沧榆高速顶管区地质雷达探测分析

卢斌荧

（陕西省交通规划设计研究院有限公司，陕西西安，710065）

地质雷达是工程技术人员探测地下目标的一种常用手段。20 世纪50 年代，地质雷达开始用于冰层、冰川厚度的探测，因其携带方便、快速准确等的优势，广泛应用工程验收等无损检测，在公路隧道探测、岩土工程勘察等领域，能够直观、实时的显示工程地质情况。随着计算机技术的突破性发展，地质雷达性能越来越强大，地质雷达探测在理论研究、硬件设备制造、探测原理、数据的解译和分析处理方面取得了重大突破，天线覆盖范围越来越广，探测深度和精度得到了极大拓展。随着技术的不断更新发展，其应用领域更加广泛，社会经济效益显著。在高速公路勘察设计阶段，为隧道的围岩分级，判明裂隙发育区、富水区的位置提供了参考，也为探明隧道施工区的地质情况，钻孔的布设、断层的分布提供了基础数据。然而，在高速公路运营阶段，地质雷达探测次生灾害治理应用的案例并不多见。

地质雷达（GPR），是一种利用高频无线电磁波来确定介质内部物质分布规律的地球物理探测方法，在地下传播过程中，通过对电磁波回波的研究和分析，就可以获得地下目标体的几何形态与空间位置［1-3］。 姜化冰对深度不同、尺寸各异的方形空洞进行正演模拟，分析各种因素空洞目标雷达图谱的变化［4］；李世念等利用基于三维时域有限差分方法原理的GprMax 3D 软件，充气型和充水型空洞三维探地雷达正演模拟，对数据体不同方向的图像特征进行分析，并结合工程实例，验证了正演模拟结果的可靠性［5］；李政用Matlab 语言编写模拟程序，对隧道衬砌检测和超前预报中的典型地电模型进行正演模拟，取得了正演图像，提高图像的解释水平［6］；韩俊涛建立了常见铁路路基病害模型和检测的图谱判识基本规律，圆形空洞呈双曲线特征，矩形空洞在边界上呈现一段水平圆弧［7］；刘胜峰通过不同高度、圆形和方形两种规则空洞雷达探测实验，结论是雷达对水平尺度探测效果良好，但是垂直大小的精度逊于水平方向［8］；陈婕通过GprMax 计算原理，建立了不同大小，不同深度、不同形状的不同填充介质的混凝土空洞模型，总结出其成像的规律［9］。韩佳明总结出地下圆形空洞雷达扫描图像对称轴左侧为单调递减的连续凹函数，厚度由不断增大至稳定［10］；对称轴右侧为单调递增的连续凹函数，厚度由稳定至不断减小；随着埋深与半径增大，曲线曲率减小，曲线图像趋于缓和，曲线的特征体现出张开弧度增大的趋势。

1 研究背景

1.1 研究区概况

本项目位于榆林市，场地地形高低起伏，地面高程在1 149.80～1 342.80m。场地地貌单元主要分为风砂滩地地貌和黄土梁地地貌，风砂滩地地貌，表层风积砂较厚，低洼处常年积水形成海子，滩地大小不一，多曲折相连，黄土梁地多被风沙半覆盖，梁地大小不一。沿线地表植被稀疏，主要生长为黄蒿、杨树等沙生植物。在区域范围内地基土自上而下分层描述如下：①层细砂（Q4eol）：褐黄色，含云母片，稍湿—饱和，松散—中密状态，以稍密状态为主，摇震反应中等，无光泽反应，干强度低，韧性低。层厚5.50～8.50m，层底深度为5.50～8.50m，土质均匀，稍湿，松散-中密，以稍密状态为主，中压缩性，工程性能一般，可选做管道和工作坑地基持力层。②层黄土（Q3eol）：黄褐色—红褐色，饱和，可塑—软塑，以可塑状态为主，针状孔隙发育，含钙质结核，局部含粉土夹层，偶见蜗牛碎片，无湿陷性，属中压缩性土。层厚4.50～5.30m，层底深度为10.60～13.00m，土质均匀，稍湿，坚硬—硬塑，以硬塑状态为主，中压缩性土，无湿陷性，工程性能一般，可选做管道和工作坑地基持力层。③层粉土（Q3eol）：褐黄色，含云母片，饱和，中密，含钙质结核，局部钙质结核富集，摇震反应中等，无光泽反应，干强度低，韧性低。未揭穿，最大揭露厚度11.40m，土质均匀，稍湿，中密—密实转台，以中密状态为主，中压缩性，工程性能一般，可选作管道和工作坑地基持力层。

