基于雙頻天線探地雷達技術的地下病害探測研究

黃小林 HUANG Xiao-lin

（湖南聯智科技股份有限公司，長沙 410200）

0 引言

隨著城市地下空間的不斷發展，城市路面塌陷事故頻發，路基工程與道路工程安全已構成城市公共安全的重大問題。路基病害隱患主要是由隱蔽性道路路基病害體不斷發育引起，包括空洞、脫空、疏松和富水體等[1，2]。目前，地球物理方法是進行城市地下空間探測、開展地下地質結構調查以及病害隱患排查不可或缺的手段。與常規勘探相比，城市中存在交通繁忙、環境、電磁場干擾嚴重、對淺層勘探精度和探測效率要求高以及靈活度要求高等特點，需滿足抗干擾能力強、高適應性、高效作業等要求。因此，在儀器設備選型、數據采集和處理方面有更高要求，需進一步改進完善傳統方法技術，以適應城市勘探需求，提高抗干擾能力和實際探測效果。

探地雷達方法具有抗干擾能力強、淺層分辨率高、高效率和實時成像等優點，在城市道路路基病害檢測和隧道襯砌病害檢測等領域應用廣泛[3-7]。現階段，國內外探地雷達設備在不斷地更新換代，常規單頻天線探地雷達設備在市場上仍起著主導作用，對雙頻天線探地雷達新技術的應用研究較少。曾雄鷹等[8]、劉之平等[9]和Proskin 等[10]提出了雙頻天線雷達系統，并證明了雙頻天線探地雷達技術在城市地下空間探測的可行性和先進性，但在實例應用效果分析和驗證方面還存在不足。因此，本文試圖總結梳理近年來應用雙頻天線探地雷達技術探測城市道路地下病害隱患取得的工作成果，結合大量的高、低頻數據剖面進行對比綜合分析，概括雙頻天線的優勢所在，并簡明闡述了城市地下空間探測的發展趨勢，為城市地下空間探測工作提供一定的參考借鑒。

1 雙頻探地雷達技術

1.1 基本原理

探地雷達是利用高頻電磁波探測目標體的一種地球物理勘探方法，其工作原理是發射天線向地下發射電磁波信號，在電磁波向前方傳播的過程中，當遇到介電參數差異的目標體時，電磁波發生反射，由接收天線接收并記錄，再根據接收的雷達波形、電磁場強度、振幅、頻譜特等參數推斷地下情況。

探地雷達檢測原理如圖1 所示，圖中h 為異常體或界面的深度，x 為兩天線之間的距離，其中電磁波在介質中的傳播速度V 可由近似計算，其中C 為電磁波在真空中的傳播速度，εr為介質的相對介電常數，相對介電常數εr通過查參考規范值得出。根據電磁波在介質中傳播的雙程走時t 可得出目標體埋深h，由公式表示為：

圖1 探地雷達檢測原理

在實際檢測開始前，也可通過現場埋設標準物體進行測距標定得出相應的波速V。

1.2 系統設計

使用傳統單頻探地雷達進行探測時，分辨率和探測深度是相矛盾的，即頻率低的天線深度較大，但分辨率不夠，探測準確性稍差；而頻率高的天線可得到較好的分辨率，但探測深度又不理想。所以，在進行實際探測時，選擇單一中心頻率的天線在滿足探測深度要求后需要舍棄一部分探測分辨率的性能指標，且需要重復更換高、低頻發射天線來達到不同深度，工作效率較低。據此，研究使用設計為雙主頻超寬帶的時域發射采集技術，設置的中心頻率分別為160MHz 和670MHz，雙頻天線探地雷達并行采集，一次行進即可得到同點位的高頻和低頻數據剖面，兼顧了探測深度和探測精度。重要的是，一方面針對雙頻天線采集系統開發了配套的基于實時采樣高動態增益技術，提高深部數據的信噪比，可并行實現淺部和深部地下目標體的大深度精細化探測；另一方面采用較為先進的優良屏蔽材料，最大程度上減小天線之間的信號干擾。

1.3 數據采集

應用雙頻天線探地雷達進行地下病害檢測探測，天線中心頻率分別為160MHz 和670MHz 屏蔽天線，雙頻天線檢測系統如圖2 所示。具體采集參數設置如下：高頻670MHz 天線采樣頻率為5120Hz，時間窗長度為60ns，采集道間距設置為0.02m，有效探測深度約3m；低頻160MHz 天線采樣頻率為2240Hz，時間窗長度為200ns，采集道間距設置為0.02m，有效探測深度約10m。雙頻天線裝置在四輪推車上（見圖2），通過推動小車觸發采集成像，最終以雷達剖面圖像形式實時采集顯示。

圖2 雙頻天線探地雷達檢測系統

2 地下病害體探地雷達圖譜特征

要準確地判斷探地雷達數據可能存在的病害異常，需對各種病害的雷達圖像特征進行明確，包括空洞、脫空、疏松、富水體等病害體的探地雷達圖譜上的波組形態、振幅、相位和頻率特征。本文依托GprMax 軟件平臺，采用時域有限差分方法（FDTD）進行常見的地下病害正演模擬分析，其中，常見的地下病害正演模擬特征圖譜如圖3 所示。根據正演模擬特征圖譜歸納總結四種常見的地下病害體的探地雷達特征如表1 所示。

