探地雷达在治理城市塌陷区中的应用

施延昭，张国鸿

（1 安徽省地质实验研究所， 安徽合肥 230001；2 安徽省地球物理地球化学勘查技术院， 安徽合肥 230022）

探地雷达在治理城市塌陷区中的应用

施延昭1，张国鸿2

（1 安徽省地质实验研究所， 安徽合肥 230001；2 安徽省地球物理地球化学勘查技术院， 安徽合肥 230022）

探地雷达是利用宽带高频电磁波以脉冲形式来探测地表之下介质内部结构分布规律的一种地球物理方法。

探地雷达；高频电磁波；塌陷区；质量检测

0 引言

路面塌陷经过压密注浆治理后，需了解灌注的密实程度和完整性，一般可进行钻孔抽芯或进行无损检测。探地雷达法是进行路面质量检测的一种常用方法。然而在城区由于电磁干扰严重、人文活动频繁，探地雷达探测需用屏蔽结构的收、发天线进行。2015年3月合肥市地铁1号线马鞍山路地段在夜间发生路面塌陷，通过压密注浆治理后恢复了交通。为了了解塌陷区压密注浆工程质量以及塌陷区附近路面是否存在塌陷隐患，我们分别使用了100MHz、250Hz两种屏蔽式高频天线的探地雷达进行检测，检测结果认为：塌陷区通过压密注浆后，路基土体密实、完整，塌陷区附近路基不存在大面积的塌陷隐患。

1 探地雷达工作原理

探地雷达法（Ground Penetrating Radar Method）是利用探地雷达发射天线向目标体发射高频脉冲电磁波，由接收天线接收来自目标体的反射电磁波，探测目标体空间位置和分布的一种地球物理探测方法。其实际是利用目标体与周围介质的电磁波的反射特性，对目标体内部的结构和缺陷（或其他不均匀体）进行探测。当雷达系统利用天线向地下发射宽频带高频电磁波，电磁波信号在介质内部传播时遇到介电差异较大的介质界面时，就会发生反射、透射和折射。两种介质的介电常数差异越大，反射的电磁波能量也越大；反射回的电磁波被与发射天线同步移动的接收天线接收后，由雷达主机精确记录下反射回的电磁波的运动特征，再通过信号技术处理，形成全断面的扫描图（如图1）。

图1 探地雷达探测原理示意图Fig. 1 Schematic of ground penetrating radar （GPR）

1.1 高频电磁波在介质中传播速度

（1）当只考虑介质的介电性，忽略介质的导电性，高频（平面）电磁波的传播速度为：

（2）在导电介质中，即考虑介质的介电性，又考虑介质的导电性，且为平面电磁波时，存在两种情况：

（1）对于低损耗介质：

（2）对于良导体：

上式中，μ—导磁率；ε—介电常数；εr—相对介电常数；σ—电导率。

1.2 探地雷达的探测深度［2］

探地雷达通过发射天线（T）将高频电磁波由地面送入地下，经地层或目标体反射后返回地面，然后用另一接收天线（R）进行接收（图2）。电磁波旅行时为：

图2 探地雷达反射测深原理图Fig. 2 Schematic of GPR reflective sounding

由于屏蔽式高频探地雷达接收天线（R）与发射天线（T）相距很近，即x≈0，所以（4）式变为：

h≈0.5υt （5）

将（1）式代入（5）式，得：

当地下介质的相对介电常数为已知时，根据精确测得的电磁波走时t（ns），由（6） 式求出反射物的深度（m）。

2 城市塌陷区应用实例

2.1 工程地质概况

据合肥市马鞍山路高架桥工程场地勘察资料，路面之下的路基土具有五层结构。从上至下分别为：建筑土→粉质黏土→淤泥质粉质黏土→粉土→粉沙→砂质泥岩（图3）。其中，淤泥质粉质黏土分布于二里河的河道附近，它属于软弱层，它若流失，将会带动其上下粉质土发生移动，造成上层地基土的塌陷。

图3 塌陷区工程地质剖面Fig. 3 Engineering geology section of asubsidence

2.2 塌陷粉土的原因分析

塌陷区位于合肥市马鞍上路与航运巷交口南处（图4）。据调查，该地段北侧地下有近东西向的二里河经过，地下管网纵横交错。由于二里河改造为“U”型箱体结构，两侧土层不够密实，加之地下供水水管可能长期渗漏以及地下地铁1号线的施工，给该地段地基土带来流失和扰动，最终造成了地面塌陷。因此，除了应对塌陷区压密注浆的质量进行检测外，检测重点应放在二里河河道的两侧地段。

