基于探地雷达的地下隐伏异常分析

皮 海 康

(深圳市水务工程检测有限公司，广东 深圳 518109)

1 概述

随着我国经济发展的空间结构发生改变，尤其在国家加快中心城市群和城市群建设的方针下，城市建设进一步加快。交通运输也随之持续增长，由此带来道路的负荷快速增加，这对道路的安全运行提出了新的挑战。为了缓解交通压力，城市交通基础设施兴建速度加速推进，轨道交通和城市道路建设也进一步加快。城市道路面临着交通荷载、复杂地质条件、雨水冲刷、人类工程活动的考验，这些情况都可能引发道路变形，路面沉降等病害[1]，严重时甚至可能导致塌陷等情况的发生。探地雷达在道路灾害的探测上，具有高精度、高效率、连续无损、实时成像和结果直观等优点[2]，能及时发现地下隐伏异常体，进而有效防治灾害的发生，成为道路无损探测的优选物探手段。本文以探地雷达基本原理为基础，结合实际工程探测结果，分析了几种常见地下异常体(管道、电缆线、介质疏松、介质富水、空洞等)的典型雷达特征。

2 探地雷达基本原理

探地雷达(Ground Penetrating Radar，简称GPR)向介质内发射超高频(106Hz～109Hz)脉冲电磁波[3]，当遇到介电常数不同的地层和目标体时，电磁波在介质交界面发生反射现象，反射波被地面接收天线探测并接收，通过对接收信号的处理和分析，形成波的双程走时与检测平面的二维图像，从而研究地下结构的物探方法[4]。其工作原理如图1所示。

地下介质分界面反射上来的反射波携带大量有用信息，可以通过分析反射波幅值和频率等特性来解读。其探测效果主要取决于地下目标体与周围介质的电性差异、电磁波的衰减程度、目标体的埋深以及外部干扰的强弱等。电磁波脉冲在地质界面上反射能量的大小取决于反射系数R。

(1)

其中，εr1,εr2分别为入射介质和反射介质的相对介电常数。

3 地下异常体的典型雷达特征分析

电磁波在传播过程中易受到介质的大小、介电常数等差异的影响而发生改变。由式(1)可知反射系数与反射界面上下相对介电常数的相对关系有关，雷达图上表现为反射波与直达波的正负峰值异常[5]。其中地下异常区域较多，选取五类典型雷达图像进行异常特征分析。

3.1 管道

根据管道的用途，其材质、大小、埋藏深度的变化范围呈现多样性，反射波形特征也不尽相同。对于金属管，因其介电常数往往高于周围介质，故在其顶面电磁波极性发生反转，由于金属对电磁波的屏蔽作用，金属管道下方往往发生多次反射。如图2所示，左起依次为雷达连续扫描图、管道中心电磁波衰减图、堆积图。由图2可知：据地面约为0.9 m处出现一白—黑—白的弧形强反射，极性与入射波相反，两叶延伸较长，曲率较大，下部具有多次反射。推测为一管径较小的金属管，后期施工开挖验证了这一推测。

3.2 电缆线

图3左起依次为雷达连续扫描图、电缆线中心电磁波衰减图、雷达波堆积图。由于金属导体的屏蔽作用，电磁波在交界面处发生全反射，以至于电磁波无法穿透电缆到达下部区域，且电缆线往往较细，其弧线较尖锐，两叶延伸极长，呈“尖”字形，曲率较大，交界面极性与入射波相反，顶部向下为一连串的强反射信号。图3左起依次为雷达连续扫描图、电缆线中心电磁波衰减图、雷达波堆积图。由图3可知：路面以下存在两根电缆线，其中左侧埋深较右侧深，反射波在界面处发生极性反转，下部伴随一连串强反射，峰值极大，超过相对幅值峰值，推测为带电电缆。

3.3 介质疏松

介质疏松的本质是局部孔隙率较大，空气含量较高，局部为土和空气的混合物。自然状态下空气的相对介电常数εr=1，疏松体的相对介电常数小于周围介质。电磁波从相对介电常数大的介质传入相对介电常数小的介质，为低阻抗到高阻抗的过程，极性不发生改变，与入射波同向。由于疏松界面不连续，反射波同相轴连续性较差；介质内部易发生衍射现象，无强烈的多次反射波；从振幅上看，由于疏松内部往往不均匀，介电常数常常经历由大到小和由小到大的剧变，呈现正负峰值，反射波峰值正负交替，波形畸变。如图4所示，为测区一典型介质疏松雷达图像，图4左起依次为雷达连续扫描图、疏松中心电磁波衰减图、雷达波堆积图。

3.4 介质富水

介质富水是指介质内部含水量高于周围介质。地下排水管道渗漏、缝隙渗水等是导致地下介质局部富水的主要原因。常见物质中，水的相对介电常数最大εr=80，因此富水部位与周围介质存在明显的电性差异。电磁波在富水界面发生强振幅发射反射，穿透富水介质时伴随一定规律的多次反射，由于水对电磁波的吸收作用，电磁波在富水介质内部产生绕射、散射现象，迅速由高频向低频变化，电磁波能量快速衰减，由于含水界面相对连续，反射波同相轴连续性较好，雷达图像呈现白—黑分布；从介质到富水介质为高阻抗到低阻抗的过程，因而其极性发生改变，与入射波相位相反。如图5所示，为测区一典型介质富水雷达图像，图5左起依次为雷达连续扫描图、富水部位中心电磁波衰减图、雷达波堆积图。后期开挖验证了雷达探测结果。

3.5 脱空和空洞

由于介质内部充填空气，在地基中易形成充气空洞，而结构层中则易形成脱空，均为典型路下隐伏异常。自然状态下空气的相对介电常数εr=1，小于路基相对介电常数且差异较大。电磁波传播到空洞上界面时，在介质交界面发生较强的强振幅反射，极性不发生改变，与入射波同向，呈现较明显的弧形反射。路下脱空或空洞横向跨度一般较小，电磁波在空洞上界面发生透射从而进入空洞内部，在空洞内部界面发生多次反射，反射信号互相干扰，能量分散。如图6所示，为测区一典型空洞雷达图像，图6左起依次为雷达连续扫描图、脱空部位中心电磁波衰减图、雷达波堆积图。

4 结语

城市地下介质条件复杂，影响电磁波传播规律的因素众多，且电磁波易受到周围环境干扰，对探测资料的精确解译带来困难。本文在分析探地雷达基本原理的基础上，收集探地雷达地质探测资料，总结地下异常体的典型探地雷达特征，结果表明：探地雷达法在地下管道、电缆线、介质疏松、介质富水、空洞、脱空等地下隐伏异常的探测上具有时效性快，可辨性好的优点，可为城市地质雷达探测资料的解译提供借鉴。