三维探地雷达技术在市政工程中的应用研究

赵 镨

（中国煤炭地质总局，北京 100038）

三维探地雷达技术在市政工程中的应用研究

赵 镨

（中国煤炭地质总局，北京 100038）

为了提高城市地下管线探测精度，对道路病害（尤其是空洞）进行提前预测，及时治理，避免或大大减少管线事故和道路塌陷事故发生，我们开展了三维探地雷达技术研究，并将其应用于城市地下管线探测、道路病害检测等市政工程领域。结果表明，由于三维探地雷达具有空间采样率高，成像准确，分辨能力强，解译技术手段丰富等优势，在城市地下管线探测、道路病害检测工作中应用效果显著。

三维探地雷达；管线探测；道路病害检测

0 引言

近年来，城市道路塌陷事件频繁发生。北京、大连、哈尔滨、深圳、广州、南京、合肥、长沙、南宁、太原等都出现过城区道路塌陷事件，轻则影响交通，重则造成生命财产的重大损失。特别是近5年来，全国范围城市道路塌陷灾害开始进入集中爆发期。因此有效防范和减少我国城市道路空洞塌陷灾害的发生，保护城市公众安全和城市的可持续和谐发展，道路空洞塌陷灾害的探测与防范治理已经刻不容缓。探地雷达作为一种非破坏性的探测技术，可以安全地用于城市建设中的工程场地，并具有较高的探测精度和分辨率，目前已在管线探测、道路病害探测等领域广泛应用。三维探地雷达是近年来发展起来的一项新技术，可以进行高密度、快速无缝扫描。与二维探地雷达相比，具有海量数据、真三维归位、地下物体真实还原等优势。近年来的实践表明，其在管线探测、道路病害检测等领域，效果显著。

1 探地雷达工作原理及特点

探地雷达是利用超高频脉冲电磁波探测地下介质分布特征的一种地球物理方法（Harry，2011）。其工作原理是，宽带脉冲发射天线将纳秒高压脉冲源提供的电脉冲信号转化为脉冲电磁场，并以脉冲电磁波形式射向目标体。宽带脉冲接收天线将来自目标体的反射脉冲电磁波转化为电脉冲信号传送给宽带采样器后，用显示器以时域方式显示出来，再经计算机处理后给出时域特性或频域特性显示。在雷达移动探测过程中，定时向地下发射脉冲电磁波，并不断接收到目标体的反射波,它们组成雷达剖面图像（曾邵发，2006）。通过对雷达图像的判读可确定目标体（管道、洞穴、埋藏物、地层等）的分布特征，包括空间位置、结构、形态和埋藏深度等，其在岩土工程勘察、水文地质勘察、工程质量检测、地下埋藏物探测、塌陷和岩溶勘察、矿产资源勘探和考古等众多领域得到广泛应用。

探地雷达方法有以下特点：①探地雷达剖面分辨率高，其分辨率是目前所有地球物理探测手段中最高的，能清晰直观地显示被探测介质体的内部结构特征；②探地雷达探测效率高，对被探测目标无破坏性，其天线可以贴近或离开目标介质表面进行探测，探测效果受现场条件影响小，适应性较强；③抗干扰能力强，探地雷达探测不受机械振动干扰的影响，也不受天线中心频段以外的电磁信号的干扰影响；④探地雷达反射法与地震反射法的基本物理限制不同：通常的地层界面地震波的反射系数相对较低，数量上只有百分之几，而地层介质中不同介质的电磁性差异通常为弹性差异的2～3个数量级，因而地层界面上雷达波的反射系数可达15%～30%；另外，导电性介质对高频电磁波具有强衰减吸收作用，因此，探地雷达探测在一些常见地质介质中的穿透深度非常有限。

2 三维探地雷达技术

2.1 三维探地雷达技术优势

与传统的二维探地雷达相比，三维探地雷达有如下技术优势：①采用三维阵列天线技术，可采集到高密度、无缝拼接的海量雷达数据，不会造成地下信息的缺失（图1）。②高密度采集获得的纵横向数据间距接近天线中心波长的1/4，满足高分辨率要求。③三维阵列式天线中，任何发射和接收天线的组合都是可能的，即任何发射天线辐射的信号都能被任何接收天线接收，这就做到了真三维采集，为将来全三维处理、解释提供硬件实现的可能。④三维阵列式天线发射脉冲频率一般可选择从200MHz到1300MHz，高频天线可做到超浅层的高分辨，低频天线可保证一定的探测深度。⑤三维雷达工作时，通过带基站动态GPS对天线阵进行高精度定位，控制精度可达到厘米级，这样能保证雷达数据的精确归位，得到真实、直观的解释图像。⑥轻便化设计，可以采用多种（车载、人力）形式进行资料采集，做到快速、便捷。⑦采用三维雷达专门的处理技术，可进行三维偏移，使地下目标体成像清晰、准确，成果为三维数据体，可进行任意深度水平切片展示。

