探地雷达在城市交通建设中的技术应用

2018-03-26吴海波张恩泽

西部探矿工程 2018年4期

秦镇，吴海波，张恩泽

（安徽理工大学地球与环境学院，安徽淮南232001）

随着我国城市化水平的不断提高，城市人口数量的快速上升的同时也导致交通压力的增大。轨道交通凭借其运量大、快速便捷、环保节能、占用城市地上空间少等优势得到了大力发展。但是，地下通道掘进施工过程中，隧道拱顶至路面范围内的空洞、地下管线回填不密实等会造成路面下方结构内的应力变化，进而引起路面沉降塌陷，这也严重威胁了轨道交通的安全。

当前应用于城市道路病害检测的地球物理探测手段较多，常用的探测手段主要有浅层地震波反射法、高密度电阻率法、瞬变电磁法、探地雷达等。不同的探测方法都有其优缺点。传统的技术手段在实际应用中往往工作量较大，不能够快速便捷地进行准确全面的解释，甚至在探测过程中会对工程造成破坏。凭借方便快捷、效率高、操作简单等优点，随着技术的不断进步探地雷达无损探测手段在道路建设过程中的应用越来越广泛。

探地雷达在城市道路建设中的应用时间距今较短，它的应用始于20世纪80年代后期[1]。当前，探地雷达在我国主要被应用于城市道路中管线的检测、隧道衬砌检测、堤坝质量安全检测等。葛双成等在浙江用探地雷达对大坝和海塘进行持续多年的监测，成功地检测出在堤脚出现的掏空现象[2]。汪文强等运用探地雷达对成都地铁2号线盾构施工滞后沉降进行了检测，以此来预防由于不密实带和空洞等引起的道路塌陷，取得了较好的经济效应[3]。熊昌盛等研究了探地雷达在铁路隧道衬砌中的应用，认为探地雷达可以快速可靠地判定衬砌厚度、衬砌背后空洞以及钢筋、初支钢架分布情况[4]。谢昭晖等研究了探地雷达在道路路基病害检测中的应用，分析了各类路基病害的雷达图像[5]。这些研究都证实了探地雷达对建筑工程中异常体检测的可行性和优越性。

本文在前人的研究基础上，结合某市城市轨道建设工程，用探地雷达采集大量数据进行滤波处理后来分辨道路下隐藏的不同病害，同时指出一些在探测过程中出现的干扰信号，对今后的工作有一定的借鉴意义。

1 探地雷达方法原理

1.1 探查地质地球物理条件

本文中数据的采集工作均在城市轨道交通上方公路路面上进行的。通常讲，城市道路结构由结构层分为铺设垫层、基层和面层组成，因各层使用的主要建筑材料不相同，介电常数即不同。道路中夹藏的软弱层、空洞、富水区等之间的介电常数也有很大的差异，这些共同为探地雷达检测手段提供了技术上的可行性。

1.2 探查方法原理

探地雷达是通过发射天线向地下发射高频电磁波，电磁波在地下传播时遇到电性性质不同的介质或临界面时会发生反射，这时通过接受天线接收反射回地面的电磁波。如图1所示，实际探测中通过左边的发射天线(Tx)处发射宽频带、短脉冲的电磁波向地下穿透，电磁波在传播的过程中遇到介电系数不同的地下目标物体介质时发生反射。右边的接受天线(Rx)接受返回波，与此同时，控制单元接受反射的信号在电脑中显示相应的雷达波图像。

图1 探地雷达工作原理图

1.3 主要计算公式

（1）电磁脉冲波旅行时间：

式中：z——勘查目标介质体的埋深；

x——发射、接收天线的距离（式中因z＞x故x可忽略）；

v——电磁波在介质中的传播速度。

（2）探地雷达记录时间和勘查深度的关系：

式中：Z——勘查目标体的深度；

t——雷达记录时间。

2 探查技术应用

探地雷达现场使用中需要合理选择测线布置方式，以及合适的天线及参数等，这里结合Mala雷达进行阐述。

2.1 测线布置

测线的布置要根据具体工程要求布置。利用500MHz屏蔽雷达探测地下管线时，在收集到目标管线资料的情况下，要根据管线的垂直方向进行测线的布置，至少布置3条（图2）：中间一条，两边间距2m各布置一条，这样才能有效地判断出管线的具体位置以及埋深等信息。

图2 管线测线布置

管线探测测线的布置应尽可能地避免障碍物和地面金属覆盖物。利用50MHz非屏蔽和100MHz屏蔽雷达探测深部和浅部地下状况时，根据工程要求，左右地铁隧道上方各布置3条测线。

2.2 可行性分析

在探地雷达实际应用中，应对探测目标体和场地环境进行充分了解和分析，以此来确保项目的顺利完成，具体表现在以下3个方面：

（1）目标体的埋深。探测目标体的埋深是探地雷达方法探测可行性的决定性因素，若目标体的埋深过深，那么雷达探测法将不适用。一般我们认为，探地雷达的探测深度由2个因素决定，它们分别是雷达系统的增益指数和场地的介质介电常数。

