探地雷達在城市道路地下病害探測中的應用

韓 凱

（中交公路規劃設計院有限公司， 北京 100088）

0 引言

隨著我國對城市地下空間的大力開發，城市路面塌陷事故在一些城市呈高發趨勢，由城市地鐵施工引起的路面塌陷事故數見不鮮。路面塌陷具有突發性、隱伏性及多因性等特點[1]。路面塌陷會造成交通中斷、地表建筑坍塌以及危及過往行人、車輛的安全等危害，給人們的生產生活造成嚴重的損失。因此采用適當的手段對對地鐵施工區域上方路面進行地下病害探測顯得尤為重要，根據探測結果對探測到的病害及時處治，可保障地鐵施工的安全，消除路面塌陷的隱患，對城市道路的正常運營具有重要意義。

對城市道路地下病害探測的方法有很多，常用的方法探地雷達法，高密度電阻率法、地震映像法及瞬變電磁法等[2]。城市道路地下空洞的探測具有探測環境復雜，干擾因素多且要求高效率、短工期，探地雷達技術具有高精度、高效率低投入的特點，基于此本文針對青島市地鐵某在建工程項目，為避免地下空洞、疏松體等地下病害對地鐵施工及周圍環境產生不利影響，采用探地雷達法對地鐵施工區域上方進行探測，查明地下病害體的位置及深度，為后續地下病害處治及地鐵施工提供安全保障。

1 探地雷達法原理

探地雷達技術是一種利用高頻電磁波探測地下介質分布的無損檢測手段，它通過剖面掃描的方式獲得地下斷面的掃描圖像。探地雷達通過在地面上移動的發射天線向地下發射高頻電磁波，在地下旅行的電磁波遇到不同的電性界面時，就會發生反射、透射和折射。電介質間的電性差異越大，反射回的電磁波能量也越大。反射到地面的電磁波被與發射天線同步移動的接收天線接收后，通過雷達主機精確地記錄下反射回的電磁波到達的時間、相位、振幅、波長等特征，再通過信號疊加放大、濾波降噪、圖像合成等數據加工處理手段，形成地下斷面的掃描圖像。通過對雷達圖像的判讀，便可得到地下目標物的分布位置和狀態。

2 應用實例

2.1 工程概況

青島市地鐵在建線路某區間地處市區繁華路段。地勘資料顯示擬建場地屬于侵蝕堆積緩坡、剝蝕斜坡及濱海淺灘地貌單元，地形自北向南緩傾，覆蓋層以第四系填土、中砂層及粉質黏土為主，其下伏基巖為燕山晚期粗?；◢弾r，穿插細?；◢弾r及煌斑巖，局部受構造影響，各地層的力學性質變化較大。地勘資料顯示，工程范圍內地下水位埋深2.40～5.10m。

2.2 采集參數

根據本次工程的特點及任務要求，結合相關地勘資料成果分析島本次探測采用美國勞雷公司生產的SIR-30E 型探地雷達，配套100MHz 屏蔽式天線探測指定區域5m 范圍內的地下空洞、疏松體及富水體等地下病害的位置及埋深。

正式探測前，依據已有管線、地勘等資料選取試驗場地，根據試驗結果確定儀器性能及采集參數。

探地雷達測線方向沿地鐵走向布置，以地鐵施工中心線為中線向兩側探測范圍內延伸，測線間距為2m，局部區域測線加密為1m 呈網格化布置，且保證每條行車道至少有一條測線。

現場采集方式為時間模式及距離模式，每10m 現場做1 處標記，通過打標的方式校準里程樁號。

2.3 資料解譯

探地雷達法資料解釋是根據獲得的雷達數據剖面上同相軸的變化規律，雷達波的波形、振幅和相位等特征，結合現場環境及相關地質資料，來推測地下空洞、疏松體等地下病害體的過程。要獲得準確的探測成果，需對各種病害的雷達圖像特征及干擾特征進行明確。不同病害的地球物理特征詳見表1。

表1 不同地下病害體的探地雷達特征

道路下方的空洞內部多為空氣，因此電磁波從土體進入空洞內部，反射系數為正，空洞頂板與入射波相位相同，反射振幅強，且多次波發育，有時在空洞兩側可見繞射波發育。

疏松體是土和空氣的混合體，由于空氣的介電常數為1，因此其相對介電常數要小于周圍土體的介電常數，當電磁波從密實土體進入疏松土體是其反射系數為正，會出現入射波與反射波相位相同的現象，土體不均勻程度會導致振幅強弱、同相軸的不連續及波形的雜亂程度的差異。

在城市中探測時，需排除不同類型的信號干擾，井蓋、路燈桿及防護欄等會在雷達圖像上反映，這就要求我們在雷達圖像解譯時將這些異常與目標異常區分開來，典型干擾源雷達圖像實例如下。

圖1 地表監測點雷達圖像

在城市地鐵施工中，常在道路上設置若干地面沉降監測點，監測點一般為現場鉆孔后埋設，雷達圖像上表現為曲率較大的尖的雙曲線。

圖2 中央防護欄干擾雷達圖像

在城市道路中間有時會設置隔離防護欄，防護欄一般為鐵質金屬且以固定間隔設置，目前的探地雷達雖然大多使用屏蔽式天線，但是往往天線的屏蔽程度不夠，因此雷達剖面也會將此目標信號記錄，表現在雷達圖像上為有規律的雙曲線形態，且雙曲線下方存在多次反射現象。

2.4 探測成果

根據雷達探測結果及相關資料分析，探測區域內共發現2 處由土體疏松引起的異常體。

圖3 1 號異常體雷達圖像

1 號異常體見圖3 中黑色虛框內所示，在水平標尺10-25m，深度約1.5m～2.5m范圍內，雷達圖像表現為同向軸嚴重錯斷，波形雜亂，無規律，結合相關地勘資料及現場情況，此區域推測為土體嚴重疏松區域，局部存在空洞。

圖4 2 號異常體雷達圖像

2 號異常體雷達圖像見圖4 黑色虛框內所示，在水平標尺6～13m，深度約1～2.5m 范圍內，同相軸缺失，反射能量弱，在水平刻度9～10m 范圍內存在一井蓋，結合現場實際情況，推測該區域為管線周圍沖刷導致的土體疏松。

3 結束語

（1）本文介紹了利用探地雷達技術對地下病害探測的應用，針對青島市地鐵某線路建設工程項目，利用探地雷達技術對某區間地下病害情況進行探測，結果表明，部分路段存在土體疏松病害，根據探測結果提供的異常體的位置及范圍，采取相對應的處治措施，可為地鐵安全施工提供保障。

（2）在地下水位較淺地區，探地雷達探測深度十分受限，應綜合考慮其他物探方法，增加探測深度，多種方法綜合探測。

（3）城市道路探測中，地下管線、路燈桿、交通標志標牌等市政實施會成為探測的干擾因素，應充分識別此類異常的雷達圖像特征，數據解譯時予以避免。