图1 三维地质雷达天线阵列Fig.1 Antenna Array of 3D Geological Radar

2.2 采集、处理及解译技术

（1）采集技术

三维探地雷达采集系统由三维阵列天线、主机、综合定位系统、拖车系统4部分组成，为了在保证探测精度和解译成果真实、可靠的同时，提高现场工作效率，降低野外成本，针对不同工作环境和探测目的，需要对采集参数进行论证、对比试验和优化。经过数十个项目的采集试验对比分析，确定了主要采集参数如下：①发射脉冲频率：发射脉冲频率越高，纵向分辨率越高，探测深度越小，因此，当要求纵向高分辨率采集，而探测深度较浅时，如沥青路面结构、厚度探测，要采用高发射脉冲频率，一般用1000MHz以上；当要求分辨率较高，同时，深度相对较浅时，如管线探测，可采用，中等发射脉冲频率，一般用400MHz；当探测深度要求尽量大时，分辨率要求次之时，如道路下空洞探测，应采用低发射脉冲频率，一般用200MHz。②空间采样率：从探测精度来看，当然是空间采样率越高越好。然而，我们知道三维探地雷达数据是海量数据，一条50m宽的道路，采集10km的三维探地雷达数据，数据量达到400G，另外，空间采样率过高，也会限制采集行车速度，因此，空间采样率的选择要根据探测目的、要求精度、行车速度（采集效率）综合考虑，经过试验研究，空间采样率一般选6cm～14cm×2cm～5cm。③叠加次数：根据环境噪音情况经试验选择叠加次数，叠加次数越大，信噪比越高，但采集速度越低。经试验，叠加次数一般选4～8次。④车行速度：在不影响数据精度、可靠性的前提下，选择较高的车行速度，通过试验确定。一般选10～30km/h。

（2）处理及解译技术

三维雷达数据处理技术与二维雷达数据处理在地形编辑、数据格式转换、滤波等有相同之处，但在噪音压制、数据规则化、偏移方面又有所不同，它更强调在三维空间中进行。

本课题在三维雷达数据处理方面重点开展了拟地震资料处理、三维雷达数据偏移处理等的研究工作，取得了以下主要研究成果：①三维探地雷达数据的定位与转换：研究利用GPS轨迹计算各通道各数据道坐标的方法研究，利用VC语言，编制计算程序，实现各通道各道的位置计算，从而实现三维探地雷达各通道数据的定位。利用雷达通用处理软件，把三维探地雷达数据调入，为了与地震处理软件兼容，输出时选择IBM格式，将坐标相应地放大，以保证坐标小数点后二位的精度；并且把坐标植入SEGY数据的道头，设定了地震数据处理要用的相应道头，生成的SEGY数据为IBM16为整型格式，样点数与原数据相同，输出标准的SEGY文件。经地震处理软件解编，实现了与地震处理软件之间数据的转换。②三维雷达数据拟地震处理的模块选择与测试，测试内容有数据解编；道均衡模块测试及参数选择；滤波参数测试；反褶积模块及参数测试；三维噪声衰减模块选择和参数测试；三维偏移模块选择及参数测试；三维数据网格方法研究。③试验处理：对兰州西津西路下立交东口三维探地雷达数据进行了拟地震试验处理，下图为试验处理后从全叠加数据体截取的时间切片（上）和三维偏移数据体截取的时间切片（下）（图2）。对斯里兰卡管线探测工程进行了三维偏移试验处理，偏移后，能量得以聚焦，管线显示更加清晰（图3）。

图2 三维探地雷达数据拟地震试验处理成果Fig.2 3D Geological Radar data pseudo seismic processing

图3 三维偏移处理效果对比（上图：叠加剖面 下图：偏移剖面）Fig.3 Comparison of 3D migration(up:stack section down:migrated section)

三维雷达数据解译与二维雷达数据解译相比，技术手段更多，解译信息密度更大，自动功能更强。在垂直剖面方面，它可以在探测范围内沿任意方向切取剖面，可以进行类比解译；在水平切片方面，可以沿任意时间或深度切取属性切片。将垂直剖面与水平切片联合显示、联合解释，做到了地下异常的真三维显示与解译，可大大提高解释精度和可靠性。

3 应用案例

3.1 管线探测

通过三维探地雷达采集，可以获得6cm～14cm×2cm～5cm×1ns的GPR三维数据体，并以垂直时间剖面和水平时间切片联合显示的形式，能够对地下管线进行直观的显示。

图4 北京某实训场三维探地雷达1.5m深度切片图Fig.4 Depth-Section of 1.5 Meter in Beijing Trial Site

图5 山西省清徐县PE管探测Fig.5 PE Pipeline Survey in Qing Xu County Shan Xi

图4为北京一个实训场三维雷达数据在1.5m深度的切片图，可以清晰看到左右两根管线展布及在中部向下拐的显示，它清晰地反映了管线的真实形态。图5为山西省清徐县PE管探测，在信号探测范围内，PE管均有较清晰的显示。

