探地雷达法在调查地下空洞中的应用研究

2016-11-25丁肇伟

城市道桥与防洪 2016年2期

关键词：雷达探测箱涵探地

丁肇伟

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市 200092）

探地雷达法在调查地下空洞中的应用研究

丁肇伟

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市 200092）

探地雷达是利用介质间的电导率、介电常数等电性差异分界面对高频电磁波(主频为数十兆赫至数百兆赫)的反射来探测地下目标的。地下空洞探查一直是工程界的难点，如何进行高效、大面积、非破损的探查，是许多单位都一直在努力加以解决的问题。随着电子技术的发展，探地雷达作为一种应用范围广、稳定性高的仪器，逐渐得到重视，它的应用领域的拓展，也是各引进该仪器的单位一直在努力的方向。针对高水位地区的介质场，如果能研究出一种比较可靠，能够大面积普查的空洞调查技术，将会对提高核心竞争力和扩大市场份额起到积极的作用。

探地雷达；地下空洞；高水位介质场

1　研究背景和意义[1-4]

1.1研究背景

探地雷达（Ground Penetrating Radar，简称GPR）与探空雷达技术相似，是利用宽带高频时域电磁脉冲波的反射探测目标体，只是频率相对较低，主要用于解决地质问题，又称“地质雷达”。

将雷达技术用于探地，早在20世纪初就已经提出，在随后的60年中该方法多限于对波能吸收较弱的盐、冰等介质中。直到20世纪70年代以后，探地雷达才得到迅速推广应用（工程地球物理专业委员会，2001；王百荣等，2001）。

我国探地雷达仪器的研制始于20世纪70年代初期，由多家高校和研究机构进行仪器研制和野外试验工作。但是由于种种原因，研究成果在实际工程中的应用效果一直未能得到广泛认可。目前，国内使用的探地雷达仪器多是引进的，能够提供商用探地雷达技术的有美国、加拿大、瑞典、俄罗斯等国家（李大心，1994）。

近年来，随着工程建设的飞速发展和探地雷达技术的逐步成熟，雷达探测技术逐渐在军事、地质、水利、交通、城建等部门得到了广泛应用。

探地雷达是由地面的发射天线将电磁波送入地下，经地下目标体反射被地面接收天线所接收，通过分析接收到电磁波的时频、振幅特性，可以评价地质体的展布形态和性质。由于雷达穿透深度与发射的电磁波频率有关，使其穿透深度有限，但分辨率很高，可达0.05 m以内。早期，探地雷达只能探测几米内的目标体，应用范围比较狭窄，目前根据报道，在陆地上探地雷达探测深度最大可达100 m，已经成为水文和工程地质勘察中最有效的地球物理方法之一。

探地雷达因具有分辨率高，成果解释可靠的特点。在浅地层地质勘探中，取得了广泛的应用（Mellette，1995）。如探测覆盖层厚度、基岩面起伏（Davis,1989；李张明等，1997；周德存，2006），查找潜伏断层、破碎带（Beres，1991）、古溶洞、管道沟、涵洞以及地下掩埋体等（王俊茹等，2002）；在工程探测中使用探地雷达可以进行高速公路（Hugenschmidt，1998；杨天春，2003）、机场道路等质量的无损检测（薛建等，1997；张河水等，1998；李修忠等，1999；潘卫育等2004），进行隧道地质超前预报（巨浪，2005；薛云峰等，2006）、检测隧道衬砌质量（周黎明等，2003；梁缄鑫，2005；张峰，2006）、探测建筑物地下边坡孤石（王俊茹等，2002）、机场地下古墓等不良地质体分布、探测水库坝体结构层（李宜忠等，2006）及结构层材料老化变质（Robert，1998）、检测灌浆质量及混凝土厚度（温佩琳，1997；魏超，2004）、探测地下管道等等（茹瑞典，1996）；使用探地雷达调查滑坡体及滑坡面、评估崩塌、滑坡及地面沉降等地质灾害调查（邓世坤，1993）。

随着探地雷达探测技术的不断发展和进步，其应用领域正在不断地扩展。国外探地雷达探测技术已经在高精度探测、三维探测、超深度探测技术方面取得了长足的进步。尤其是探地雷达用于工程质量定量精度检测方面取得了进展，已纳入许多西方国家的质检标准体系中，相应的硬件设备和数据处理软件系统也已经研发成功，部分中高端产品也已经销售到中国。

由于探地雷达探测技术具有的高精度数据采集、可视化成像技术和原位快速解译等优点，该项探测技术已经纳入国家公路路基检测、管道探测等行业的质检标准规范体系。多年来，地球物理学家致力于探地雷达探测技术方法对工程建设项目的质检评价的应用研究，其目的在于拓展探地雷达探测技术的应用领域，以及探索无损伤隐蔽工程质量检测评价的新方法。

