探地雷达在城市道路地下病害探测中的应用

韩 凯

（中交公路规划设计院有限公司， 北京 100088）

0 引言

随着我国对城市地下空间的大力开发，城市路面塌陷事故在一些城市呈高发趋势，由城市地铁施工引起的路面塌陷事故数见不鲜。路面塌陷具有突发性、隐伏性及多因性等特点[1]。路面塌陷会造成交通中断、地表建筑坍塌以及危及过往行人、车辆的安全等危害，给人们的生产生活造成严重的损失。因此采用适当的手段对对地铁施工区域上方路面进行地下病害探测显得尤为重要，根据探测结果对探测到的病害及时处治，可保障地铁施工的安全，消除路面塌陷的隐患，对城市道路的正常运营具有重要意义。

对城市道路地下病害探测的方法有很多，常用的方法探地雷达法，高密度电阻率法、地震映像法及瞬变电磁法等[2]。城市道路地下空洞的探测具有探测环境复杂，干扰因素多且要求高效率、短工期，探地雷达技术具有高精度、高效率低投入的特点，基于此本文针对青岛市地铁某在建工程项目，为避免地下空洞、疏松体等地下病害对地铁施工及周围环境产生不利影响，采用探地雷达法对地铁施工区域上方进行探测，查明地下病害体的位置及深度，为后续地下病害处治及地铁施工提供安全保障。

1 探地雷达法原理

探地雷达技术是一种利用高频电磁波探测地下介质分布的无损检测手段，它通过剖面扫描的方式获得地下断面的扫描图像。探地雷达通过在地面上移动的发射天线向地下发射高频电磁波，在地下旅行的电磁波遇到不同的电性界面时，就会发生反射、透射和折射。电介质间的电性差异越大，反射回的电磁波能量也越大。反射到地面的电磁波被与发射天线同步移动的接收天线接收后，通过雷达主机精确地记录下反射回的电磁波到达的时间、相位、振幅、波长等特征，再通过信号叠加放大、滤波降噪、图像合成等数据加工处理手段，形成地下断面的扫描图像。通过对雷达图像的判读，便可得到地下目标物的分布位置和状态。

2 应用实例

2.1 工程概况

青岛市地铁在建线路某区间地处市区繁华路段。地勘资料显示拟建场地属于侵蚀堆积缓坡、剥蚀斜坡及滨海浅滩地貌单元，地形自北向南缓倾，覆盖层以第四系填土、中砂层及粉质黏土为主，其下伏基岩为燕山晚期粗粒花岗岩，穿插细粒花岗岩及煌斑岩，局部受构造影响，各地层的力学性质变化较大。地勘资料显示，工程范围内地下水位埋深2.40～5.10m。

2.2 采集参数

根据本次工程的特点及任务要求，结合相关地勘资料成果分析岛本次探测采用美国劳雷公司生产的SIR-30E 型探地雷达，配套100MHz 屏蔽式天线探测指定区域5m 范围内的地下空洞、疏松体及富水体等地下病害的位置及埋深。

正式探测前，依据已有管线、地勘等资料选取试验场地，根据试验结果确定仪器性能及采集参数。

探地雷达测线方向沿地铁走向布置，以地铁施工中心线为中线向两侧探测范围内延伸，测线间距为2m，局部区域测线加密为1m 呈网格化布置，且保证每条行车道至少有一条测线。

现场采集方式为时间模式及距离模式，每10m 现场做1 处标记，通过打标的方式校准里程桩号。

2.3 资料解译

探地雷达法资料解释是根据获得的雷达数据剖面上同相轴的变化规律，雷达波的波形、振幅和相位等特征，结合现场环境及相关地质资料，来推测地下空洞、疏松体等地下病害体的过程。要获得准确的探测成果，需对各种病害的雷达图像特征及干扰特征进行明确。不同病害的地球物理特征详见表1。

表1 不同地下病害体的探地雷达特征

道路下方的空洞内部多为空气，因此电磁波从土体进入空洞内部，反射系数为正，空洞顶板与入射波相位相同，反射振幅强，且多次波发育，有时在空洞两侧可见绕射波发育。

疏松体是土和空气的混合体，由于空气的介电常数为1，因此其相对介电常数要小于周围土体的介电常数，当电磁波从密实土体进入疏松土体是其反射系数为正，会出现入射波与反射波相位相同的现象，土体不均匀程度会导致振幅强弱、同相轴的不连续及波形的杂乱程度的差异。

在城市中探测时，需排除不同类型的信号干扰，井盖、路灯杆及防护栏等会在雷达图像上反映，这就要求我们在雷达图像解译时将这些异常与目标异常区分开来，典型干扰源雷达图像实例如下。

图1 地表监测点雷达图像

在城市地铁施工中，常在道路上设置若干地面沉降监测点，监测点一般为现场钻孔后埋设，雷达图像上表现为曲率较大的尖的双曲线。

图2 中央防护栏干扰雷达图像

在城市道路中间有时会设置隔离防护栏，防护栏一般为铁质金属且以固定间隔设置，目前的探地雷达虽然大多使用屏蔽式天线，但是往往天线的屏蔽程度不够，因此雷达剖面也会将此目标信号记录，表现在雷达图像上为有规律的双曲线形态，且双曲线下方存在多次反射现象。

2.4 探测成果

根据雷达探测结果及相关资料分析，探测区域内共发现2 处由土体疏松引起的异常体。

图3 1 号异常体雷达图像

1 号异常体见图3 中黑色虚框内所示，在水平标尺10-25m，深度约1.5m～2.5m范围内，雷达图像表现为同向轴严重错断，波形杂乱，无规律，结合相关地勘资料及现场情况，此区域推测为土体严重疏松区域，局部存在空洞。

图4 2 号异常体雷达图像

2 号异常体雷达图像见图4 黑色虚框内所示，在水平标尺6～13m，深度约1～2.5m 范围内，同相轴缺失，反射能量弱，在水平刻度9～10m 范围内存在一井盖，结合现场实际情况，推测该区域为管线周围冲刷导致的土体疏松。

3 结束语

（1）本文介绍了利用探地雷达技术对地下病害探测的应用，针对青岛市地铁某线路建设工程项目，利用探地雷达技术对某区间地下病害情况进行探测，结果表明，部分路段存在土体疏松病害，根据探测结果提供的异常体的位置及范围，采取相对应的处治措施，可为地铁安全施工提供保障。

（2）在地下水位较浅地区，探地雷达探测深度十分受限，应综合考虑其他物探方法，增加探测深度，多种方法综合探测。

（3）城市道路探测中，地下管线、路灯杆、交通标志标牌等市政实施会成为探测的干扰因素，应充分识别此类异常的雷达图像特征，数据解译时予以避免。