地层情况的复杂程度，影响到了地质雷达数据分析的精准程度，本研究充分收集研究区的地层情况，便于后续研判。

1.2 区域灾害治理实验概况

本次实验根据探测结果提供的数据作为灾害治理设计的依据，对探测出的缺陷（脱空和不密实）区域进行治理，治理后运行一段时间后再次探测，对仍存在灾害缺陷，进一步治理，直至完全探测不出缺陷为止，满足公路运营的需要。

2 数据来源和技术方法

2.1 数据来源

本研究收集到高速公路和顶管的施工阶段的资料，包括地质勘察资料、路基和路面结构图、顶管施工图，详细整理了路面及其以下的包括路面结构层、路基、底基层的结构，底基层以下的地质钻探资料。这些资料都作为后续分析的参考资料。

2.2 地质雷达检测原理

地质雷达技术（Ground Penetrating Radar，简称GPR）利用主频为106～109Hz 波段的电磁波，以宽频带短脉冲的形式，由地面通过地质雷达天线发射器发送到地下，电磁波经地下目的体或地层反射界面后返回，被地质雷达天线接收器所接收，通过对收到的雷达信号进行处理和解译，达到探测地下目标体的目的［11-12］。

地表下的介质比较复杂，电磁波吸收和反射的存在差异，通过对反射波形的分析，可以建立地下介质的结构模型（地质雷达检测原理示意图见图1）。

图1 地质雷达检测原理示意Figure 1 Schematic of GPR detection principle

电磁波在介质中传播，电场强度分量关系式如下：

式中：Ex为传播距离Z=x处的电场强度；E0为传播距离Z=0 处的电场强度；k为传播系数，其表达式为k=α+jβ，其中α为衰减常数，表示每单位距离衰减程度的常数；j为电流密度；β为相移常数，表示每单位距离落后的相位［11］。

式中：ω为电磁波的角频率（ω=2πf，f为电磁波中心频率）；μ为介质的磁导率；σ为介质的电导率；ε为介质的介电常数。

实际计算中，通常用相对磁导率（μr=μ/μ0）和相对介电常数（εr=ε/ε0）计算介质的衰减常数α和相移常数β。

式中：μ0=4π×10-7H/m，为空气磁导率：ε0=1/36π×10-9F/m，为空气介电常数。

在介质中传播的平面电磁波，在遇到不同的波阻抗（η）界面时将发生反射和透射，产生反射波和透射波。

垂直极化平面波的反射系数：

平行极化平面波的反射系数：

式中：θi为电磁波入射角；θn为电磁波反射角；η1和η2为两个不同介质的波阻抗。

（1）高阻介质

波阻抗公式如下式表示：

在垂直入射情况下，θ1=θn=0，则：

上式表明，介质介电常数的不同与反射信号相关。对于高阻介质，反射信号的大小主要取决于介质介电常数的差异。

（2）低阻介质

波阻抗公式如下式表示：

在垂直入射情况下，θi=θn= 0，则：

上式表明，对于低阻介质，反射信号的大小主要取决于介质电导率的差异［11］。介质的复杂程度与反射信号表现出高关联性，这种特性可以进行地表下的地质分析。

3 数据采集与分析

3.1 天线选取与设备标定

本次检测采用地质雷SIR-4000 主机及配套100MHz 和400MHz 屏蔽天线，连续采集，主机时窗选用200ns、AD 采样16 位、1 024 扫描样点数、128 扫描线/s、9 节点自动增益、3 道水平平滑；垂向高通滤波50MHz、低通滤波300MHz、3道水平平滑。

首先对检测目标进行介电常数标定，检测前对路基的介电常数做现场标定，每处顶管位置标定1次，每次采集3个数据，根据已知顶管位置计算出路基介电常数值，取平均值为该段路基的介电常数。经现场标定，本次检测段路基介电常数取值为8。

3.2 测线布设

根据探测需要，在顶管下穿区域沿车道方向布设测线，测线布置覆盖顶管穿越区域（地质雷达检测测线布设示意图见图2）。

图2 地质雷达检测测线布设示意图Figure 2 Schematic diagram of GPR detection line layout

3.3 地质雷达数据处理

本次的地质雷达数据采用数据处理软件RADAN7进行处理。处理流程：数据输入→数据编辑→能量均衡→数值滤波→时深转换→图形编辑→输出剖面图（地质雷达主要处理方法及功能见表1）。