表1 地下病害體探地雷達圖譜特征

圖3 常見的地下病害正演模擬特征圖譜

3 工程應用實例

3.1 地下病害1

該異常位于長沙市望城區梅園路，距離其西北方向約2m 位置處可見一雨水井。由探地雷達成果剖面（見圖4）可以得出：雨水井與路邊的雨水篦有橫穿的連通管道，高頻、低頻數據雷達剖面均顯示該管道埋深約0.80m；異常區頂部高頻、低頻數據雷達圖譜反射信號能量強，相對于周圍土體為一孤立的強反射體，由高頻天線剖面（見圖4（a））可見頂部強反射界面埋深約0.75m，內部波形較為雜亂，多次反射波比較發育，邊界及側壁出現了明顯的繞射波，整個強反射體為一個似“背斜”形狀；由低頻天線剖面（見圖4（b））可見頂部強反射界面0.6～0.9m，多次反射波比較發育，邊界及側壁繞射波不明顯，整個強反射體為一似平板形狀。根據以上雷達剖面特征判斷該異常為空洞，且經鉆探驗證確定該空洞范圍為4.7m（東西方向）×2.5m（南北方向），頂部埋深0.79m，凈深0.60m（見圖5）。

圖4 空洞實測數據二維雷達影像圖

圖5 空洞病害隱患體鉆探驗證照片

3.2 地下病害2

該異常位于長沙市望城區旺旺路。由探地雷達成果剖面（見圖6）可以得出：從高頻、低頻數據雷達剖面均顯示表層下有鋼筋分布，高頻剖面可以清晰分辨鋼筋的埋深和分布情況，低頻天線可以判斷表層以下有鋼筋分布，但其埋深和分布情況很難進行準確判讀；異常區頂部高頻、低頻數據雷達圖譜反射信號能量均明顯增強，相對于周圍土體為一孤立的強反射體，由高頻天線剖面（見圖6（a））頂部強反射界面埋深約0.70m，多次反射波較發育，側壁出現了明顯的繞射波，整個強反射體為一個似“背斜”形狀；由低頻天線剖面（見圖6（b））頂部強反射界面0.5～0.8m，多次反射波發育，側壁繞射波較明顯，整個強反射體為“背斜”形狀。根據雷達剖面特征判斷該異常為空洞，且經鉆探驗證該空洞范圍為3.1m（東西方向）×1.5m（南北方向），頂部埋深0.65m，凈深0.50m（見圖7）。

圖6 空洞實測數據二維雷達影像圖

3.3 地下病害3

該異常位于長沙市望城區梅園路，其在電力井旁。由探地雷達成果剖面（見圖8）可以得出：異常區頂部高頻、低頻數據雷達圖譜反射信號能量均明顯增強，相對于周圍土體為一孤立的強反射體，由高頻天線剖面（見圖8（a））可見頂部強反射界面埋深約0.60m，雙曲線反射波特征，側壁附近出現了微弱的繞射波，整個強反射體為一個“雙曲線”形狀，由單一高頻推測可能為管線或者脫空病害；由低頻天線剖面（見圖8（b））可見頂部強反射界面0.5～0.7m，多次反射波比較發育，側壁附近繞射波不明顯，整個強反射體為似平板形狀，由單一低頻推測為脫空病害。根據雷達剖面特征并經實地復測初步判斷該異常為脫空，經過開挖揭露驗證確定該異常為脫空病害，脫空范圍2.1m（東西方向）×5.0m（南北方向），頂部埋深0.59m，凈深0.22m。

圖8 脫空實測數據二維雷達影像圖

4 結論

①在正演模擬圖譜上可以清晰地得出空洞、脫空、疏松和富水病害等的振幅、相位、能量及波組特征，數值模擬得到的圖譜特征為實測數據解譯提供了理論基礎，提高了現場解譯的效率和準確度。

②雙頻天線探地雷達的高頻天線在識別3m 以內的病害和管線等地下目標體分辨率較高，在確認病害體邊界位置和頂部埋深準確度可達90%以上；低頻天線探測深度可達10m 以淺，可以補充高頻天線探測深度的不足，但損失了部分分辨率，得到的地下目標體圖譜特征存在一定的畸變，但整體大的異常特征清晰顯著。因此，雙頻天線并行采集可兼顧探測深度和探測精度，對道路地下病害體賦存情況進行全方位“體檢”，可促進道路塌陷向高精度、大深度方向發展。

③雙頻天線探測得到的高、低頻剖面可進行相互參照對比分析，有利于成果的解譯工作，一方面高頻天線探測做到表層不厭其精，低頻天線探測深部抓大放小，相互補充，突出優勢；另一方面雙頻天線并行采集在某種意義上相當于在同一位置進行了2 次探測，提高了探測效率和可靠性。雙頻天線探地雷達具備便捷高效、高精度和大深度探測優勢，是目前城市地下空間探測發展趨勢。