地质雷达在城市道路地下空洞勘察中的应用

【摘要】随着现代城市建设的不断发展，交通安全管理已经成为维护人民权益、加快社会主义建设步伐的重要手段。现代城市建设对地质影响很大。对于道路安全带来说，在城市道路上形成地下孔洞更为重要，有潜在的危险，如果不及时处理，地下隧道只会不断增长，最终坍塌，危及行人安全。地质雷达在地下空洞探测中的应用为道路安全管理提供了有效的帮助，其技术性和便捷性也使得地质调查非常方便，提高了道路管理的效率。

【关键词】地质雷达;城市道路;地下空洞;勘察

随着中国经济建设的快速发展，国家在旧城区改造和新城区建设上投入了大量的人力、物力和财力[1]。在這个过程中，由于施工区域的测量数据不足，经常会发生安全事故。原因是城市地下工程地质条件大多不清楚，导致施工技术参数不准确，相互影响。因此，在城市工程建设之初，首先要调查研究各种地质条件，评价异常地质条件，采取适当的施工技术措施，降低各种安全风险。

1、城市道路地下空洞的原因与物性特点

1.1产生原因分析

城市道路建设的不断发展下依旧存在不可避免的缺点，地下空洞的形成时多方面因素所造成的，分析其原因可知是因城市道路被一些大型机械和车辆的作用导致路面长期受到振动而出现空洞情况;地质运动的作用和地下水位的不断下降，导致地下裂缝不断扩大和孔隙压力不断减小，最终导致深部裂缝或裂隙扩展;同时，我国一些人防空工程时间较长，在长期被忽视的状态下，造成许多坍塌和破坏，再加上地下水的侵蚀，大量的土壤纷纷流入洞穴，造成了空洞，此外，在管道施工中，特别是非开挖管道施工中，施工缝隙很难完全封闭，使得城市道路出现地下空洞。

1.2物性特点分析

根据地下空洞形成的原因，该空洞可分为以下三种类型：空洞，含水空洞以及疏松土壤层。这三个空洞的类型不同，但具有相同的特征：尺寸、方向和延伸状态不清晰且不规则。在正常情况下，地下空洞与周围介质之间的物理特性存在显著差异，其比电阻值通常高于周围介质，且其介电常数不高，电磁波的传播速度快，震波的强度缓慢衰减。在有水的空洞情况下，它表现出低电阻，高介电常数特点，呈现震波强度的快速衰减和电磁波传播速度降低的特征;此外当空洞坍塌时，洞中会形成松散现象，与周围的某些介质相比，堆积物的导电性、地震波传播速度、介电常数方面也存在一定差异。

2、地质雷达技术的应用原理

城市道路地下空洞勘察工作中应用地质雷达方式主要在于地质雷达技术的优越性，通过基础原理与物理原理两方面分析，由浅至深的解释地质雷达技术的优势，阐述地质雷达在城市道路中优势，既展现了地质雷达技术的科学性，又说明了城市道路地下空洞勘察工作中应用地质雷达技术的必要性。

2.1基础原理分析

地质雷达属于工程物探中的一种新型技术，通过地质雷达中的电磁波作用，在电磁波传播过程中可对介质持续性发射高频电磁波，如介质为非均匀体，会出现部分电磁波反射的情况，而反射程度与反洗系数相关，当地质雷达主机接收到电磁波的反射信号后，利用系统对信号的处理显示出可供参考的图像，进而便于对介质状态进行判断，识别城市道路中可能存在的空洞情况，以此为后续设计与工程施工提供科学参考依据。

2.2物理原理分析

应用物理学知识对地质雷达技术进行分析能够发现，当介质为均匀状态时，电磁波表现形式为恒定速度V传播，因速度是恒定的，因此能够通过公示对地质雷达中地面反射波与反射波对应时间差△T进行计算，当时间差计算出后则可对异常位置深度H进行确定，具体公式为：H（目标层厚度）=V（电磁波探测介质中的传播速度）·△T（反射波对应时间差）/2，其中传播速度V计算公式为V=C/ ，C代表大气中电磁波的传播速度，约为3×108m/s; 代表相对介电常数，电常数通常由地下各层构成物质对应介电常数确定[2]。同时，雷达波反射信号对应振幅与反射系数之间的关系为正比，在地面勘察中，介质作为低损耗介质，反射系数r则与界面上下介质相对介电常数具有直接关系，电性反应出的差异越大，则表示反射信号越强。由此可知，地下介质电性与中心频率直接决定雷达波穿透的深度，即导电率越高穿透深度越弱，导电率越低穿透深度越强，表明中心频率越低其穿透深度越强。地质雷达所反映出的数据是城市道路空洞勘测的前提，也是分析勘测结果的基础。

3、地质雷达勘察的条件与影响因素

3.1勘察条件

地质雷达勘察条件主要为四方面：①地下空洞与周围介质之间存在明显的差异，可能形成反射。②地下空洞需要一定规模，深度和规模较大。另外，电磁波必须能够穿透目标的身体。③发射的电磁波必须具有足够的能量，以确保它们到达掩埋目标的深度并返回地面，以被接收天线接收。④在识别地下空洞中的异常时，它们必须不受地面干扰和地下介质产生的信号的影响。

