探地雷达检测高速公路隐伏空洞方法研究

仲丛明，薛永军

（山西省第三地质工程勘察院，山西晋中030620）

1 引言

近年来，探地雷达作为一种高精度、快速的无损探测技术，已广泛应用于桥梁、隧道和公路等病害检测中[1～3]。但由于空洞洞底堆积松散物对雷达波的吸收和散射作用，无法形成有效反射，单一的雷达探测无法准确判断空洞或者脱空的具体高度，针对这种情况采取探地雷达平面探测，背包钻机垂向验证相结合的勘测方式，既探测了隐蔽空洞的范围、规模，又揭露了空洞的垂向高度。并基于实践分析研究了各种干扰物和空洞的电磁波反射特征。

2 地球物理特征分析

高速公路垂向上基本分为沥青路面、基层、底基层、沙石垫层和黄土（路基）5 层。其中，沥青路面、基层和底基层等坚硬结构形成结构层，沙石垫层和黄土为松散层。水侵蚀作用下黄土湿陷或者流失形成空洞，其上部沙石垫层随即垮落至洞底，因此，洞顶往往是结构底部，但也存在部分沙石黏结在结构层上未完全垮落的现象。洞底为垮落的沙石和黄土堆积，起伏不规则。

不同的结构层层状分布清晰连续，具有不同的电磁物理性质，如导电性、介电常数等，这种物性差异就是物探工作的理论基础和物理前提，也是物探资料进行地质解释的根本依据[4～6]。电磁波由一种介质进入另一种介质时会产生反射、折射等现象，使电磁波的特性参量如振幅、相位、极化、传播方向等发生变化[7]。公路结构层与砂石垫层的分界面稳定连续，接收的反射回波均匀、平滑，是一个良好的标志层。

空气的导电率为0S/m，相对介电常数为1，与其他固相物质物性差异非常明显，因此，当路基中存在脱空和空洞时，在空洞边界上会形成明显的电磁波反射，即在勘测剖面上接收到强反射回波，根据回波振幅、相位等变化程度即可推断下覆脱空和空洞的赋存状态。

3 干扰电磁波特征分析

3.1 护栏干扰电磁波特征

高速路边金属护栏连续不间断，桩间距一般2耀4m。从图1可知，护栏干扰呈半椭圆弧状，受距离限制明显，距离0.2m 以上浅部干扰消失。沿路探测时护栏连续不间断，成规律出现，在背景噪声消除时可以有效滤掉干扰波。

图1 护栏干扰电磁波特征

3.2 过往车辆干扰电磁波特征

勘测施工时车辆经过，会形成地面震动和电磁波双重干扰。车辆经过时干扰程度与探头距离和所载物材质有关。

该干扰源为大载重拖挂车，距离探头约2耀3m，在探测剖上浅部干扰几乎不可见，深部弱信号大增益区域形成斑点状干扰，与车经过时扰动探头有关（见图2）。

图2 过往车辆干扰电磁波特征

3.3 标示牌、电子屏幕、上行桥梁干扰电磁波特征

标志牌、电子屏幕和上行桥梁下方无管道、地基等设施，不存在深大空洞。根据干扰情况（见图3）看，纵向浅部干扰强度小，深部弱信号区域出现干扰波。干扰电磁波形态以干扰物为中心呈对称上凸弧状，弧形完整且光滑。干扰范围约距离干扰物两侧各10m，探头背离方向强度大于前进方向。干扰电磁波波形态类似空洞，但特征明显，波形完美，与天然形成的水毁空洞有明显区别。

