探地雷達法在道路空洞檢測中的應用探究

張大海,周碩

摘 要：當前，我國市政道路空洞事故多發頻發，居民生活受到影響，人民財產及生命安全受到損失。而探地雷達法作為一種用于地質勘探的檢測技術，其在檢測過程中不需要破壞地質表層結構，便可快速準確的判斷出地球淺層結構的土質環境，因此已經逐漸發展為一種偵測道路病害的有效測量手段。為此，本文首先對探地雷達法的技術原理展開了分析，進而討論其在城市道路空洞檢測中的應用方法以及數據處理技術，以期為城市道路空洞等病害檢測評估提供技術支持。

關鍵詞：探地雷達;道路檢測;道路空洞;技術支持

0 引言

當前，市政基礎設施承載能力與我國城市高速發展存在不平衡。表現較為突出的是，在地下水文環境、高強度荷載、管線滲漏以及相關自然因素的共同作用下，全國城市道路空洞災害進入集中爆發的高峰期。據統計，2018-2020年，我國城市道路空洞累計造成30人死亡，26人受傷;2020年僅媒體報道的道路空洞事故達260余起;較比2019年106起道路空洞事故增長127%，道路空洞災害事故造成越來越嚴重的生命財產損失和社會影響。全國各省市對城市地下病害隱患排查有著迫切需求。

1 探地雷達技術的應用原理

探地雷達法又稱為GPR（Ground-Penetrating-Radar）地質雷達法，一種采用窄脈沖寬帶高頻電磁波信號檢測地下介質分布的方法。該方法通過天線連續拖動的方式向地下發射高頻電磁波，電磁波信號在物體內部傳播時遇到存在電性差異（介電常數）的介質界面時，就會反射、透射和折射。反射的電磁波被與發射天線同步移動的接收天線接收后，通過雷達主機精確記錄反射回的電磁波的運動特征，獲得地下介質的斷面掃描圖像，通過對掃描圖像進行處理和圖像解譯，達到識別地下目標物的目的。探地雷達由發射天線（T）發出寬頻帶短脈沖電磁波，其主頻為數十兆赫至數千兆赫波段，經地下電性不均勻體反射后，由接收天線（R）接收反射信號，所得記錄為時間域脈沖信號。

在具體應用過程中，可以參照下列公式來對其進行應用，即： t=

該公式代表著探地雷達在工作過程中發出的電磁波信號往返用時，其中v代表電磁波的傳播速度，z為探測目標地點的地下深度，x則是發射天線傳出信號到達底下目標地點之后，再返回接受天線所經過的全程總長。通過采集電磁波信號往返用時的幅度變化、相位差、頻率差等關鍵數據，即可通過具體的幾何圖像來分析地下結構的詳細情況[1]。

2 探地雷達法在道路空洞檢測的具體應用

在實際應用過程中，可以采用“普查—詳查—鉆探勘驗”的方法實現道路空洞的精準檢測。

2.1 普查階段

所謂“普查”，即指大范圍勘探路面地下詳情，從而確定信號異常區域，以此縮小道路病害查探范圍。由于此過程是面向道路的全斷面進行勘測，因此為了提高工作效率需要首先按1.5 m～2.0 m的斷面間距來對檢測路段進行測線標記，然后又采用車載雷達同時對多線展開地質勘測。這樣做的優勢在于能夠最大限度提高工作效率，減少道路普查對交通流量所帶來的影響。同時為了提高測量結果的準確性，工作人員需要保證每條車道至少使者兩條測線，此標準在遇到加寬路面情況時，可適當進行增加調整[2]。

在針對一些道路空洞高發區域（如地鐵施工、管線密集路段）進行探測時，還可以采用布設測點的方式來進行局域網格探測。具體操作流程是在目標測區布置3到5個以上的測點，并保證測點橫向、縱向為銜接，形成相互垂直的多道測線，測線間距仍以相鄰斷面之間1.5 m～2.0 m的間距為基準，從而對目標區域進行加密探查。如所測區域為交叉或彎道路孔，也可通過多個測點之間大角度相連，以大于該區域斷面1.0 m～2.0 m的范圍進行測量。

2.2 詳查階段

經過初步普查之后，此時工作人員往往已經能夠確定目標路段存在屬于數據異常的大致區域，此時即可有效縮小檢測范圍，采RTK（載波相位差分技術，即Real-time kinematic）來確定道路空洞位置的準確坐標。如圖2所示。

與普查階段追求效率不同，詳查階段主要考慮的是準確性。因此在這一勘探期間工作人員主要是采用手推式雷達探測儀器來對目標區域進行檢查，并且為了采集更為具體的病害體詳細信息，工作人員需要通過采用局域網格探測法，并將探測點的分隔間距縮小到一米范圍之內，以此進行更為細致的探測。同時為了避免普查階段出現疏漏，工作人員還需要結合道路周邊環境的實際情況，對一些正在進行道路施工、存在塌陷歷史以及地下構置物與管線密集的敏感區域進行二次復查，以確保能夠對目標路段實施全范圍覆蓋檢測[3]。

