基于地质雷达法的城市道路地下病害探测及实例应用
时间：2023-03-09 22:40:02 来源：千叶帆 本文已影响人
张海军，金春峰，田岗，段艳芳，郭起林，侯代敏
（1.中国电子工程设计院有限公司；
2.中电投工程研究检测评定中心有限公司）
随着我国城市化进程不断加快，人类活动日益加剧，以及各类自然因素的综合性影响，致使城市道路地下病害逐年增长，道路塌陷灾害时有发生。因此，如何科学应对城市道路病害及塌陷事故，减少道路塌陷对城市发展的影响，已然成为当前城市发展亟需解决的工程技术问题。
目前，国内外学者结合各地城市道路病害发生情况，从不同角度开展了相关研究。如：KULICZKOWSKA[1]分析了下水管道损漏状况与道路发生塌陷灾害危害程度的关系；
DEGIORGI等[2]介绍了地球物理方法在探测地下灾害性空洞中的应用；
戴长寿[3]解释说明了沉积土层和地下管道在地下空洞形成中的作用；
张爱江等[4]建立了道路路基病害与雷达图谱的对应关系，并进行了实地测试。许献磊等[5]针对GPR在地下病害检测中存在的环境干扰严重和检测精度低的问题，提出了基于差值检测的道路地下病害检测方法。由此可见，国内外在城市道路病害体研究上，主要采用现场调查和机理分析的方法，揭示道路塌陷发生机制。
本文在借鉴前人已有成果的基础上，通过总结地质雷达工作原理，探讨分析地质雷达的探测精度、图谱特征以及外部干扰因素。同时，依托具体工程实例，研究分析道路地下病害类型及其处置方法，可为类似工程的开展提供了一定的工程借鉴。
2.1 地质雷达工作原理
地质雷达工作原理是发射天线（Tx）向地下介质发射高频宽带电磁脉冲，电磁波在地下介质中进行传播时，在电性差异的地下结构界面处，电磁波会发生反射和折射，返回到地面时由接收天线（Rx）接收。通过对接收到的雷达信号的处理，得到地下空间中所存在的异常目标体的深度、位置、大小等几何信息及电性差异，实现对地下隐蔽目标体的检测与识别（见图1）。
图1 地质雷达探测原理示意图
1）电磁波传播时间t
式中：ν为电磁波在介质中传播速度，m/ns；
h为地下病害体的埋深，m；
x为发射天线和接收天线的水平间距，m；
t为电磁波在介质中传播时间，ns；
μr为介质的相对磁导率，常取1；
εr为介质的相对介电常数，常见介质的相对介电常数如表1所示。
表1 城市道路介质的电性参数
2）探测目标的埋深
根据电磁波的双程走时、波速和收发天线的水平间距等参数，可以推算探测地下目标的埋深，即：
当x≪z时，则有：
当电磁波在地下介质中传播速度已知时，可由测得的电磁波走时，求出地下病害体的埋深。
2.2 地质雷达的分辨率
地质地雷达的分辨率是指地质雷达能探测到的最小病害体的能力，可分为横向分辨率和垂直分辨率两种。
1）横向分辨率
横向分辨率d可根据第一菲涅尔带直径计算公式得出，即：
式中：λ为地质雷达子波波长；
h为目标物的深度。
2）垂直分辨率
垂直分辨率d理论上可采用电磁波主频波长的1/8作为垂直分辨率的极限，但实际应用时，由于受到外界干扰，一般将波长的1/4作为其下限，即：
此外，电磁波频率越高，d垂直与d水平越小，分辨能力越强。同时，水平分辨率d水平还随深度的增加而变大，水平分辨能力也随即降低。
2.3 地质雷达现场检测方法
在对道路地下病害进行地质雷达检测时，一般采用测量轮模式采集数据，测线常采用直线形、井字形或网格形（见图2）。
图2 地质雷达测线布置形式
3.1 典型道路病害雷达图谱特征