图3 标志牌和桥梁干扰电磁波特征

4 地下埋设物电磁波反射特征

管道、涵洞、行人通道电磁波反射特征如图4～图6 所示。

沥青下界面、结构层和砂石垫层分界面、砂石垫层和黄土界面物性差异大，反射波清晰，同相轴连续，在剖面上形成连续、均匀反射层面。

已知管道材质为水泥管壁，管顶埋深0.8m，外直径0.2m，在其上部形成双回线反射波，下部反射波叠加，形态与顶界波相似，振幅强度随深度衰减直至消失。

金属物质的介电常数大，地表干扰物（铁丝）在反射剖面上形成连续自上而下的垂向反射波，振幅强度较大，横向范围小（见图4）。

图4 管道和地表铁质电磁波反射特征

电磁波到达涵洞衰减小时，接收的反射波强烈，涵洞规模大，内部反射波叠加、交错成网状；涵洞埋深大、路基垫层厚时，电磁波衰减大，接收的涵洞反射波仅显示出双回线反射波，呈上拱弧状，内部叠加不明显（见图5）。

图5 涵洞电磁波反射特征

正方形行人通道在勘测剖面上形成水平层状连续强反射界面，内部反射波与洞顶反射波平行，连续叠加。两侧边界存在下垂弧状散射，收敛明显，实际边界为水平强反射边界（见图6）。

5 空洞及脱空电磁波反射特征

脱空相对规模较小，异常反应为顶界反射波同相轴平滑，振幅大，底部存在下垂散射弧，边界收敛不明显，波叠加存在，但持续深度和强度较小（见图7）。

空洞洞顶反射振幅大，同相轴连续且平滑，一侧散射弧收敛，底部叠加波明显。揭露洞顶埋深0.65m，洞底埋深0.8m。另一侧边界收敛不明显，呈现同相轴界面连续，该处为临近空洞的脱空，远离空洞脱空程度减小至消失，电磁波相应的振幅减小，直到正常结构层和垫层的反射界面（见图8）。

图6 行人通道电磁波反射特征

图7 脱空电磁波反射特征

图8 空洞、脱空平面连续分布电磁波反射特征

空洞砂石垫层垮落，洞顶为底基层底部，洞底为垮塌黄土和砂石垫层，散乱不规则，起伏高差约1.2m。异常反应为顶界和离层位置反射波同相轴连续、振幅变大，边界收敛不明显，中部反射波同向轴错断。由于最大层位分辨率为姿/2，空气中电磁波波长约0.3m，因此，基层与底基层离层量（10cm）在电磁波反射剖面上无法区分，仅表现为振幅增强，叠加波振幅相应增大，衰减较小，在剖面上持续深度大，最大约2.5m，但该反射波为空洞和脱空之间电磁波叠加造成的，不代表空洞高度（见图9）。

图10 中3 处空洞相互连续，其反射波基本形态相似，洞顶振幅大，同相轴连续、均匀、光滑，两侧边界散射弧明显，下部反射波叠加，局部呈现点元式反射波，为砂石垫层垮落不完全引起的洞顶起伏和交错裂缝的反应。

图9 空洞与脱空垂向分层电磁波反射特征

图10 洞群交错分布电磁波反射特征

6 结论

1）针对高速公路隐伏空洞采取探地雷达与背包钻机相结合，边检测，边验证的施工方法有监测范围广、施工快、定位准、少误判、结果确切、获取数据全等优点，作为可靠科学的勘测方式值得推广。

2）分析了高速公路结构特点，隐伏空洞和脱空在结构层下部黄土层中，其上部松散砂石垫层垮落至洞底，空洞实际洞顶为底基层下界面，洞顶电磁波反射界面清晰，洞底反射波不明显。

3）通过实践对比研究，探地雷达检测公路的干扰因素各有其电磁波反射特征，可通过反射波振幅强度、相位、形态加以辨认和区别，能够有效提高隐伏空洞解译准确率，大大节省勘测时间和成本。

4）高速公路隐蔽空洞反射电磁波特征：洞顶反射波振幅增强，同相轴连续，正相位异常；空洞边界电磁波散射弧斜下与顶界面呈45毅角，与空洞相反相交；空洞内反射波叠加，振幅强度随深度减弱。