影響道路安全。

圖14 檢查井周邊脫空照片F(xiàn)ig.14 Photos of void around inspection well

4 總結

1)通過上述案例的分析可以得出引起道路病害的原因是復雜的、多方面的。工程質量是引起道路病害的部分原因,施工前妥善處理好道路基礎與其周邊設施、構筑物間的關系同樣重要。當任一環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題的時候就會引發(fā)連鎖反應,致使道路病害的發(fā)生。例如道路旁人防工程破損、檢查井滲漏引起的病害等。

2)三維雷達能快速完成面積性探測,初選出異常位置;結合二維地質雷達進一步準確定位;最后進行鉆孔驗證的工作模式(流程)對尋找并消除道路病害是行之有效的。探測之前須根據(jù)設計方案和探測目標選擇合適的頻率天線。根據(jù)測區(qū)試驗結果,選擇最佳采樣時窗、采樣間隔、采樣點數(shù)和疊加次數(shù)等基礎參數(shù)。

3)道路病害的處置不能簡單的做回填或灌漿處理,治表更要治里。應該首先查明引發(fā)病害的原因,再對癥處置,做到有的放矢。

4)針對病害多發(fā)的道路應定期做雷達檢測,特別是雨季或暴雨過后,及時排除道路病害,確保道路安全暢通。

5)雷達檢測能更“立體”的反應道路的狀況,是傳統(tǒng)的道路驗收項目的有效補充。一些道路施工完畢后大多進行了道路驗收,且驗收都合格。時隔不長就有病害發(fā)生是一個值得我們探討和思考的問題,探討道路雷達檢測的重要性,思考雷達檢測加入道路驗收項目的必要性。