探地雷達在城市交通建設中的技術應用

秦 鎮，吳海波，張恩澤

（安徽理工大學地球與環境學院，安徽淮南232001）

隨著我國城市化水平的不斷提高，城市人口數量的快速上升的同時也導致交通壓力的增大。軌道交通憑借其運量大、快速便捷、環保節能、占用城市地上空間少等優勢得到了大力發展。但是，地下通道掘進施工過程中，隧道拱頂至路面范圍內的空洞、地下管線回填不密實等會造成路面下方結構內的應力變化，進而引起路面沉降塌陷，這也嚴重威脅了軌道交通的安全。

當前應用于城市道路病害檢測的地球物理探測手段較多，常用的探測手段主要有淺層地震波反射法、高密度電阻率法、瞬變電磁法、探地雷達等。不同的探測方法都有其優缺點。傳統的技術手段在實際應用中往往工作量較大，不能夠快速便捷地進行準確全面的解釋，甚至在探測過程中會對工程造成破壞。憑借方便快捷、效率高、操作簡單等優點，隨著技術的不斷進步探地雷達無損探測手段在道路建設過程中的應用越來越廣泛。

探地雷達在城市道路建設中的應用時間距今較短，它的應用始于20世紀80年代后期[1]。當前，探地雷達在我國主要被應用于城市道路中管線的檢測、隧道襯砌檢測、堤壩質量安全檢測等。葛雙成等在浙江用探地雷達對大壩和海塘進行持續多年的監測，成功地檢測出在堤腳出現的掏空現象[2]。汪文強等運用探地雷達對成都地鐵2號線盾構施工滯后沉降進行了檢測，以此來預防由于不密實帶和空洞等引起的道路塌陷，取得了較好的經濟效應[3]。熊昌盛等研究了探地雷達在鐵路隧道襯砌中的應用，認為探地雷達可以快速可靠地判定襯砌厚度、襯砌背后空洞以及鋼筋、初支鋼架分布情況[4]。謝昭暉等研究了探地雷達在道路路基病害檢測中的應用，分析了各類路基病害的雷達圖像[5]。這些研究都證實了探地雷達對建筑工程中異常體檢測的可行性和優越性。

本文在前人的研究基礎上，結合某市城市軌道建設工程，用探地雷達采集大量數據進行濾波處理后來分辨道路下隱藏的不同病害，同時指出一些在探測過程中出現的干擾信號，對今后的工作有一定的借鑒意義。

1 探地雷達方法原理

1.1 探查地質地球物理條件

本文中數據的采集工作均在城市軌道交通上方公路路面上進行的。通常講，城市道路結構由結構層分為鋪設墊層、基層和面層組成，因各層使用的主要建筑材料不相同，介電常數即不同。道路中夾藏的軟弱層、空洞、富水區等之間的介電常數也有很大的差異，這些共同為探地雷達檢測手段提供了技術上的可行性。

1.2 探查方法原理

探地雷達是通過發射天線向地下發射高頻電磁波，電磁波在地下傳播時遇到電性性質不同的介質或臨界面時會發生反射，這時通過接受天線接收反射回地面的電磁波。如圖1所示，實際探測中通過左邊的發射天線(Tx)處發射寬頻帶、短脈沖的電磁波向地下穿透，電磁波在傳播的過程中遇到介電系數不同的地下目標物體介質時發生反射。右邊的接受天線(Rx)接受返回波，與此同時，控制單元接受反射的信號在電腦中顯示相應的雷達波圖像。

圖1 探地雷達工作原理圖

1.3 主要計算公式

（1）電磁脈沖波旅行時間：

式中：z——勘查目標介質體的埋深；

x——發射、接收天線的距離（式中因z＞x故x可忽略）；

v——電磁波在介質中的傳播速度。

（2）探地雷達記錄時間和勘查深度的關系：

式中：Z——勘查目標體的深度；

t——雷達記錄時間。

2 探查技術應用

探地雷達現場使用中需要合理選擇測線布置方式，以及合適的天線及參數等，這里結合Mala雷達進行闡述。

2.1 測線布置

測線的布置要根據具體工程要求布置。利用500MHz屏蔽雷達探測地下管線時，在收集到目標管線資料的情況下，要根據管線的垂直方向進行測線的布置，至少布置3條（圖2）：中間一條，兩邊間距2m各布置一條，這樣才能有效地判斷出管線的具體位置以及埋深等信息。