（2）目标体的电性特征。运用下面的目标体功率反射系数来判断探地雷达检测手段的可行性。

一般认为，Pr的值不应小于0.01，公式（3）中，εh和εT分别表示为围岩和目标体的相对介电常数，表1为常见介质的介电常数。

表1 常见介质的介电常数

（3）探测地场地环境。实际探测过程中，场地环境对探测的数据结果影响很大，往往会干扰我们对目标探测体的判断。测区内的金属材料如广告牌、路面铺盖的钢板等都会对探测形成严重干扰，所以在探测过程中要尽量避开这些大型干扰物或是在探测过程中对这些干扰物进行详细记录，以便后期数据解释中对干扰信号源的甄别。

2.3 天线中心频率的选择

雷达剖面图成像的分辨率与天线的中心频率成正相关关系，探测深度与天线中心频率成反相关关系。一般探测情况下，天线中心频率的选择由设计要求的分辨率和目标探测深度决定。

若要求的空间分辨率为Xm,在知道场地介质介电常数ε的情况下，天线中心频率可由公式（4）计算得到：

天线中心频率的选择也可以根据施工承建方的要求探测深度（D）来快速选择：

3 工程应用分析

城市道路建设中运用探地雷达主要是检测浅层地下管线布置、地下空洞的分布、以及裂缝和松散不密实区域等病害。但是在实际检测过程中，地表及地下存在着诸多影响因数，往往这些影响因数在雷达数据图像上会呈现一些类似于我们所要探测的病害的波形特征，在后期的报告中就会容易出现误判或遗漏。本文特别指出一些常见的干扰源并加以分析说明。

3.1 典型干扰分析

(1)人行天桥。城市道路中的人行天桥对非屏蔽的雷达的探测结果有较大的影响。当雷达经过人行天桥下方时，电磁波会出现强烈的反射，在接近和远离人行天桥时会产生绕射波，从而会在雷达图像上形成多组双曲线特征。如图3测线100～120的矩形区域，为实测时当雷达天线经过天桥时的干扰信号。

图3 RT50MHz雷达穿过人行天桥雷达图

由图3可以看出，人行天桥的雷达图像为较规则的双曲线，但双曲线特征不能反映实际天桥的宽度。

图4 金属井盖雷达图

(2)路面金属盖板。探地雷达天线通过地表金属物时会产生强反射，在探地雷达剖面上表现为强能量同向轴出现，并且反射波会在金属物和天线间产生多次反射，在剖面上表现为强能量同向轴垂直方向上延续时间长的特点[6]。根据现场探测记录，图4中测线26～28m处的红色矩形标记内为探地雷达经过道路金属盖板时出现的现象。

3.2 典型病害分析

（1）松散不密实。城市道路下松散不密实病害一般是由于后期道路施工回填不实和雨水渗透侵蚀而形成的。松散不密实区域在各种外力的作用下会发育成道路下方隐伏空洞而影响交通运输安全。路基压实度较好的情况下，各层之间密实，雷达剖面图上的波形较为规则有序。当公路面在内外力的共同作用下，往往发生路面下方出现松散的现象，松散区内形成局部含水、夹气层。这时该区域内介质松散且含水量相对较大，电磁波穿透该区域是被大量吸收，反射波互相影响，出现同相轴不连续、波形杂乱的特征[7]。

图5 不密实区域

图5中在测线13～19m处，同相轴出现明显的错段、不连续，判断该区域为松散不密实区域。

（2）管线。利用探地雷达探查城市道路中管网分布情况前一般需要对管线的走向、埋深、口径等资料有大概的了解，然后根据具体情况来布置测线（图2）和选择相应频率的雷达天线，最后集合各条测线上所测得的数据分析目标管线的准确位置和埋深。典型的管线反射信号为抛物线形，如果管径较小或者埋藏较深，施工场地地下含水率较高时可能看不到抛物线形状。城市道路地下管线多为圆柱形，当雷达经过管线上方时，雷达剖面图会出现明显的绕射现象。图6中有4处（测线距离18m、28m、33.5m、39.5m）出现了明显的管线的抛物线型反射特征，疑似为管线分布。抛物线的顶端位置即为管线的上壁位置，所以检测中可以根据雷达剖面图上抛物线来准确计算管线的位置和埋深。计算管线的具体埋深目前常用的方式为对比测量法，需要先测试计算电磁波在该施工场地的传播速度，然后再根据公式（2）来计算[8]。后结合施工方实地开挖验证了探测的准确性。

图6 管线密集分布区

（3）空洞。地下空洞是发育在城市道路下方的脱空区域，具有隐伏性强、突发等特点，对城市交通安全构成了严重威胁。道路下方隐伏空洞是在内外力的共同作用下发育形成的。雨水的渗入，将路基下方的细小介质颗粒侵蚀、搬运流失从而形成局部脱空现象。空洞内部主要填充空气和水，与正常路基结构形成明显的相对介质常数差异（表1）。空洞的典型特性表现为电磁波反射信号幅值较强，呈典型的孤立体相位特征，通常为规整或非规整的双曲线波形特征（图7）。图中可以看出，在测线15m附近，时间深度在20ns以下，电磁波反射明显呈粗线型双曲线特征，判断为空洞异常区。