澳门特别行政区城市道路病害体探测

成润根， 马彦良

(1.中国煤炭地质总局水文物测队，河北邯郸 056000； 2.中煤地质集团有限公司，北京 100040)

目前，道路病害体探测方法主要有多道面波法、地震映像法、探地雷达法、高密度电法等，不同方法具有不同的适应性和优势[1-7]。道路病害体探测具有干扰因素多、施工环境复杂、探测精度要求高等特点[8-10]，因此采用单一方法进行探测并不完全适应，相比之下采用多种方法进行综合探测可极大提高探测精度。本文以粤港澳大湾区澳门特别行政区相关工程为例，采用三维探地雷达和地震映像技术进行道路空洞、脱空及其他道路地下病害检测，取得了良好的效果。

1 研究区概况

1.1 研究区位置及环境

澳门特别行政区位于中国大陆东南沿海，地处珠江三角洲的西岸，毗邻广东省，研究区位于澳门特别行政区妈阁至内港34号码头沿岸道路。

自然环境属亚热带季风气候，同时带有热带气候的特性，年平均气温22.3℃，全年温差变化11～14℃。春、夏季潮湿多雨，秋、冬季相对湿度较低且雨量较少。台风季节为5—10月，以7—9月最为频繁。

研究区车流大，高楼林立，地势低洼，伴有潮汐现象，施工环境极为复杂。

1.2 地质情况

澳门特别行政区地层发育较为齐全，主要有震旦系、寒武系、泥盆系及中生代、新生代。第四系的冲积层、海积层、残坡积层、崩积物等，基本为未固结成岩，与近期的人工堆积物，覆盖于基岩之上。

1.3 研究基础

公路路面的相对介电常数与采用的材料有关，一般层内湿度较大，且采用土、砾石、粉煤灰、石灰等介电常数相对较大的集料；位于其上的面层一般采用2种材料——沥青混合料和水泥混凝土，其湿度较小，介电常数相对较小；基层下部垫层材料常为石灰土、二灰土、碎砾石，石灰粉煤土等，孔隙度更大，含水量更高。空洞及缺陷异常体的孔隙度相对周围介质大，含水量也明显不同，这些差异为开展检测路面奠定了基础。

利用物探技术开展道路空洞及其他不良隐患检测应具备的物理条件是：路面基层与上下介质之间、缺陷异常体与周围介质之间的电性(特别是介电性)存在着一定的差异，而介质的介电常数又取决于材料本身的物质成分、结构、孔隙度和含水量等因素。

2 技术难点及应对措施

2.1 技术难点分析

研究区码头附近除了车流量大、车速快等不利因素给施工造成较大影响外，部分路段因高楼林立，GPS定位处于伪距、浮动采集状态，且部分路段处于单点状态，影响了测量精度。探测过程中地上和地下存在多种干扰源(如地下电力或通讯管线)，这些干扰源在探地雷达图像上往往形成与地下病害相同或相似的图像特征，或在很大程度上影响数据的信噪比和分辨率，容易造成真实地下病害的漏判或误判，为探地雷达剖面的解释造成很大困难；码头前停放大量车辆，导致测线较短，不利于数据整体解释。

2.2 应对措施

在车流量大的地段，随机干扰较强，施工中采用专人负责监控车流量，选择夜间车辆少、干扰小，在合适的时段、车流进行施工的措施；针对GPS测量精度无法满足施工要求时，或在GPS信号不稳定的情况下，采用现场地标打点、描绘草图及与地理信息结合的方式进行采集，满足了探测的精度要求。探测实施方案为：首先对道路进行现场踏勘，提前画出测线草图，利用计算机辅助设计测线分布图，优化采集方案；在处理解释数据时，根据以往施工经验、周边环境、管网资料进行分析，剔除外部干扰因素，对于不能确定的异常，通过测量实地定位、现场复测等方式排除干扰。

3 数据采集

采集的数据有效是开展病害探测的基础，也是现场采集的关键，因此要求数据采集前在现场进行一致性试验，如设备的稳定性、适用性、灵敏度需满足道路探测要求。

本次使用的三维探地雷达设备单幅探测宽度为1.7m，为保证本次检测工作达到道路全覆盖扫描的目的，普查阶段主路采用车载雷达为主，人工拖拽为辅的工作方法(其中，码头、人行道采用人工拖拽方法)。作业时根据潮汐曲线选择海水退潮时段进行探测，以达到最佳的探测效果。采集参数：中心频率，200MHz；采样间隔，8cm；采集时窗，80ns。