图4 塌陷区现场照片Fig. 4 Subsidence site

2.3 工程检测结果

2.3.1 检测结果

图5 探地雷达检测剖面布置图Fig.5 GPR inspection section arrangement

2.3.1.1 南北向检测剖面结果

图6、图7分别是5号剖面

图6 5号剖面250MHz天线探地雷达图像Fig.6 Profile 5 image of GPR with 250MHz antenna

图7 5号剖面100MHz天线探地雷达图像Fig.7 Profile 5 image of GPR with 100MHz antenna

检测范围为二里河两侧（包括塌陷区），检测剖面为南北向和东西向，测网密度为2m×2m，在二里河及其两侧，测线距加密至1m，见图5。250MHz和100MHz天线的探地雷达检测的图像结果，剖面位置见图5。两种频率检测结果的探地雷达图像反射特征几乎完全一致，主要表现为：位于剖面中部的23～38m处均出现强发射，两端点出现明显的绕射现象，反射波呈向上的弧形状，在强反射段的两侧区域均表现为平静的水平层状弱反射现象。据此探地雷达反射波的图像特征，我们认为：强反射区是二里河河道“U”箱体的结构引起；二里河道两侧地下介质呈水平层状，因为弱反射，所以介质上下为较均匀结构，不存在松散的空腔体。

图8 16号剖面250MHz天线探地雷达图像Fig.8 Profile 16 image of GPR with 250MHz antenna

2.3.1.2 塌陷区东西向检测剖面

图8、图9分别是横切塌陷区的16号剖面250MHz和100MHz天线的探地雷达检测的图像结果，剖面位置见图5。探地雷达反射波图像表现为同向轴连续的反射特征，没有出现强反射区域，说明地下介质比较均匀，也就是说塌陷区经过压密注浆后，地基结构密实、完整。在250MHz的反射剖面上2～3m处出现了局部强反射弧，此强反射弧是地表金属窨井盖造成的，在图9中窨井盖处却没有出现强反射弧现象，说明对于近地表的孤立体必须采用高频天线进行检测。

图9 16号剖面100MHz天线探地雷达图像Fig.9 Profile 16 image of GPR with 100MHz antenna

表1 正演模型Table 1 Forward modeling

2.3.2 正演结果（ 表1）

2.3.2.1 二里河河道正演

图10 二里河河道探地雷达正演结果图像Fig.10 GPR forward modeling image of the Erlihe stream course

图10是依据上述介质模型的正演结果。由图可见，在模型的河道位置探地雷达反射图像出现了强反射“U”型区，发射区内出现了多次反射现象；两侧为水平层状反射波，反映为正演模型的层状介质结构。因此，通过正演结果的反射波图像特征，佐证了我们在实际检测工作中推断二里河位置是正确的。2.3.2.2 路基土层中的空腔体

图11是模拟二里河南侧的塌陷区内路基土中存在一个空腔体的正演结果。由图可见，在空腔体位置，反射波同向轴发生错断，反射波能量增强，两端点出现明显的绕射现象。而实际检测结果的探地雷达反射图像在塌陷区内没有出现上述反射现象，说明塌陷区经压密注浆治理后，地基土完整、密实，治理质量良好。

图11 地基土中空腔体探地雷达正演结果图像Fig.11 GPR forward modeling image of an open-ended cavity in foundation

3 结语

评价地面塌陷区工程治理质量，使用探地雷达方法进行检测是行之有效的。对已发生的地面塌陷区周围是否存在次生塌陷灾害，首先要调查、了解导致地面塌陷的主要原因，然后对发生塌陷的源区四周作为进一步检测的靶区进行检测。使用探地雷达方法进行城市地面塌陷区的检测，由于城区电磁、人文活动的干扰，探地雷达天线必须是屏蔽式的。对于极浅部（小于1m）的灾害体，需使用大于200MHz的高频天线进行检测。

［1］ 曾昭发，刘四新，王者江，等.探地雷达方法原理及应用［M］.北京：科学出版社，2006∶8～16.

［2］ 李金铭.地电场与电法勘探［M］. 北京：地质出版社，2005∶443～447.GROUND PENETRATING RADAR APPLIED IN TREATMENT OF SUBSIDENCE IN A CITY

SHI Yan-zhao1， ZHANG Guo-hong2
（1.Institute of Geoanalysis of Anhui Province， Hefei， Anhui 230001， China； 2. Institute of Geophysical and Geochemical Survey Technology of Anhui Province， Hefei， Anhui 230022， China）

∶ Ground penetrating radar is a means to detect internal structure and distribution law of underground medium by broadband high-frequency electromagnetic wave， and has been widely applied in many fields such as hazard geology exploration， geotechnical survey and engineering quality inspection. This paper brought an example of the technique used in engineering quality inspection of treatment of city subsidence， by comparison of the detection result of the radar with two high-frequency antennas with 2D model forward modeling result， gave a definite conclusion on the treatment quality and whether a hidden subsidence exists or not.

∶ ground penetrating radar； high-frequency electromagnetic wave； subsidence area； quality inspection

P631.5

A

2015-01-13

施延昭（1987-），男，安徽宣城人，助理工程师，现主要从事地球物理检测工作。

1005-6157（2016）02-0117-4

它广泛用于灾害地质勘查、岩土工程调查和工程质量检测等众多领域。本文给出了一个在治理城市塌陷区的工程质量检测中的应用实例，通过两种高频天线的探地雷达检测和二维模型正演结果对比，对塌陷区治理质量以及是否存在隐伏塌陷隐患给出了明确的结语。