表1 地质雷达主要处理方法及功能Table 1 Main processing methods and functions of GPR

地质雷达在检测过程中，由于受周围环境电磁噪声、仪器自身噪声等因素的影响，数据记录中除目标体信息外，还包含其他许多干扰信息。这些干扰信息降低了数据的信噪比，往往会掩盖真实异常，甚至造成假异常，使检测结果不准确，因此在利用地质雷达数据进行检测结果解释之前，需要进行数据处理来压制干扰，提高数据的信噪比。

对检测结果进行处理可以提高信噪比，但是要得到检测结果，还需要结合现场调查情况及相关构筑物结构信息和现场记录，尽量剔除假异常，使地质雷达检测信息和目标体真实情况相对应，进而实现地质雷达数据的解释。

地质雷达检测数据的处理，需要先找出雷达波图谱中的反射波同相轴不连续、产生弯曲、反射波能量强、回波振幅反应较强的区域，再根据雷达波的相位、频率和幅值变化等因素综合分析判定，最终确定病害分布情况。

3.4 实验过程

本次实验段落为3条煤矿疏干水综合利用项目下穿高速工程管线区域（下穿深度一般大于10m，不含路基填高），对下穿段高速公路道路土体密实度进行探测，防止施工引起道路路基土体松散、空洞，对行车安全造成安全隐患，及时掌握探测段内高速公路路基密实度情况，以便及时采取相应措施，快速处理以消除安全隐患。

经过第一次探测，发现仅1号管线周围有5处脱空和1处不密实（表2），其余两条管线区域正常；对1号管线区域发现的不密实和脱空区域经过专业设计和施工治理，进行第二次探测和治理（表3）；对于仍然存在不密实的区域进行于第三次探测，探测结果未发现不密实现象。

表2 第一次地质雷达探测典型病害缺陷统计Table 2 Statistics of typical disease detected by GPR at the first time

表3 治理后第一次地质雷达探测病害缺陷统计Table 3 Statistics of disease detected by GPR at the first time after treatment

实验数据比较发现：第一次探测出5 处灾害缺陷，经过治理后第二次探测依然有三处，分别是测线237 不密实区域经过治理后缺陷大小由2.70m×2.58m 缩小为1.13m×0.65m，缩小至10 %，测线242的不密实区域经过治理后的缺陷大小由4.80m×1.72m 缩小为1.91m×0.5m，缩小至11%，测线245 的脱空的区域经过治理后缺陷大小由1.33m×2.19m缩小为1.13m×1.58m，缩小至60%（由脱空变为不密实）。对这些不密实的区域治理后进行第三次探测，没有发现不密实等灾害缺陷，公路营运正常，实验数据真实有效。

3.5 实验结果判定

对地质雷达检测数据进行处理可以提高信噪比，但是要得到检测结果，还需要结合现场调查情况及相关构筑物结构信息和现场记录，尽量剔除假异常，使地质雷达检测信息和目标体真实情况相对应，进而实现地质雷达数据的准确解释。

主要判定特征应符合下列要求：

1）密实：信号幅度较弱，甚至没有界面反射信号。

2）不密实：界面的强反射信号同相轴呈绕射弧形，且不连续，较分散。

3）脱空：界面反射信号强，三振相明显，在其下部仍有强反射界面信号，两组信号时程差较大。

本次探测以特定的顶管为中心，两侧各15m，分布多条测线，经两次探测后治理，第三次探测无异常，时间间隔分别为1 个月、2 个月和4 个月，通过近一年的运营观察，历经夏天高温和冬天严寒的运行实践，未发现明显的路基沉降的变化，证明此方法可在高速公路顶管穿越区指导公路运营养护部门对道路次生灾害的检测，快速确定治理方案，保证公路的正常运行。

4 结论

通过地质雷达法对顶管施工区域高速公路路基检测，可成功排除道路存在的安全隐患，保障高速公路运营安全。经过施工前后地质雷达检测数据分析对比，发现地质雷达法在道路病害检测中发挥出了明显的优势，总结如下：

1）地质雷达法应用于运营阶段的高速公路道路探测，无损、快捷、对交通运营影响较小。

2）地质雷达法对高速公路道路病害探测效果显著，通过病害整治前后地质雷达数据对比，发现道路病害范围明显缩小及无异常，证明地质雷达在道路病害探测中数据的准确性及方法的可靠性。

3）地质雷达在探测过程中干扰因素较多，对数据处理、分析、解译的要求较高，需要详细收集道路结构、地层地质资料，以及现场实际情况，有助于提高数据的准确性。

4）地质雷达应用于高速公路病害探测，能有效排除道路安全隐患，保障高速公路运营安全，在今后的勘察探测中，将会发挥出更大的价值。