泡面碗许泽善;简世凯;覃谭;唐发伟;曹建龙
【摘 要】探地雷达能够快速、高效、无损地进行地下目标探测,是浅层地球物理勘探的一种重要工具,已成为城市道路病害检测的首选技术手段,但由于地下目标所处环境较为复杂,且地下脱空、空洞呈现的形态差别大,形成原因各异,在实际探测中对地下脱空、空洞的识别较为困难,且缺少有效的探测方法,本文根据近两年兰州市市政道路塌陷实际情况,结合本地地质、地下设施及环境因素研究分析了本地地下病害的形成原因,并介绍了探地雷达在道路病害检测方面的方法技术及数据处理分析的经验和难题,且以实例阐述了该方法的应用成果. 【期刊名称】《工程地球物理学报》
【年(卷),期】2019(016)001
【总页数】10页(P116-125)
【关键词】探地雷达;道路病害检测;道路塌陷;数据处理分析
【作 者】许泽善;简世凯;覃谭;唐发伟;曹建龙
【作者单位】兰州市市政工程服务中心,甘肃兰州730000;中国石油大学(华东)地球科学与技术学院,山东青岛266580;卡尔斯鲁厄理工学院地球物理学院,德国卡尔斯鲁厄76049;四川省建业检验检测股份有限公司,四川成都610213;四川省建业检验检测股份有限公司,四川成都610213
【正文语种】中 文
【中图分类】P631.3
1 引 言
自2016年以来，兰州市城区道路多次发生塌陷事故，主要集中在地下有老管道的道路、有地下设施的道路、地铁施工附近，而且大多已塌陷且已探测发现病害埋深较浅，只有0.3～1 m。探地雷达具有高效、无损、分辨率高的特点[1,2]，且道路结构层、土基和下方潜伏的病害之间的介电常数差异大，因此该技术适合应用在道路病害检测[3]，但在实际应用过程中，探地雷达有效探测深度较浅，且市政道路地表干扰因素多，地下情况复杂多变，对
探测结果准确度影响较大。为提高探测准确度，笔者通过大量钻芯验证，已发现多处空洞、脱空病害，有效减少了道路塌陷事故。
2 地下病害形成原因
道路结构从上到下分为面层、基层和路基3层，兰州市市政道路面层厚度12 cm左右，基层厚20 cm左右，路基厚度变化较大[4]，结合对比兰州市已塌陷和已探测发现的脱空、空洞分析发现，大多埋深只有30 cm左右，位于水稳层(基层)下。这是由于路基及路基以下土体长期在自然、人为因素下遭到破坏，但又不能及时发现，慢慢向路表发展，同时在不断地扩大范围，当病害发展至基层下方时，由于基层不能将来自路面车辆的重力传送给路基，而基层又不能承载车辆的重力，导致路面发生塌陷。导致路基破坏的因素主要有以下原因：
1)地质原因：黄河自西南流向东北，横穿兰州市全境，兰州市地处黄河冲积而成的盆地，从地质环境分析，兰州地区土质多为自重湿陷性黄土，自重湿陷性黄土土质较为均匀、孔隙发育、耐蚀力小、结构疏松，在未受水浸湿时，一般强度较高、压缩性较小，但一旦浸水，土壤结构会迅速破坏，产生较大附属下沉，强度迅速降低，就会产生湿陷，形成地下
空洞甚至导致路面塌陷；
石灰投加
2)地下设施原因： 近年来，随着兰州市经济社会的发展，城市建设力度逐渐加大，大型建筑、城市地下设施建设、加之老管道的渗漏，均对地下水文地质和土体状况造成了较大改变，不稳定性增加，造成城市地下空间出现不同程度的空洞、脱空、不密实等病害的发生，而城市道路的病害发生反过来又作用于给水、排水、地下设施等，造成这些设施的破坏，两者的相互作用，致使地下安全事件时有发生；
3)地下水位频繁变化：由于大型基坑开挖或地下设施施工，地下水大量被人工抽走，地下水位快速下降，水流将饱和粉土中的细粒土带走，同时，含水介质失去地下水托浮力，在重力作用下下降，形成深层疏松或孔隙；
4)降水影响：近几年来受厄尔尼诺现象影响，兰州市区降雨量呈上升趋势，对城市道路下垫层亦产生较大的影响，导致近几年来道路下方陷空，不断造成道路开裂、下陷、乃至坍塌。
3 工作方法技术
3.1 探测方法
探地雷达通过发射天线发射高频电磁波以宽频带短脉冲形式送入地下，经存在电性差异的地下地层后返回地面由接收天线所接收，根据回波的振幅、波形和频率等运动学和动力学特征来分析推断地下目标体的结构和物性特征[5]。目前常用的探地雷达测量方法有反射方式的剖面法、共中心法和宽角法。共中心点法和宽角法主要用于求取探测介质的电磁波传播速度，一般道路探地雷达采用剖面法，发射天线(T)和接收天线(R)以固定间距沿测线同步移动进行数据采集[6]，此方法采集效率高。
3.2 探测步骤
一般城市道路宽度大，距离长，为提高效率和准确度，采用普测-详测-验证-恢复的探测模式，普测采用车载阵列式雷达大范围快速探测，为不违反交通规则，测线布置按车道行进方向，发现异常时采用人拉式或手推车式雷达小范围详测，测线按网格式布置，平行方向相邻两条测线相距一般为0.5 m，对于判定为脱空和空洞对道路安全威胁较大的异常进行钻芯验证，最后修复路基路面。