圖2 管線測線布置

管線探測測線的布置應盡可能地避免障礙物和地面金屬覆蓋物。利用50MHz非屏蔽和100MHz屏蔽雷達探測深部和淺部地下狀況時，根據工程要求，左右地鐵隧道上方各布置3條測線。

2.2 可行性分析

在探地雷達實際應用中，應對探測目標體和場地環境進行充分了解和分析，以此來確保項目的順利完成，具體表現在以下3個方面：

（1）目標體的埋深。探測目標體的埋深是探地雷達方法探測可行性的決定性因素，若目標體的埋深過深，那么雷達探測法將不適用。一般我們認為，探地雷達的探測深度由2個因素決定，它們分別是雷達系統的增益指數和場地的介質介電常數。

（2）目標體的電性特征。運用下面的目標體功率反射系數來判斷探地雷達檢測手段的可行性。

一般認為，Pr的值不應小于0.01，公式（3）中，εh和εT分別表示為圍巖和目標體的相對介電常數，表1為常見介質的介電常數。

表1 常見介質的介電常數

（3）探測地場地環境。實際探測過程中，場地環境對探測的數據結果影響很大，往往會干擾我們對目標探測體的判斷。測區內的金屬材料如廣告牌、路面鋪蓋的鋼板等都會對探測形成嚴重干擾，所以在探測過程中要盡量避開這些大型干擾物或是在探測過程中對這些干擾物進行詳細記錄，以便后期數據解釋中對干擾信號源的甄別。

2.3 天線中心頻率的選擇

雷達剖面圖成像的分辨率與天線的中心頻率成正相關關系，探測深度與天線中心頻率成反相關關系。一般探測情況下，天線中心頻率的選擇由設計要求的分辨率和目標探測深度決定。

若要求的空間分辨率為Xm,在知道場地介質介電常數ε的情況下，天線中心頻率可由公式（4）計算得到：

天線中心頻率的選擇也可以根據施工承建方的要求探測深度（D）來快速選擇：

3 工程應用分析

城市道路建設中運用探地雷達主要是檢測淺層地下管線布置、地下空洞的分布、以及裂縫和松散不密實區域等病害。但是在實際檢測過程中，地表及地下存在著諸多影響因數，往往這些影響因數在雷達數據圖像上會呈現一些類似于我們所要探測的病害的波形特征，在后期的報告中就會容易出現誤判或遺漏。本文特別指出一些常見的干擾源并加以分析說明。

3.1 典型干擾分析

(1)人行天橋。城市道路中的人行天橋對非屏蔽的雷達的探測結果有較大的影響。當雷達經過人行天橋下方時，電磁波會出現強烈的反射，在接近和遠離人行天橋時會產生繞射波，從而會在雷達圖像上形成多組雙曲線特征。如圖3測線100～120的矩形區域，為實測時當雷達天線經過天橋時的干擾信號。

圖3 RT50MHz雷達穿過人行天橋雷達圖

由圖3可以看出，人行天橋的雷達圖像為較規則的雙曲線，但雙曲線特征不能反映實際天橋的寬度。

圖4 金屬井蓋雷達圖

(2)路面金屬蓋板。探地雷達天線通過地表金屬物時會產生強反射，在探地雷達剖面上表現為強能量同向軸出現，并且反射波會在金屬物和天線間產生多次反射，在剖面上表現為強能量同向軸垂直方向上延續時間長的特點[6]。根據現場探測記錄，圖4中測線26～28m處的紅色矩形標記內為探地雷達經過道路金屬蓋板時出現的現象。

3.2 典型病害分析

（1）松散不密實。城市道路下松散不密實病害一般是由于后期道路施工回填不實和雨水滲透侵蝕而形成的。松散不密實區域在各種外力的作用下會發育成道路下方隱伏空洞而影響交通運輸安全。路基壓實度較好的情況下，各層之間密實，雷達剖面圖上的波形較為規則有序。當公路面在內外力的共同作用下，往往發生路面下方出現松散的現象，松散區內形成局部含水、夾氣層。這時該區域內介質松散且含水量相對較大，電磁波穿透該區域是被大量吸收，反射波互相影響，出現同相軸不連續、波形雜亂的特征[7]。