3.2影响因素

地质雷达影响因素包括四方面，主要为：①地下管网。由于城市地下管线网络的复杂性和交叉性，因此有许多辅助设施，例如化粪池，管沟和人孔。这些设施的存在对地质雷达技术的实施具有重大影响。②地下介质。地下介质环境不统一，非常复杂。例如，建筑废料，大块石头和薄弱的建筑基础会对地雷雷达技术的实施产生一些影响。③表面干扰。检测区域中的某些车辆，摩天大楼，电车电缆和电车电缆会严重干扰工作，从而使地质雷达技术无法发挥重要作用。④架空广告牌和管线。该市有许多架空管线，例如通信线，电力线和供热管道，这会影响地质雷达技术的实际应用。

4、地质雷达技术的应用途径

地质雷达技术作为新型技术其应用过程需要结合城市道路的具体情况开展勘察，而应用途径主要从资料的搜集与现场的勘探、工作的布置与异常的确认、方法的选择与技术的应用、仪器与设备的选择以及资料的整理与分析共计五个方面，层层递进的对地址雷达技术的应用方式进行阐述，充分考虑城市道路勘察过程中可能遇到的各种问题，最大程度的对未知的内容进行分析，以便做好应对方案，通过科学的技术分析，为城市道路地下空洞勘察工作打下夯实基础。

4.1资料的搜集与现场的勘探

在进行勘察之前，勘察工作人员需要充分了解城市道路路面的地质特征和土壤类型，并根据城市道路周围的环境大致掌握该地点的地质状况。此外，勘察工作人员需要充分了解城市道路周围的交通状况与施工环境，进行地质勘测时尽可能减少对周围环境的影响，并确保交通顺畅和勘察数据的精准性。

4.2工作的布置与异常的确认

勘察工作人员了解了基本信息之后，需要对勘察工作中可能遇到的意外情况，采取安全措施，并减少周围车辆和施工对工作过程中调查结果的影响。勘察工作人员可以在即将测量的道路上安装防护栅栏，以防止车辆通过要测量的城市道路。然后，选择合理的勘察时间时，勘察人员应尽可能选择较少车辆时间段与天气适宜的环境中进行测量，保证勘察数据受外界因素的影响。

4.3方法的选择与技术的应用

其一为使用观察方法收集数据。探底雷达在天线的发射和接收过程中主要采用剖面法，并根据时间沿观测剖面线移动，如果波形记录是在特定的测量点获取的，则需要将天线移至下一个测量点进行观察，以此类推，最终形成了由多个波形记录组成的雷达图像。其二为方法测试技术。城市地下空洞的物理勘探工作的发展需要方法测试作为基础。主要过程如下：在现有的人防工程或方沟中放置一个测试区，执行地质雷达检测测试，选择更科学合理的工作方法和参数，并捕获运行中的雷达异常的图像特征，确定该方法对城市道路勘察的有效性[3]。其三为选择工作参数。选择合适的工作参数的能力直接影响检测的最终结果，工作参数的主要内容是地质雷达的点距，运行频率，叠加数，采样时窗，天线间距，介质的电磁速度等。选择相应参数时，必须使用方法测试进行确定。其四为探测剖面。地质雷达将方法试验作为勘察的基础，根据选择的参数和观测方法对剖面施以探测，主要布局原则如下：尽可能避免出现干扰区域，尽可能的保证雷达剖面走向与被测物体方互相垂直。

4.4儀器与设备的选择

在进行仪器与设备选择时，应结合勘察收集的地质信息和勘测方法确定勘测仪器与设备。通常，城市道路上的凹陷越宽，其地下空洞的空隙越大，针对此种地面情况选择测量设备时，应选择测量深度更深的雷达。另外，勘察进行前应准备调查所需的工具，例如数码相机、皮尺等，在确定仪器和设备完整性与数量之后，勘察工作人员需要根据城市道路测量区域的特征设计雷达勘察路线。

4.5资料的整理与分析

地质勘察完成后，技术人员将比较同一路段不同位置的勘察信息，并参照勘察前电磁脉冲基数，以查看路段中可能出现的空隙和疏松的地质土壤，对数据图层予以分析，进而采取对应措施。根据勘察与测量地质环境情况确定地下空洞或松散底层形成原因，进而对空洞类型予以判断，针对不同类型的地下空洞采取不同的补救措施。另外，要对路段中的地质信息进行完整分析，进而对地下空洞扩大的走向进行分析和预测，研究城市道路所能支撑的时限，以此确定最晚的施工时间，避免出现城市道路安全事故。

结语：

地下空洞已成为现代城市建设的潜在安全隐患之一，有效改善地下空洞勘察情况，应用先进技术，提高勘察工作内容，是实现交通安全，减少道路危害的重要措施。 地质雷达的勘察时间短而有效、优良而便捷的优越功能是现代地质勘查中最有效的勘察技术。地质雷达技术的应用使城市道路地下空洞的勘察更加方便快捷，此外，“实践是检验真相的唯一标准”，在城市道路勘察中有必要加强对不同频率天线和不同异常物体的检测实验，比较不同频率天线的优缺点和不同异常物体的反射波特性，经过知识与经验的积累，推动城市道路地下空洞勘察工作的优化与发展。

参考文献：

[1]赵明堂.地质雷达技术在城市地面塌陷隐患调查中的应用[J].工程地球物理学报，2019，16（06）：904-909.

[2]徐国辉.基于地质雷达的城市道路缺陷检测研究现状[J].科学技术创新，2019（15）：100-102.

作者简介：

李晓元，男，1982年2月出生，民族：汉，硕士研究生，籍贯：江西省赣州市，高级工程师，研究方向：岩土勘察。