探地雷达法在道路空洞检测中的应用探究

张大海,周硕

摘 要：当前，我国市政道路空洞事故多发频发，居民生活受到影响，人民财产及生命安全受到损失。而探地雷达法作为一种用于地质勘探的检测技术，其在检测过程中不需要破坏地质表层结构，便可快速准确的判断出地球浅层结构的土质环境，因此已经逐渐发展为一种侦测道路病害的有效测量手段。为此，本文首先对探地雷达法的技术原理展开了分析，进而讨论其在城市道路空洞检测中的应用方法以及数据处理技术，以期为城市道路空洞等病害检测评估提供技术支持。

关键词：探地雷达;道路检测;道路空洞;技术支持

0 引言

当前，市政基础设施承载能力与我国城市高速发展存在不平衡。表现较为突出的是，在地下水文环境、高强度荷载、管线渗漏以及相关自然因素的共同作用下，全国城市道路空洞灾害进入集中爆发的高峰期。据统计，2018-2020年，我国城市道路空洞累计造成30人死亡，26人受伤;2020年仅媒体报道的道路空洞事故达260余起;较比2019年106起道路空洞事故增长127%，道路空洞灾害事故造成越来越严重的生命财产损失和社会影响。全国各省市对城市地下病害隐患排查有着迫切需求。

1 探地雷达技术的应用原理

探地雷达法又称为GPR（Ground-Penetrating-Radar）地质雷达法，一种采用窄脉冲宽带高频电磁波信号检测地下介质分布的方法。该方法通过天线连续拖动的方式向地下发射高频电磁波，电磁波信号在物体内部传播时遇到存在电性差异（介电常数）的介质界面时，就会反射、透射和折射。反射的电磁波被与发射天线同步移动的接收天线接收后，通过雷达主机精确记录反射回的电磁波的运动特征，获得地下介质的断面扫描图像，通过对扫描图像进行处理和图像解译，达到识别地下目标物的目的。探地雷达由发射天线（T）发出宽频带短脉冲电磁波，其主频为数十兆赫至数千兆赫波段，经地下电性不均匀体反射后，由接收天线（R）接收反射信号，所得记录为时间域脉冲信号。

在具体应用过程中，可以参照下列公式来对其进行应用，即： t=

该公式代表着探地雷达在工作过程中发出的电磁波信号往返用时，其中v代表电磁波的传播速度，z为探测目标地点的地下深度，x则是发射天线传出信号到达底下目标地点之后，再返回接受天线所经过的全程总长。通过采集电磁波信号往返用时的幅度变化、相位差、频率差等关键数据，即可通过具体的几何图像来分析地下结构的详细情况[1]。

2 探地雷达法在道路空洞检测的具体应用

在实际应用过程中，可以采用“普查—详查—钻探勘验”的方法实现道路空洞的精准检测。

2.1 普查阶段

所谓“普查”，即指大范围勘探路面地下详情，从而确定信号异常区域，以此缩小道路病害查探范围。由于此过程是面向道路的全断面进行勘测，因此为了提高工作效率需要首先按1.5 m～2.0 m的断面间距来对检测路段进行测线标记，然后又采用车载雷达同时对多线展开地质勘测。这样做的优势在于能够最大限度提高工作效率，减少道路普查对交通流量所带来的影响。同时为了提高测量结果的准确性，工作人员需要保证每条车道至少使者两条测线，此标准在遇到加宽路面情况时，可适当进行增加调整[2]。

在针对一些道路空洞高发区域（如地铁施工、管线密集路段）進行探测时，还可以采用布设测点的方式来进行局域网格探测。具体操作流程是在目标测区布置3到5个以上的测点，并保证测点横向、纵向为衔接，形成相互垂直的多道测线，测线间距仍以相邻断面之间1.5 m～2.0 m的间距为基准，从而对目标区域进行加密探查。如所测区域为交叉或弯道路孔，也可通过多个测点之间大角度相连，以大于该区域断面1.0 m～2.0 m的范围进行测量。

2.2 详查阶段

经过初步普查之后，此时工作人员往往已经能够确定目标路段存在属于数据异常的大致区域，此时即可有效缩小检测范围，采RTK（载波相位差分技术，即Real-time kinematic）来确定道路空洞位置的准确坐标。如图2所示。

与普查阶段追求效率不同，详查阶段主要考虑的是准确性。因此在这一勘探期间工作人员主要是采用手推式雷达探测仪器来对目标区域进行检查，并且为了采集更为具体的病害体详细信息，工作人员需要通过采用局域网格探测法，并将探测点的分隔间距缩小到一米范围之内，以此进行更为细致的探测。同时为了避免普查阶段出现疏漏，工作人员还需要结合道路周边环境的实际情况，对一些正在进行道路施工、存在塌陷历史以及地下构置物与管线密集的敏感区域进行二次复查，以确保能够对目标路段实施全范围覆盖检测[3]。