圖5 不密實區域

圖5中在測線13～19m處，同相軸出現明顯的錯段、不連續，判斷該區域為松散不密實區域。

（2）管線。利用探地雷達探查城市道路中管網分布情況前一般需要對管線的走向、埋深、口徑等資料有大概的了解，然后根據具體情況來布置測線（圖2）和選擇相應頻率的雷達天線，最后集合各條測線上所測得的數據分析目標管線的準確位置和埋深。典型的管線反射信號為拋物線形，如果管徑較小或者埋藏較深，施工場地地下含水率較高時可能看不到拋物線形狀。城市道路地下管線多為圓柱形，當雷達經過管線上方時，雷達剖面圖會出現明顯的繞射現象。圖6中有4處（測線距離18m、28m、33.5m、39.5m）出現了明顯的管線的拋物線型反射特征，疑似為管線分布。拋物線的頂端位置即為管線的上壁位置，所以檢測中可以根據雷達剖面圖上拋物線來準確計算管線的位置和埋深。計算管線的具體埋深目前常用的方式為對比測量法，需要先測試計算電磁波在該施工場地的傳播速度，然后再根據公式（2）來計算[8]。后結合施工方實地開挖驗證了探測的準確性。

圖6 管線密集分布區

（3）空洞。地下空洞是發育在城市道路下方的脫空區域，具有隱伏性強、突發等特點，對城市交通安全構成了嚴重威脅。道路下方隱伏空洞是在內外力的共同作用下發育形成的。雨水的滲入，將路基下方的細小介質顆粒侵蝕、搬運流失從而形成局部脫空現象。空洞內部主要填充空氣和水，與正常路基結構形成明顯的相對介質常數差異（表1）。空洞的典型特性表現為電磁波反射信號幅值較強，呈典型的孤立體相位特征，通常為規整或非規整的雙曲線波形特征（圖7）。圖中可以看出，在測線15m附近，時間深度在20ns以下，電磁波反射明顯呈粗線型雙曲線特征，判斷為空洞異常區。

4 結論

圖7 空洞異常區

探地雷達作為一種新興的探測技術，在城市軌道建設中能夠快速準確地探測到隧道頂部至路面中所存在的各種病害。本文通過工程實踐和數據處理解釋來區別真假信號，并對松散不密實、管線填埋區域、空洞等的雷達剖面圖進行解釋，為今后的工作提供一定的參考。在實際操作過程中發現：

（1）探地雷達可以應用于城市軌道建設工程檢測中，探測過程高效且無損。

（2）探地雷達可以準確地發現一些地下目標體，但是對目標體的大小及形狀的判定準確性不夠，需要進行綜合物探后表達。

（3）在城市道路檢測中，探地雷達容易受多方面的外界條件干擾，檢測過程中要仔細記錄目標場地的環境條件，以便后期數據處理對干擾源的表達。

[1] 周楊,冷元寶,趙圣立.路用探地雷達的應用技術研究進展[J].地球物理學進展,2003,18(3):481-486.

[2] 葛雙成,梁國錢,陳夷,等.探地雷達和高密度電阻率法在壩體滲漏探測中的應用[J].水利水電科技進展,2005,25(5):55-57.

[3] 汪文強,劉爭平,白國東,等.探地雷達在地鐵盾構施工滯后沉降監測中的應用研究[J].地球物理學進展,2016,31(1):354-359.

[4] 熊昌盛,李晉平,陳輝,等.地質雷達檢測鐵路隧道襯砌質量的效果驗證[J].鐵道建筑,2011(11):32-34.

[5] 謝昭暉,李金銘.探地雷達技術在道路路基病害探測中的應用[J].地質與勘探,2007,43(5):92-95.

[6] 賈輝,陳昌彥,白朝旭,等.城市道路病害檢測中常見干擾源探地雷達圖像特征分析[J].工程勘察,2012,40(11):86-92.

[7] 俞先江,馬圣昊,王正,等.探地雷達技術在國省干線公路早期病害防治中的應用[J].公路,2015(8):255-259.

[8] 張鵬,董韜,馬彬,等.基于探地雷達的地下管線管徑探測與判識方法[J].地下空間與工程學報,2015,11(4):1023-1032.