3.1.1 典型疏松区雷达特征
当道路地下病害体为疏松病害时，其地质雷达图像特征主要表现为雷达波信号以低频为主，雷达反射波同相轴不连续，波形呈现出杂乱无章、断裂、变形等特征，且整体振幅较大，强反射现象较为明显（见图3）。
图3 典型疏松区雷达图谱
3.1.2 典型富水体雷达特征
当道路地下病害体为富水体时，其地质雷达图像特征主要表现为雷达波信号频率低于背景场，雷达反射波同相轴连续，整体振幅较大，强反射现象明显，富水体顶部反射波与入射波方向相反，底部反射波与入射波方向相同（见图4）。
图4 典型富水体地质雷达图谱
3.1.3 典型脱空雷达特征
当道路地下病害体为脱空时，其地质雷达图像特征主要表现为雷达波在脱空区两端发生绕射，在脱空区上下界面产生较强的反射界面，形似平板状，同相轴连续，振幅较大（见图5）。
3.1.4 典型空洞雷达特征
当道路地下病害体为空洞时，其地质雷达图像特征主要表现为雷达波整体呈现双曲线型，双曲线上界面存在强反射波，反射幅值最强，空洞区两侧表现为曲线下滑的反射波，两端幅值逐渐减弱（见图6）。
图6 路基空洞地质雷达图像
3.2 典型雷达干扰源及其图谱特征
根据对地质雷达成果图谱的统计和分析，地质雷达干扰源分为地上干扰、地下干扰和电磁干扰等三类。其中，地上干扰包括路面车辆、过街天桥、路面井盖和防护栅栏等；
地下干扰包括地下管线、地下建筑、植物根系和地下墓穴等；
电磁干扰包括输电线路、道路路灯和广告屏幕等（见图7）。部分典型地质雷达干扰源雷达图谱如图8所示。
图7 常见干扰源
图8 部分典型干扰源雷达图谱
4.1 工程概况及测线布置
某城市道路位于城市中心区域，东西走向，双向9车道，该路段不仅地下管线密布，而且交通流量大。其中，南侧车道4条，北侧车道5条，南北车道之间设置有中间绿化带。为了保障该路段车辆行驶安全，降低道路病害和塌陷风险，对该路段道路进行地质雷达探测研究。对该路段共布置9条测线，每条车道各布置1条，测线长度均为320m，南侧车道测线方向由西向东，北侧车道测线方向由东向西（见图9）。
图9 探测区域及测线布置
4.2 探测结果
本次探测发现该路段道路存在地下疏松病害5处、脱空病害1处，且大多分布于地下管线附近，经分析主要是由于周边工程施工扰动和地下管线破损渗漏，导致地下土体逐步缺失松散，引起地下疏松和脱空病害现象。具体病害分布位置如表2所示。
表2 道路地下病害分布
4.3 处理建议
（1）针对一般疏松区，建议定期巡视探测，频率不低于1次/3月，定期探测频率不低于1次/6月。
（2）针对严重疏松区，建议加强定期巡视探测，频率不低于1次/1月，定期频率不低于1次/3月，必要时应及时进行处理。
（3）针对脱空区病害，建议及时注浆或开挖后分层回填夯实，处理前应加强定期巡视和探测，巡视频率不低于1次/15天，定期探测频率不低于1次/1月。
本文通过对地质雷达探测原理的分析讨论，介绍了地质雷达的基本理论和现场测试方法，并对典型病害类型进行了地质雷达图谱分析。同时，将周边环境干扰划分为地上干扰、地下干扰和电磁干扰三大类，给出了部分典型干扰源的地质雷达图谱，有助于今后类似地质雷达探测工程成果图像的辨识研究。此外，本文结合实例研究分析了该段道路的主要病害形式及形成原因，并给出了针对性的处理建议，可为类似工程的探测与治理提供一些参考。
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