基于探地雷達的地下隱伏異常分析

皮 海 康

(深圳市水務工程檢測有限公司，廣東 深圳 518109)

1 概述

隨著我國經濟發展的空間結構發生改變，尤其在國家加快中心城市群和城市群建設的方針下，城市建設進一步加快。交通運輸也隨之持續增長，由此帶來道路的負荷快速增加，這對道路的安全運行提出了新的挑戰。為了緩解交通壓力，城市交通基礎設施興建速度加速推進，軌道交通和城市道路建設也進一步加快。城市道路面臨著交通荷載、復雜地質條件、雨水沖刷、人類工程活動的考驗，這些情況都可能引發道路變形，路面沉降等病害[1]，嚴重時甚至可能導致塌陷等情況的發生。探地雷達在道路災害的探測上，具有高精度、高效率、連續無損、實時成像和結果直觀等優點[2]，能及時發現地下隱伏異常體，進而有效防治災害的發生，成為道路無損探測的優選物探手段。本文以探地雷達基本原理為基礎，結合實際工程探測結果，分析了幾種常見地下異常體(管道、電纜線、介質疏松、介質富水、空洞等)的典型雷達特征。

2 探地雷達基本原理

探地雷達(Ground Penetrating Radar，簡稱GPR)向介質內發射超高頻(106Hz～109Hz)脈沖電磁波[3]，當遇到介電常數不同的地層和目標體時，電磁波在介質交界面發生反射現象，反射波被地面接收天線探測并接收，通過對接收信號的處理和分析，形成波的雙程走時與檢測平面的二維圖像，從而研究地下結構的物探方法[4]。其工作原理如圖1所示。

地下介質分界面反射上來的反射波攜帶大量有用信息，可以通過分析反射波幅值和頻率等特性來解讀。其探測效果主要取決于地下目標體與周圍介質的電性差異、電磁波的衰減程度、目標體的埋深以及外部干擾的強弱等。電磁波脈沖在地質界面上反射能量的大小取決于反射系數R。

(1)

其中，εr1,εr2分別為入射介質和反射介質的相對介電常數。

3 地下異常體的典型雷達特征分析

電磁波在傳播過程中易受到介質的大小、介電常數等差異的影響而發生改變。由式(1)可知反射系數與反射界面上下相對介電常數的相對關系有關，雷達圖上表現為反射波與直達波的正負峰值異常[5]。其中地下異常區域較多，選取五類典型雷達圖像進行異常特征分析。

3.1 管道

根據管道的用途，其材質、大小、埋藏深度的變化范圍呈現多樣性，反射波形特征也不盡相同。對于金屬管，因其介電常數往往高于周圍介質，故在其頂面電磁波極性發生反轉，由于金屬對電磁波的屏蔽作用，金屬管道下方往往發生多次反射。如圖2所示，左起依次為雷達連續掃描圖、管道中心電磁波衰減圖、堆積圖。由圖2可知：據地面約為0.9 m處出現一白—黑—白的弧形強反射，極性與入射波相反，兩葉延伸較長，曲率較大，下部具有多次反射。推測為一管徑較小的金屬管，后期施工開挖驗證了這一推測。

3.2 電纜線

圖3左起依次為雷達連續掃描圖、電纜線中心電磁波衰減圖、雷達波堆積圖。由于金屬導體的屏蔽作用，電磁波在交界面處發生全反射，以至于電磁波無法穿透電纜到達下部區域，且電纜線往往較細，其弧線較尖銳，兩葉延伸極長，呈“尖”字形，曲率較大，交界面極性與入射波相反，頂部向下為一連串的強反射信號。圖3左起依次為雷達連續掃描圖、電纜線中心電磁波衰減圖、雷達波堆積圖。由圖3可知：路面以下存在兩根電纜線，其中左側埋深較右側深，反射波在界面處發生極性反轉，下部伴隨一連串強反射，峰值極大，超過相對幅值峰值，推測為帶電電纜。

3.3 介質疏松

介質疏松的本質是局部孔隙率較大，空氣含量較高，局部為土和空氣的混合物。自然狀態下空氣的相對介電常數εr=1，疏松體的相對介電常數小于周圍介質。電磁波從相對介電常數大的介質傳入相對介電常數小的介質，為低阻抗到高阻抗的過程，極性不發生改變，與入射波同向。由于疏松界面不連續，反射波同相軸連續性較差；介質內部易發生衍射現象，無強烈的多次反射波；從振幅上看，由于疏松內部往往不均勻，介電常數常常經歷由大到小和由小到大的劇變，呈現正負峰值，反射波峰值正負交替，波形畸變。如圖4所示，為測區一典型介質疏松雷達圖像，圖4左起依次為雷達連續掃描圖、疏松中心電磁波衰減圖、雷達波堆積圖。

3.4 介質富水

介質富水是指介質內部含水量高于周圍介質。地下排水管道滲漏、縫隙滲水等是導致地下介質局部富水的主要原因。常見物質中，水的相對介電常數最大εr=80，因此富水部位與周圍介質存在明顯的電性差異。電磁波在富水界面發生強振幅發射反射，穿透富水介質時伴隨一定規律的多次反射，由于水對電磁波的吸收作用，電磁波在富水介質內部產生繞射、散射現象，迅速由高頻向低頻變化，電磁波能量快速衰減，由于含水界面相對連續，反射波同相軸連續性較好，雷達圖像呈現白—黑分布；從介質到富水介質為高阻抗到低阻抗的過程，因而其極性發生改變，與入射波相位相反。如圖5所示，為測區一典型介質富水雷達圖像，圖5左起依次為雷達連續掃描圖、富水部位中心電磁波衰減圖、雷達波堆積圖。后期開挖驗證了雷達探測結果。

3.5 脫空和空洞

由于介質內部充填空氣，在地基中易形成充氣空洞，而結構層中則易形成脫空，均為典型路下隱伏異常。自然狀態下空氣的相對介電常數εr=1，小于路基相對介電常數且差異較大。電磁波傳播到空洞上界面時，在介質交界面發生較強的強振幅反射，極性不發生改變，與入射波同向，呈現較明顯的弧形反射。路下脫空或空洞橫向跨度一般較小，電磁波在空洞上界面發生透射從而進入空洞內部，在空洞內部界面發生多次反射，反射信號互相干擾，能量分散。如圖6所示，為測區一典型空洞雷達圖像，圖6左起依次為雷達連續掃描圖、脫空部位中心電磁波衰減圖、雷達波堆積圖。

4 結語

城市地下介質條件復雜，影響電磁波傳播規律的因素眾多，且電磁波易受到周圍環境干擾，對探測資料的精確解譯帶來困難。本文在分析探地雷達基本原理的基礎上，收集探地雷達地質探測資料，總結地下異常體的典型探地雷達特征，結果表明：探地雷達法在地下管道、電纜線、介質疏松、介質富水、空洞、脫空等地下隱伏異常的探測上具有時效性快，可辨性好的優點，可為城市地質雷達探測資料的解譯提供借鑒。