探地雷達(dá)在城市道路地下病害探測(cè)中的應(yīng)用

韓 凱

（中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司， 北京 100088）

0 引言

隨著我國(guó)對(duì)城市地下空間的大力開(kāi)發(fā)，城市路面塌陷事故在一些城市呈高發(fā)趨勢(shì)，由城市地鐵施工引起的路面塌陷事故數(shù)見(jiàn)不鮮。路面塌陷具有突發(fā)性、隱伏性及多因性等特點(diǎn)[1]。路面塌陷會(huì)造成交通中斷、地表建筑坍塌以及危及過(guò)往行人、車(chē)輛的安全等危害，給人們的生產(chǎn)生活造成嚴(yán)重的損失。因此采用適當(dāng)?shù)氖侄螌?duì)對(duì)地鐵施工區(qū)域上方路面進(jìn)行地下病害探測(cè)顯得尤為重要，根據(jù)探測(cè)結(jié)果對(duì)探測(cè)到的病害及時(shí)處治，可保障地鐵施工的安全，消除路面塌陷的隱患，對(duì)城市道路的正常運(yùn)營(yíng)具有重要意義。

對(duì)城市道路地下病害探測(cè)的方法有很多，常用的方法探地雷達(dá)法，高密度電阻率法、地震映像法及瞬變電磁法等[2]。城市道路地下空洞的探測(cè)具有探測(cè)環(huán)境復(fù)雜，干擾因素多且要求高效率、短工期，探地雷達(dá)技術(shù)具有高精度、高效率低投入的特點(diǎn)，基于此本文針對(duì)青島市地鐵某在建工程項(xiàng)目，為避免地下空洞、疏松體等地下病害對(duì)地鐵施工及周?chē)h(huán)境產(chǎn)生不利影響，采用探地雷達(dá)法對(duì)地鐵施工區(qū)域上方進(jìn)行探測(cè)，查明地下病害體的位置及深度，為后續(xù)地下病害處治及地鐵施工提供安全保障。

1 探地雷達(dá)法原理

探地雷達(dá)技術(shù)是一種利用高頻電磁波探測(cè)地下介質(zhì)分布的無(wú)損檢測(cè)手段，它通過(guò)剖面掃描的方式獲得地下斷面的掃描圖像。探地雷達(dá)通過(guò)在地面上移動(dòng)的發(fā)射天線(xiàn)向地下發(fā)射高頻電磁波，在地下旅行的電磁波遇到不同的電性界面時(shí)，就會(huì)發(fā)生反射、透射和折射。電介質(zhì)間的電性差異越大，反射回的電磁波能量也越大。反射到地面的電磁波被與發(fā)射天線(xiàn)同步移動(dòng)的接收天線(xiàn)接收后，通過(guò)雷達(dá)主機(jī)精確地記錄下反射回的電磁波到達(dá)的時(shí)間、相位、振幅、波長(zhǎng)等特征，再通過(guò)信號(hào)疊加放大、濾波降噪、圖像合成等數(shù)據(jù)加工處理手段，形成地下斷面的掃描圖像。通過(guò)對(duì)雷達(dá)圖像的判讀，便可得到地下目標(biāo)物的分布位置和狀態(tài)。

2 應(yīng)用實(shí)例

2.1 工程概況

青島市地鐵在建線(xiàn)路某區(qū)間地處市區(qū)繁華路段。地勘資料顯示擬建場(chǎng)地屬于侵蝕堆積緩坡、剝蝕斜坡及濱海淺灘地貌單元，地形自北向南緩傾，覆蓋層以第四系填土、中砂層及粉質(zhì)黏土為主，其下伏基巖為燕山晚期粗粒花崗巖，穿插細(xì)粒花崗巖及煌斑巖，局部受構(gòu)造影響，各地層的力學(xué)性質(zhì)變化較大。地勘資料顯示，工程范圍內(nèi)地下水位埋深2.40～5.10m。

2.2 采集參數(shù)

根據(jù)本次工程的特點(diǎn)及任務(wù)要求，結(jié)合相關(guān)地勘資料成果分析島本次探測(cè)采用美國(guó)勞雷公司生產(chǎn)的SIR-30E 型探地雷達(dá)，配套100MHz 屏蔽式天線(xiàn)探測(cè)指定區(qū)域5m 范圍內(nèi)的地下空洞、疏松體及富水體等地下病害的位置及埋深。

正式探測(cè)前，依據(jù)已有管線(xiàn)、地勘等資料選取試驗(yàn)場(chǎng)地，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果確定儀器性能及采集參數(shù)。

探地雷達(dá)測(cè)線(xiàn)方向沿地鐵走向布置，以地鐵施工中心線(xiàn)為中線(xiàn)向兩側(cè)探測(cè)范圍內(nèi)延伸，測(cè)線(xiàn)間距為2m，局部區(qū)域測(cè)線(xiàn)加密為1m 呈網(wǎng)格化布置，且保證每條行車(chē)道至少有一條測(cè)線(xiàn)。

現(xiàn)場(chǎng)采集方式為時(shí)間模式及距離模式，每10m 現(xiàn)場(chǎng)做1 處標(biāo)記，通過(guò)打標(biāo)的方式校準(zhǔn)里程樁號(hào)。