雷达复测完成定位后，由测量人员固定好卷尺，并标好测点位置，进行地震映像数据采集工作。选用偏移距2m，激发点距0.5m，采集参数：记录时间，80ms；采样率，50kHz；检波器频率：100Hz。

4 资料处理和解释

4.1 资料处理

三维探地雷达数据处理的目的是压制随机干扰，提高资料信噪比，提取反射波相关物性参数(速度、振幅、频率、相位等)。因探测过程中存在多种干扰，单一的去噪方法很难取得理想效果，为此需采用多种去噪手段联合去噪。本次资料处理除了采用预处理、时间增益、反褶积、负信号分析、分层处理、计算介电常数、深度分析、参数修正等流程外，重点采用了常规滤波、一维滤波、二维(F-K域)滤波、多道中值滤波等去噪方法，最大程度提高信噪比。

优化了地震映像法适应近海区域资料特点的资料处理流程。首先对原始数据进行解编和格式转换；其次进行记录连接和道炮编辑，并定义观测系统；然后进行地形校正、振幅恢复和道均衡；再进行一维带通滤波、二维(F-K域)滤波和预测反褶积；最后进行去噪和修饰性处理。处理中突出了地震映像法在小炮检距情况下单道接收的特点，不做自动增益处理，主要做好道炮编辑和常规滤波，特别是做好反褶积滤波。

4.2 资料解释

本次探测工作使用三维探地雷达与地震映像技术对工作区道路进行全覆盖扫描探测。探测到道路病害体6处，其中空洞4处，疏松体1处、富水体1处，并经过了钻探验证。

4.2.1 道路路基疏松

由路面基层内介质疏松产生的介电常数异常，导致地面接收的电磁波发生变化，相对应的雷达剖面将表现出不同的异常特征。一般的由密实不均体界面引起的异常幅度一般较大，判断其边界的定性方法为：在不均匀体边界处有连续的反射波同相轴中断或弯曲分布，其波长变长，波幅明显变化，波组特征也发生明显变化。地震映像剖面上波形变化较大，同相轴上凸或下凹现象较明显，地震波历时延长，频率低于背景场是道路路基疏松的典型特征(图1)。

4.2.2 道路下富水体

富水体的相对介电常数大于周边土体，随着含水量的增大，相对介电常数差异越大。雷达图谱通常为顶面反射信号能量较强，下部信号衰减明显，同相轴较连续、频率变化不明显(图2)。

4.2.3 脱空或空洞

脱空、空洞的相对介电常数与土体的相对介电常数差异明显。此时，层间介质的介电常数差异较大，依据雷达波反射界面与波的传播特性，反射界面明显、传播速度降低。空洞异常区雷达图谱通常为反射信号能量强，反射信号的频率、振幅、相位变化异常明显，下部多次反射波明显，边界可能伴随绕射现象(图3，图4)。

地震映像剖面上同相轴消失或分叉，频率低于背景场是脱空的典型反应。波形结构变化较大，同相轴上凸或下凹现象较明显，地震波历时延长，频率低于背景场是空洞的典型反映。

(a)探地雷达剖面 (b)地震映像剖面图1 道路路基疏松剖面Figure 1 Road subgrade loose mass section

图2 道路下富水体探地雷达剖面Figure 2 Road underneath water-rich mass ground penetrating radar section

(a)探地雷达剖面 (b)地震映像剖面图3 道路脱空剖面Figure 3 Road voids section

(a)探地雷达剖面 (b)地震映像剖面图4 道路脱空剖面Figure 4 Road voids section

5 结语

探地雷达结合地震映像技术综合探测道路病害体，可以最大限度克服各种干扰，消除单一物探方法的多解性，提高探测精度。应用上述方法查明道路病害体平面分布范围和空间展布形态，从而确定其影响范围，为制定最优治理对策提供了较为全面、可靠的物探依据。不仅确保了道路地质灾害的及时发现、评估和治理，而且也保证了广大人民群众的出行和生命财产安全。