1.2研究意义

探地雷达是利用电磁脉冲波（1M～1 GHz）以宽频带短脉冲形式由天线发射到地下，雷达脉冲在地下传播过程中，遇到不同电性介质界面时，部分雷达波的能量被反射回地面，被接收天线接收。探地雷达探测到来自地下介质交界面的反射波，通过探地雷达记录的反射波到达地面的时间和反射波的波幅来研究地下介质的分布，并以其特有的高分辨率在浅层或超浅层探测中有着极其广阔的应用前景。

目前高频探地雷达（800 MHz～2 GHz）能精确测定超浅层缺陷区的形状、大小和深度，具有节省劳力、操作方便、速度快的特点，能在大范围内进行检测，受周围环境影响小。高频探地雷达在道路路基工程中具体应用主要是对道路面层厚度检测、道路基层空洞、高含水区、基层厚度等检测项目，还可以将其运用于道路的材质、裂缝、湿度和结构等方面的检测。中低频段的探地雷达（20 MHz～1 GHz）应用在工程质检评价领域是具有较为理想的地球物理前提，但是相应的探测技术方法还有待进一步研究，尤其是探地雷达对工程目标物的高精度检测和定量评价分析方面需要做大量的应用研究。

近年来，我公司在市政工程物探、检测领域的业务量逐年增多，如何在保证质量、保证精度的同时，探索出一种别人没有，或别人没有我们研究深入、成熟的方法、技术，是公司领导和技术人员一直在思考的课题，

随着物探设备RAMAC_GPR型探地雷达的引进，相关技术人员考虑结合路基、涵洞等项目中的探测课题，研究一种比较适合高地下水位软土地区的雷达探测方法，以便为道路竣工验收、箱涵基底情况评价提供可行、可靠的依据。

为此，研究小组拟从路基、箱涵底部出现的的疏松、空洞探测出发，研究高水位软土地区探地雷达法的适用性。

2　研究内容、方法原理

2.1研究内容

（1）探地雷达现有性能研究；

（2）探地雷达对因各种原因造成的路面、箱涵底部疏松、空洞等情况的探测研究；

（3）实际测试图像处理分析；（4）探测结果的验证分析。

2.2雷达法原理

探地雷达由发射天线T将高频电磁波（主频为106～109Hz）以宽频带脉冲形式送入地下，经地下目标体或不同电磁性质的介质分界面反射后返回地面，为另一接收天线R所接收。探地雷达的观测方式有多种，若发射天线固定不动，接收天线沿侧线移动，并逐点接收来自反射界面的反射回波，则回波走时与天线距之间满足如下关系：

式中：v为电磁波在地下介质中的波速；z为反射点A的法线深度。

显然，回波走时与天线距之间的关系为双曲线。对于零天线距的单置式天线而言，即天线距x=0，同点激发并接收，则自激自收时间为：

当地下介质中的波速v为已知时，则可根据天线距（已知）x和记录回波走时t值（ns，1ns=10-9s），由式（1）或式（2）可求出反射体的埋深。

图1与图2为一地质模型及其对应的雷达记录示意图。在雷达剖面上，可直观地观察地下反射界面的形态及深度变化。当然，对于倾斜的反射界面，其反射同相轴与地震反射剖面一样，也同样存在着偏移与偏移归位问题。

图1　电磁波反射路径

3　已有工程雷达探测试验研究

地下空洞探测从介质分类的角度可分为两大类：一类是土介质，此类工程包括堤防工程的隐患探测。特点是埋深大，目标介质与围岩（围土）电性差异小。另一类是与水利有关的各种混凝土设施如闸、坝、隧道（隧洞）、防渗墙、共同沟等工程，特点是探测深度浅，但探测精度要求高。针对两类工程的特点，我们有目的地选择了相应的试验对象来考察RAMAC_GPR探地雷达的使用效果。首先做探地雷达不同观测方式以及不同频率天线对比试验，以了解各种观测方式的适用范围。

图2　探地雷达探测剖面

3.1路基检测

浦晓路位于浦江镇，由东线和西线组成，中间由景观河分隔，本次检测路段为西线景观桥至江柳路段，全长约80 m，该路路面结构（自上而下）为细沥青混凝土（3 cm厚）、粗沥青混凝土（9 cm厚）、二灰三渣层（35 cm厚），垫层为15 cm厚的砾砂层，路基土为褐黄色粉质粘土。