需要注意的时勘测过程中，地下各类排水管线会对探查结果产生一定的误导与干扰作用，因此需要工作人员分别采用400 MHz、200 MHz、100 MHz的电磁波对道路地下结构进行由浅至深的探测，并辅助QV排查法以及环境调查法的方式来保证测量结果的准确性。

2.3 钻探勘验阶段

通过详查几乎已经可以确定道路空洞病害的存在情况，但是为了去除不稳定因素，同时进一步判断空洞病害的轻重程度以及成因，尚需采用钻探勘验的方式进一步确认。

此工序中，探点通常设置在地下数据信号反应最为强烈的位置，实际钻孔之前，需要反复确认地下管线的分布情况，以此确定钻孔的掘进方向。同时钻孔范围不宜过大，仅需要能够保证工业内窥镜顺利通过即可，再次过程中工作人员可以根据钻孔附近的岩芯与水位情况来判断地下土层的空洞情况，最后在使用摄像机进行具体确认。

钻探勘验的主要目的一是为了再次确认地下漏洞病害的存在情况;二则是通过这种手段提前分析病害问题的具体成因，以便于工作人员可以根据实际情况来采用不同的治理手段，尽最大限度减少掘开路面对城市交通所造成的影响。一般来说说采用水钻配钎探的方式，即可大致确定道路地下形成空洞的原因，例如钻探过程中，钻头的转速逐渐升高，并且传动杆上传来的异物触击频率明显减少，此时即可判断地下空洞的成因多为土体疏松所致，此时工作人员则需要考虑对其进行换基填筑或是灌浆修复处理;如钻探过程中，钻孔周围的岩芯形态开始变得粘稠，并且突然出现掉钻或钻孔水位升高的现象，那么说明目标区域的地下土层含水量异常，工作人员需要考虑是由于管线泄漏所致还是出现了季节性的地下水位变化，从而制定出针对性的防治处理措施[4]。

3 数据处理与分析技术

3.1 探地雷达信息处理

探地雷达在工作过程中，常常会受到来自各方面的信息干扰，因此需要对其采集的原始数据进行加工处理之后才能够从中获取有效信息。通常来说，对探地雷达所采集信息进行处理的主要方式包括有：空间滤波、增益调整、点平均、删除无用道、地形校正、水平比例归一化、反褶积、频率滤波、偏移归位、f-K倾角滤波等几种受段，经过以上处理之后，工作人员即可根据图像或数据显示信息，来读目标区域的破坏成因进行判断。

3.2 数据分析判断

数据分析是在整合了普查与现场详查的数据信息之后，对探地雷达显示图像的一种分析与特征识别。通常来说，电磁波在穿过不同介质时所产生的传播时间以及传播特性均会呈现出明显的差异性，因而这种差异会导致雷达接收天线所采集到的数据信号呈现出异常转台，反馈到图像上即表示为相位、波组形态、频谱结构和振幅的变化，通过观察这种变化，工作人员即可做出地球物理特征分析，从而描述出具体的地下病害类型。这种变化使用公式表示可以呈现为：

R=

式中，与是电磁波穿越不同介质时所产生的相对介电常数，而R则是代表电磁波的反射系数。通过该公式可以分析，电磁波在穿越不同物质界面时会导致其反射系数出现变化，特别是两种物质的相对阶段常数差异越大，那么电磁波的反射情况便会越是明显，并将这种情况呈现与几何图像之中，给予工作人员最为直观的提示[5]。

4 结语

综上所述，道路脱空与空洞病害的本质相同，都是由于土质结构的改变导致地下受力平衡状态被打破，从而使得泥土出现位移现象。由于这种病害的发生情况并不明显，因此给工作人员的工作开展带来了很大的困难。但是灵活使用探地雷达技术不仅能够有效探测出这一病害，同时还能够帮助工作人员对病害成因做出进一步分析，因此有效提高人工工作效率。

参考文献：

[1]许泽善，简世凯，覃谭，等.探地雷達在道路脱空空洞病害检测中的应用[J].工程地球物理学报，2019，16（1）：116-125.

[2]张华，郑彬彬，李苗鑫，等.无损检测技术在道路工程隐性病害中的研究进展[J].黑龙江交通科技，2019，42（6）：37-39+41.

[3]郭士礼，段建先，许磊.GPS在探地雷达探测城市道路空洞隐患中的应用研究[J].地球物理学进展，2020，35（3）：1135-1140.

[4]李世念，王秀荣，林恬，等.基于GprMax的道路空洞三维探地雷达正演数值模拟[J].中国地质灾害与防治学报，2020，31（3）：132-138.

[5]刘海磊，张云康，周炜，等.PHALANX病害扫描系统及其在城市基坑周边市政道路病害体分析评估中的应用[J].中国科技成果，2020，21（23）：46-50.