2.3 資料解譯

探地雷達(dá)法資料解釋是根據(jù)獲得的雷達(dá)數(shù)據(jù)剖面上同相軸的變化規(guī)律，雷達(dá)波的波形、振幅和相位等特征，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境及相關(guān)地質(zhì)資料，來(lái)推測(cè)地下空洞、疏松體等地下病害體的過(guò)程。要獲得準(zhǔn)確的探測(cè)成果，需對(duì)各種病害的雷達(dá)圖像特征及干擾特征進(jìn)行明確。不同病害的地球物理特征詳見(jiàn)表1。

表1 不同地下病害體的探地雷達(dá)特征

道路下方的空洞內(nèi)部多為空氣，因此電磁波從土體進(jìn)入空洞內(nèi)部，反射系數(shù)為正，空洞頂板與入射波相位相同，反射振幅強(qiáng)，且多次波發(fā)育，有時(shí)在空洞兩側(cè)可見(jiàn)繞射波發(fā)育。

疏松體是土和空氣的混合體，由于空氣的介電常數(shù)為1，因此其相對(duì)介電常數(shù)要小于周?chē)馏w的介電常數(shù)，當(dāng)電磁波從密實(shí)土體進(jìn)入疏松土體是其反射系數(shù)為正，會(huì)出現(xiàn)入射波與反射波相位相同的現(xiàn)象，土體不均勻程度會(huì)導(dǎo)致振幅強(qiáng)弱、同相軸的不連續(xù)及波形的雜亂程度的差異。

在城市中探測(cè)時(shí)，需排除不同類(lèi)型的信號(hào)干擾，井蓋、路燈桿及防護(hù)欄等會(huì)在雷達(dá)圖像上反映，這就要求我們?cè)诶走_(dá)圖像解譯時(shí)將這些異常與目標(biāo)異常區(qū)分開(kāi)來(lái)，典型干擾源雷達(dá)圖像實(shí)例如下。

圖1 地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)雷達(dá)圖像

在城市地鐵施工中，常在道路上設(shè)置若干地面沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)一般為現(xiàn)場(chǎng)鉆孔后埋設(shè)，雷達(dá)圖像上表現(xiàn)為曲率較大的尖的雙曲線(xiàn)。

圖2 中央防護(hù)欄干擾雷達(dá)圖像

在城市道路中間有時(shí)會(huì)設(shè)置隔離防護(hù)欄，防護(hù)欄一般為鐵質(zhì)金屬且以固定間隔設(shè)置，目前的探地雷達(dá)雖然大多使用屏蔽式天線(xiàn)，但是往往天線(xiàn)的屏蔽程度不夠，因此雷達(dá)剖面也會(huì)將此目標(biāo)信號(hào)記錄，表現(xiàn)在雷達(dá)圖像上為有規(guī)律的雙曲線(xiàn)形態(tài)，且雙曲線(xiàn)下方存在多次反射現(xiàn)象。

2.4 探測(cè)成果

根據(jù)雷達(dá)探測(cè)結(jié)果及相關(guān)資料分析，探測(cè)區(qū)域內(nèi)共發(fā)現(xiàn)2 處由土體疏松引起的異常體。

圖3 1 號(hào)異常體雷達(dá)圖像

1 號(hào)異常體見(jiàn)圖3 中黑色虛框內(nèi)所示，在水平標(biāo)尺10-25m，深度約1.5m～2.5m范圍內(nèi)，雷達(dá)圖像表現(xiàn)為同向軸嚴(yán)重錯(cuò)斷，波形雜亂，無(wú)規(guī)律，結(jié)合相關(guān)地勘資料及現(xiàn)場(chǎng)情況，此區(qū)域推測(cè)為土體嚴(yán)重疏松區(qū)域，局部存在空洞。

圖4 2 號(hào)異常體雷達(dá)圖像

2 號(hào)異常體雷達(dá)圖像見(jiàn)圖4 黑色虛框內(nèi)所示，在水平標(biāo)尺6～13m，深度約1～2.5m 范圍內(nèi)，同相軸缺失，反射能量弱，在水平刻度9～10m 范圍內(nèi)存在一井蓋，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，推測(cè)該區(qū)域?yàn)楣芫€(xiàn)周?chē)鷽_刷導(dǎo)致的土體疏松。

3 結(jié)束語(yǔ)

（1）本文介紹了利用探地雷達(dá)技術(shù)對(duì)地下病害探測(cè)的應(yīng)用，針對(duì)青島市地鐵某線(xiàn)路建設(shè)工程項(xiàng)目，利用探地雷達(dá)技術(shù)對(duì)某區(qū)間地下病害情況進(jìn)行探測(cè)，結(jié)果表明，部分路段存在土體疏松病害，根據(jù)探測(cè)結(jié)果提供的異常體的位置及范圍，采取相對(duì)應(yīng)的處治措施，可為地鐵安全施工提供保障。

（2）在地下水位較淺地區(qū)，探地雷達(dá)探測(cè)深度十分受限，應(yīng)綜合考慮其他物探方法，增加探測(cè)深度，多種方法綜合探測(cè)。

（3）城市道路探測(cè)中，地下管線(xiàn)、路燈桿、交通標(biāo)志標(biāo)牌等市政實(shí)施會(huì)成為探測(cè)的干擾因素，應(yīng)充分識(shí)別此類(lèi)異常的雷達(dá)圖像特征，數(shù)據(jù)解譯時(shí)予以避免。