需要注意的時勘測過程中，地下各類排水管線會對探查結果產生一定的誤導與干擾作用，因此需要工作人員分別采用400 MHz、200 MHz、100 MHz的電磁波對道路地下結構進行由淺至深的探測，并輔助QV排查法以及環境調查法的方式來保證測量結果的準確性。

2.3 鉆探勘驗階段

通過詳查幾乎已經可以確定道路空洞病害的存在情況，但是為了去除不穩定因素，同時進一步判斷空洞病害的輕重程度以及成因，尚需采用鉆探勘驗的方式進一步確認。

此工序中，探點通常設置在地下數據信號反應最為強烈的位置，實際鉆孔之前，需要反復確認地下管線的分布情況，以此確定鉆孔的掘進方向。同時鉆孔范圍不宜過大，僅需要能夠保證工業內窺鏡順利通過即可，再次過程中工作人員可以根據鉆孔附近的巖芯與水位情況來判斷地下土層的空洞情況，最后在使用攝像機進行具體確認。

鉆探勘驗的主要目的一是為了再次確認地下漏洞病害的存在情況;二則是通過這種手段提前分析病害問題的具體成因，以便于工作人員可以根據實際情況來采用不同的治理手段，盡最大限度減少掘開路面對城市交通所造成的影響。一般來說說采用水鉆配釬探的方式，即可大致確定道路地下形成空洞的原因，例如鉆探過程中，鉆頭的轉速逐漸升高，并且傳動桿上傳來的異物觸擊頻率明顯減少，此時即可判斷地下空洞的成因多為土體疏松所致，此時工作人員則需要考慮對其進行換基填筑或是灌漿修復處理;如鉆探過程中，鉆孔周圍的巖芯形態開始變得粘稠，并且突然出現掉鉆或鉆孔水位升高的現象，那么說明目標區域的地下土層含水量異常，工作人員需要考慮是由于管線泄漏所致還是出現了季節性的地下水位變化，從而制定出針對性的防治處理措施[4]。

3 數據處理與分析技術

3.1 探地雷達信息處理

探地雷達在工作過程中，常常會受到來自各方面的信息干擾，因此需要對其采集的原始數據進行加工處理之后才能夠從中獲取有效信息。通常來說，對探地雷達所采集信息進行處理的主要方式包括有：空間濾波、增益調整、點平均、刪除無用道、地形校正、水平比例歸一化、反褶積、頻率濾波、偏移歸位、f-K傾角濾波等幾種受段，經過以上處理之后，工作人員即可根據圖像或數據顯示信息，來讀目標區域的破壞成因進行判斷。

3.2 數據分析判斷

數據分析是在整合了普查與現場詳查的數據信息之后，對探地雷達顯示圖像的一種分析與特征識別。通常來說，電磁波在穿過不同介質時所產生的傳播時間以及傳播特性均會呈現出明顯的差異性，因而這種差異會導致雷達接收天線所采集到的數據信號呈現出異常轉臺，反饋到圖像上即表示為相位、波組形態、頻譜結構和振幅的變化，通過觀察這種變化，工作人員即可做出地球物理特征分析，從而描述出具體的地下病害類型。這種變化使用公式表示可以呈現為：

R=

式中，與是電磁波穿越不同介質時所產生的相對介電常數，而R則是代表電磁波的反射系數。通過該公式可以分析，電磁波在穿越不同物質界面時會導致其反射系數出現變化，特別是兩種物質的相對階段常數差異越大，那么電磁波的反射情況便會越是明顯，并將這種情況呈現與幾何圖像之中，給予工作人員最為直觀的提示[5]。

4 結語

綜上所述，道路脫空與空洞病害的本質相同，都是由于土質結構的改變導致地下受力平衡狀態被打破，從而使得泥土出現位移現象。由于這種病害的發生情況并不明顯，因此給工作人員的工作開展帶來了很大的困難。但是靈活使用探地雷達技術不僅能夠有效探測出這一病害，同時還能夠幫助工作人員對病害成因做出進一步分析，因此有效提高人工工作效率。

參考文獻：

[1]許澤善，簡世凱，覃譚，等.探地雷達在道路脫空空洞病害檢測中的應用[J].工程地球物理學報，2019，16（1）：116-125.

[2]張華，鄭彬彬，李苗鑫，等.無損檢測技術在道路工程隱性病害中的研究進展[J].黑龍江交通科技，2019，42（6）：37-39+41.

[3]郭士禮，段建先，許磊.GPS在探地雷達探測城市道路空洞隱患中的應用研究[J].地球物理學進展，2020，35（3）：1135-1140.

[4]李世念，王秀榮，林恬，等.基于GprMax的道路空洞三維探地雷達正演數值模擬[J].中國地質災害與防治學報，2020，31（3）：132-138.

[5]劉海磊，張云康，周煒，等.PHALANX病害掃描系統及其在城市基坑周邊市政道路病害體分析評估中的應用[J].中國科技成果，2020，21（23）：46-50.