3.3 雷达天线选择
探地雷达的天线主频决定它的探测深度和分辨率。在选择天线时，首先且最主要的考虑因素就是探地雷达的探测深度，其由两部分控制，一是雷达系统的增益指数或动态范围，二是检测介质的电性质。探地雷达的分辨率可分为垂直分辨率和水平分辨率[7]，一般把四分之一波长作为垂直分辨率Δx,如式(1)所示：
(1)
式(1)中，Δx为垂直分辨率，单位m，λ为中心频率对应的电磁波在介质中的波长，单位m，c为电磁波在真空中的速度，3×108m/s，f为电磁波中心频率，单位Hz，ε为介质相对介电常数。
横向分辨率为第一菲涅尔带直径，与探测深度有直接关系。当目标体埋深为h，收发距离小于h时，第一菲涅尔带直径d可按式(2)计算：
(2)
式(2)中，h为目标体的深度，单位m。
应用于道路缺陷探测的雷达天线频率都在100 MHz到500 MHz之间。根据自身设备状况反复摸索实验，普测选用200 MHz和400 MHz车载式阵列天线，详测选用500 MHz人拉式地耦天线。(天线选择与本单位设备状况有关，同时根据大量现场检测，500 MHz频率完全适用道路检测，和200 MHz天线搭配更是互补。)
4 数据处理与解释
4.1 数据处理
目前，探地雷达的数据处理方法均移植于地震反射波的数据处理方法，在道路病害检测方面，一般只做预处理，数据处理步骤主要包括：①去直流偏移；②静校正；③增益；④去除振铃效应；⑤带通滤波；⑥背景去除。
4.2 图像解释
极压高温润滑脂探地雷达图像剖面是探地雷达资料解释的基础图件，只要地下介质中存在电性差异，就可以在雷达图像剖面中到相应的反射波与之对应，反射振幅与反射系数成正比[8]，且反射系数为正，反射波的相位不变，反射系数为负，则反射波的相位反向，反射系数为0，电磁户外防雷器
波直接穿透界面，不发生发射。反射系数可由交界面两种介质的相对介电常数计算获得，公式(3)[9]所示 ：预应力混凝土管桩
(3)
式(3)中，R为反射系数；ε1为上层介质相对介电常数；ε2为下层介质相对介电常数。
当道路中存在空洞病害时，电磁波从发射天线发射，由空气进入道路结构，再从道路结构进入空洞，由于在路面电磁波是从相对介电常数小的介质进入相对介电常数大的介质，反射系数为负，所以反射波与入射波相位相反，而电磁波波从路基进入空洞，是从相对介电常数大的介质进入相对介电常数小的介质，反射系数为正，故空洞顶部反射波与地面波零点振幅反向，而在空洞下底面又是从相对介电常数小的介质进入相对介电常数大的介质，反射系数为负，因而空洞底部反射波与地面波零点相位同向，并且空洞越大越明显，频率越高[10,11] 。雷达采集时所记录的时间是电磁波发射到接受的时差，即双程走时，计算病害的埋深、高度时，用速度和传播时间的乘以除以2，如式(4)、(5)所示[12,13]：
式(4)、表(5)中，H为病害高度，单位m，ΔT为时差，单位ns，ν为电磁波在介质中的传播速度，单位m/s，c为电磁波在空气中的传播速度，ε为介质相对介电常数。
探地雷达图像识别主要考虑以下两点：
1)由于雷达天线离地面距离小，地面波受初至波影响相位很难判断，一般空洞顶底相位变化与初至波相位做对比；
metal dome2)脱空、空洞底界面受天线分辨率和顶界面多次波影响很难确定，为更加准确地定性确定病害类型，可适当采用高频(≤600 MHz)天线；
市政道路由于车流量大，车速不稳定，对路面路基破坏严重，而且地下情况复杂，雷达检测图像整体比较杂乱，病害较多，从经济和交通因素综合考虑，要对发现的病害分级处理，预测短期内有塌陷可能的脱空、空洞应立刻验证处理，其他病害定期复测。目前数据解释主要根据图谱相位及多次波情况，能够定性判断和面积估算，也可以确定病害埋深，但很多情况很难判断病害垂直高度。
5 应用实例分析
5.1 实例一
2017年12月对兰州市某道路进行雷达检测，该路为东西方向主干道，采用200 MHz 8通道阵列式探地雷达。对检测数据处理后，从雷达图像可知 396 m、402 m、403.5 m处为3个铁井盖，分别为井1、井2、井3，在井3右侧406～410 m处异常疑似空洞,如图1所示，雷达图谱多次波明显，并有明显的顶界面，顶界面相位与初至波相位相反，且异常多次波与井盖多次波明显不连续，可以确定其不是井室。初步判断，该异常埋深约0.5 m，东西方向长约4 m，南北方向宽约1.5 m。通过测量数据及雷达图像中异常与井盖的相对位置，能够基本确定其位置。以下所有雷达剖面图中，横坐标为桩号距离，单位m，左侧纵坐标为时间深度，单位ns，右侧纵坐标为结构深度，单位m。
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