基于探地雷達(dá)的城市道路檢測

程 甄

(安徽理工大學(xué) 地球與環(huán)境學(xué)院，安徽 淮南 232001)

1 引言

截至2019年第4季度，全國36個主要城市道路網(wǎng)總體平均密度為6.1 km/km2[1]。因為城市道路的大量鋪設(shè)也產(chǎn)生了一個更大的難題，就是對城市道路的養(yǎng)護(hù)和治理。城市道路由于施工工藝、使用材料、車輛碾壓，季節(jié)變化等原因，會出現(xiàn)各種病害，小的會影響居民的日常出行，嚴(yán)重的還會對居民的生命安全造成威脅。道路表面出現(xiàn)的各種病害如：拱起、掉角、錯臺、唧泥、裂縫等都能輕易看出，道路維修人員能及時修復(fù)。一些出現(xiàn)在道路內(nèi)部的病害如：脫空、空洞、不密實等[2,3]難以發(fā)現(xiàn)，不能及時修復(fù)，久而久之就容易發(fā)生事故。

城市道路檢測方法有很多如：人工地震法[4]、鉆芯取樣法、落錘式彎沉儀檢測法[5]等。不過這些檢測方法不僅成本高、效率低，還會對道路產(chǎn)生破壞，降低道路的使用年限。近年來出現(xiàn)的探地雷達(dá)法是通過向地下反射電磁波接收其反射回來的信號來推斷地下結(jié)構(gòu)和構(gòu)造。這種方法相對傳統(tǒng)方法效率高、成本低，而且還有精度高、結(jié)果直觀等優(yōu)點(diǎn)，最重要的是不會對道路產(chǎn)生破壞。

本文便是采用探地雷達(dá)法對合肥某地鐵施工區(qū)上方道路進(jìn)行檢測，查明地下病害的位置和類型，為道路治理提供信息以及保障地鐵施工的安全推進(jìn)。

2 探地雷達(dá)原理

探地雷達(dá)是通過向地下所勘探的目標(biāo)發(fā)射高頻脈沖電磁來探測目標(biāo)體的電磁波方法。電磁波在介質(zhì)中傳播時，其路徑、電磁場強(qiáng)度、波形都會因介質(zhì)的電性性質(zhì)及幾何形態(tài)發(fā)生變化。因此，根據(jù)接收到的地下介質(zhì)界面的反射波的旅行時間、幅度與波形資料可以推斷出介質(zhì)的結(jié)構(gòu)。探地雷達(dá)是研究電磁波在地下介質(zhì)中傳播規(guī)律的一種應(yīng)用，電磁波的傳播特征是探地雷達(dá)的理論基礎(chǔ)[6,7]。

2.1 探地雷達(dá)的基本理論

麥克斯韋電磁理論表明了磁場的變化產(chǎn)生電場，而磁場的變化又伴隨有電場的變化。電場和磁場隨時間的變化可向周圍空間擴(kuò)散，形成電磁場由近向遠(yuǎn)傳遞，電磁場的變化符合波動理論。探地雷達(dá)是利用高頻電磁波進(jìn)行測量，而電磁波在介質(zhì)中的傳播規(guī)律遵循麥克斯韋方程組：

(1)

(2)

▽·B=0

(3)

▽·D=ρ

(4)

式(1)～(4)中：E為電場強(qiáng)度矢量(V/m);H為磁場強(qiáng)度矢量(A/m);D為電位移矢量(C/m2);B為磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量(T);J為電流密度矢量(A/m2);ρ為電荷密度(C/m2)。

2.2 雷達(dá)的工作原理

電磁波的傳播取決于介質(zhì)的電性，介質(zhì)的電性主要有電導(dǎo)率μ和介電常數(shù)ε，前者主要影響電磁波的穿透(探測)深度，在電導(dǎo)率適中的情況下，后者決定電磁波在該物體中的傳播速度，因此，所謂電性介面也就是電磁波傳播的速度介面。不同的地質(zhì)體(物體)具有不同的電性，因此，在不同電性的地質(zhì)體的分界面上，都會產(chǎn)生回波。基本目標(biāo)體探測原理如圖1所示。

圖1 探地雷達(dá)工作原理

由公式 ：

(5)

雷達(dá)根據(jù)測得的雷達(dá)波走時，自動求出反射物的深度z和范圍。

3 工程實例

3.1 準(zhǔn)備工作

本次作業(yè)在凌晨開始，此時車輛較少，并在作業(yè)開始和結(jié)束位置放置警示牌。檢測工作使用的是瑞典MALA地球科學(xué)公司制造的探地雷達(dá)，根據(jù)本次項目的要求，使用的是中心頻率為100MHz屏蔽式天線，探測地下3～10 m空間地下病害的位置及深度。采集參數(shù)設(shè)置為：采樣頻率為1270MHz；天線距離為0.5 m；時窗為1612；堆疊次數(shù)為8；測距方法為輪距測量。

本次作業(yè)測線沿道路方向布置，共4條測線，左右各兩條，兩邊的測線間距為2 m。兩邊測線位置提前使用噴漆進(jìn)行標(biāo)記，標(biāo)記間隔為20 m。

3.2 數(shù)據(jù)處理

探地雷達(dá)探測的數(shù)據(jù)以脈沖反射波的形式記錄，顯示為時距剖面圖。探地雷達(dá)數(shù)據(jù)的解釋分為兩部分：數(shù)據(jù)處理和圖像解釋。探地雷達(dá)在探測時發(fā)射的電磁波因為受到地下介質(zhì)的吸收以及介質(zhì)的電性差異使接收到的反射波會出現(xiàn)較大變化，并且探測過程中還會受到周圍環(huán)境的干擾。所以需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚恚瑸閳D像解釋提供依據(jù)。

圖像處理包括消除隨機(jī)噪聲、壓制干擾，改善背景；進(jìn)行自動時變增益或控制增益以補(bǔ)償介質(zhì)吸收和抑制雜波，進(jìn)行濾波處理除去高頻，突出目標(biāo)體，降低背景噪聲和余振影響。由于測線過長，在數(shù)據(jù)處理時將數(shù)據(jù)以100 m為1段進(jìn)行處理，共20段。

3.3 圖像解釋

本次探測所得數(shù)據(jù)顯示該路段主要病害為不密實，圖2、圖3為經(jīng)數(shù)據(jù)處理后的成果圖。

圖2 處理后的剖面圖(a)

上面兩圖中A和C兩處分別位于第11段的4～20 m深4 m處和第19段20～26 m深7 m處。這兩處的電磁波反射信號幅值較強(qiáng)，且同相軸不連續(xù)，錯斷，雜亂，經(jīng)判斷這兩處為不密實區(qū)。

圖中B和D兩處異常為井蓋，這兩處在探測過程中已經(jīng)在數(shù)據(jù)中打上標(biāo)記。

圖3 處理后的剖面圖(b)

4 結(jié)論

(1)探地雷達(dá)的數(shù)據(jù)會受到周圍環(huán)境的干擾，需要在探測過程中準(zhǔn)確記錄干擾源的位置和類型，在數(shù)據(jù)處理時能剔除干擾信號從而提取有效信息。

(2)使用探地雷達(dá)能精準(zhǔn)地確定道路中病害的位置，從而為施工人員能及時排除隱患，為地鐵的安全施工提供保障。