由于紧临该路段西侧的华侨城别墅区，在其深基坑施工时出现了坑壁失稳的险情，致使该路段路基受到影响，如：路面产生了贯通性裂缝，路下所埋水管爆裂。

为了解该路段路面、路基的受损程度，受浦江镇投资有限公司委托，我公司承担了对该路段的检测工作，检测采用地质雷达探测结合路面取芯测强进行。

由于要求探测路面路基的破坏情况并作定性分析，我们根据设计提供基础深度选取500 m屏蔽天线进行探测，并选取江桦路路中央及两边三条平行测线进行对比探测，见图3。

图3　雷达测线布置

通过实地检测，获得一系列典型的回波信号剖面图，通过对获得的图像进行目标识别，分析地基破坏程度。

（1）地基填充层缺陷

如图4所示，可以看出在两道黑线之间的反射回波信号与两侧路面的反射回波信号有明显差异，这是因为这一段路面在铺设时，填充土压实差，疏松的土壤反射回波能量较低所致。

图4　典型雷达剖面影像

（2）松散含水

填土不密实，呈松散状态，含水量相对偏大，个别甚至呈液限。因此病害区介电常数较大，与周围介质介电常数存在差异，由于土层疏松、较多小孔隙分布或含水量不均匀，反射界面多而乱。在探地雷达剖面上表现为反射波较多、规模小、不连续、反射能量强弱变化较大，整个剖面较为杂乱（见图4）。

（3）桥面钢板接缝

在道路检测过程中，遇到桥面钢板接缝的强烈反射，形成如图4所示的强烈反射回波信号。

在对比分析探地雷达实测图像之后，运用钻孔取芯机，在雷达图像上异常反应强烈的地段进行钻孔取芯验证，得到的芯样情况见图5。其中，芯样1为地基冲刷严重的松散含水段，芯样2为地基填充层缺陷段，芯样3为地基冲刷中等的松散含水段。

图5　路面芯样

雷达探测基本查明了路基破坏较为严重区域的范围分布，但由于钻孔深度未能穿越整个路基，因此，对深部破坏形式和破坏程度无法做出准确分析。

3.2张扬路共同沟基底探测

张扬路共同沟是为浦东新区管线铺设而建成的地下箱涵，为了检测已建共同沟的混凝土与周边土质情况，运用探地雷达对其进行普查。

鉴于检测深度为混凝土结构外围1 m范围内的土质情况，采用500 MHZ屏蔽天线进行探测，由于共同沟探测场地条件所限，沿共同沟布设了2条测线运用剖面法进行探测（见图6）。

图6　测线布置

通过现场探测，选取测线剖面图中具有代表性的雷达图像进行分析。

（1）箱涵底部管沟

对剖面的雷达记录进行增益、滤波等一系列处理后得到最终的雷达成果图像，从处理后的雷达图像上（见图7）可以看出，在该雷达剖面的整段均有多条幅度很强的反射同相轴存在，经分析和现场对比，这是测线经过箱涵底部管沟管顶的一次和多次反射波。

图7　管沟雷达影像

（2）箱涵底部土质情况良好区域

对剖面的雷达记录进行增益、滤波等一系列处理后得到的雷达成果图像，从处理后的雷达图像上（见图8）可以看出，在该雷达剖面的整段反射同相轴反射平稳、均匀，经分析和现场对比，这是箱涵底部土质填充情况良好的表现。

图8　基底土雷达影像

（3）箱涵底部结构边缝

对剖面的雷达记录进行增益、滤波等一系列处理后得到的雷达成果图像，从处理后的雷达图像上（见图9）可以看出，在该剖面局部区域出现多条幅度很强的反射同相轴存在，经分析和现场对比，这是箱涵结构接缝所产生的雷达波反射。

图9　结构边缝雷达影像

（4）箱涵底部含水性区域

对剖面的雷达记录进行增益、滤波等一系列处理后得到的雷达成果图像，从处理后的雷达图像上（见图10）可以看出，在该剖面局部区域有多条锐化反射波存在，经分析和现场对比，初步推断是地下箱涵高低差异造成该区域长时间积水，而造成地下水囤积。

图10　基底富水区雷达影像

（5）箱涵底部排水浜工作井

对剖面的雷达记录进行增益、滤波等一系列处理后得到的雷达成果图像，从处理后的雷达图像上（见图11）可以看出，在该剖面局部区域出现多条幅度较大的锐化反射波，经分析和现场对比，确定这是地下箱涵排水浜工作井的雷达波反射。

（5）箱涵底部空洞和填充层不密实区域

对剖面的雷达记录进行增益、滤波等一系列处理后得到的雷达成果图像，从处理后的雷达图像上（见图12）可以看出，在该剖面两侧区域出现多条幅度很强的反射同相轴存在,并在中央区域出现多条幅度较大的锐化反射波，经分析和现场对比，推断这是由于箱涵底部两侧排管造成中央区域土体扰动严重，而造成中央区域土体填充出现不密实和空洞。