3.2 道路病害检测

我国以往对城市道路病害探测以二维探地雷达技术为主（张英杰等，2015）。多年来的实践表明，二维探地雷达存在工作效率不高、横向分辨率低和多解性问题突出的缺点，而且探测成果的可靠性较差，这严重制约着该项工作的开展。为了提高工作效率和勘查精度，进入21世纪以后，探地雷达逐渐向多通道二维和三维采集系统发展，青岛电波所、大连中睿科技发展有限公司、美国劳雷公司等众多雷达研发、生产厂商均研制了二维多通道探地雷达采集系统，一般为2到5通道。而瑞典MALA公司、意大利IDS公司、美国三维雷达公司（原挪威三维雷达公司）相继推出了三维探地雷达系统。1990年起，日本在全球率先使用雷达探测技术，在全国范围内进行地下空洞调查，对一些大的、危险的空洞进行工程填补。之后，日本在各城市重点区域定期探测、巡查，一旦发现塌陷隐患，立时填补，并启动预案对周边加强检测。三维探地雷达技术推出后，日本又迅速引进该项技术，定期开展公路病害探测工作。由于采用了道路病害定期检测机制，日本东京由20年前每年大规模地陷次数多达20～25次，但最近20余年，东京却每年仅有一至两起大规模地陷，甚至数年未出现大规模地陷。

我们采用三维探地雷达技术分别在上海、杭州、长春、邯郸、南京、合肥、哈尔滨、兰州等地进行了公路病害检测工作，取得了较好效果（图6）。

3.3 道路结构探测

公路事业的快速发展对道路质量检测技术的要求越来越高。传统的检测方法随机性大,效率低,精度差,经济成本高,且具有破坏性,易导致道路破损加剧。探地雷达以其探测速度快、分辨率高、对探测对象无损害、可以得到连续成像信息等优点在浅层精细地层结构和隐蔽缺陷的高分辨率探测方面得到了广泛的应用（颜肖沙等，2014）,在开展道路结构检测方面取得了令人满意的效果。

图6 三维探地雷达探测道路病害（上图为空洞，下图为脱空）Fig.6 Road Hazards Detection by 3D Geological Radar (Cavity& Voids)

3.4 市政工程

采用三维探地雷达，在某地高铁沿线，对居民房屋建造时填埋多少土石方进行探测。原来水塘基底埋深，上部回填土厚度非常清晰，达到了非开挖探测的效果（图7）。

图7 三维探地雷达在市政工程中的应用Fig.7 Application of 3D Geological Radar in Urban Civil Works

4 结论

三维探地雷达是近年来发展的一项新技术，与传统二维雷达相比具有纵横向分辨率高，真三维归位成像效果好，管线及道路病害检测成像直观，无缝扫描且工作效率高等优势。三维数据体的任意深度切片使得最终的检测成果可以直观、细致的全方位展示出来。实践表明，其在管线探测和道路病害检测等方面效果良好。

Harry M. Jol, 2011. Ground Penetrating Radar: Theory and Application[M]. 电子工业出版社：2-24。

颜肖沙，黄律群，屠伟新，2014. 3D探地雷达在道路特殊检测中的应用[J]. 市政设施管理，(2)：5-6.

曾邵发，刘四新，王者江，等，2006. 探地雷达方法原理及应用[M]. 北京：科学出版社.

张英杰，马士杰，闫翔鹏，2015. 三维探地雷达在道路病害探测中的应用[J]. 山东交通科技，(5)：80-82.

3D Ground-penetrating Radar Technology Study on the Municipal Engineering

ZHAO Pu

(China National Administration of Coal Geology , Beijing 100038)

In recent years, the deaths and injuries caused by underground-pipeline accidents and road collapses have been increasing. It is believed that the underground-pipeline accidents and road-collapsing due to underground cavity are accountable for a huge direct loss of billions RMB and posing severe threats to both public society and human lives. To improve the accuracy of underground-pipeline detection and prediction of road damages(especially cavities) for the timely solving of the problems, we carried out a study on the 3D ground-penetrating radar technology and its application in urban-underground-pipeline detection and road-related hazards survey. The results showed very good responsiveness by outstanding features of the 3D ground-penetrating radar such as high sampling rate, accurate imaging, good resolution, and diversity of interpretation methods.

3D ground-penetrating radar; Pipeline detection; Road-related hazards survey

A

1007-1903（2017）03-0100-05

10.3969/j.issn.1007-1903.2017.03.0020

浅层地下空间勘查技术体系研究（ZMKG-2016-02）

赵镨（1963- ），男，硕士，教高，主要从事煤田物探技术、三维探地雷达技术研究工作。E-mail：zhaopu1964@126.com