探地雷达在路基缺陷检测中的应用研究

张焱森

（广州市市政工程试验检测有限公司 广东广州 510520）

0 引言

随着城市市政基础设施建设的逐步完善，后期的改扩建成为当下面临的新问题。市政给排水管线在建设及维修等过程中，由于施工过程中不可避免的因素，导致路面出现不同病害，诸如不均匀沉降、开裂、错台等[1-3]。而此病害的产生原因，多是在顶管施工过程中，路基土层出现了脱空、空洞、不密实等现象；或者是旧有排水管线，出现局部渗漏，带走路基中砂土形成空洞，进一步引发路面塌陷。

探地雷达法（Ground Penetrating Radar Method），作为一种具有轻便、检测效率高、分辨率高等优点的无损检测方法，在道路路基缺陷病害检测方面中，应用十分普遍[4]。本文以探地雷达对广州市区某市政道路进行雨水管施工完毕后路面病害检测为依据，对比了不同频率探地雷达对道路路基不同病害的反射信号差异，分析了不同道路病害的频谱特征，以及不同频率数据的不同处理方法，明确了不同频率探地雷达的适用范围，对后期路基病害探测工作提供了参考。

1 探地雷达检测原理与理论依据

1.1 探地雷达工作原理

探地雷达是以待检测目标体的介电常数与周边物质的介电常数存在差异为理论依据，利用探地雷达发射天线向目标体发射高频脉冲电磁波，由接收天线接收目标体的反射回波，探测目标体空间位置和分布的一种非接触式地球物理探测方法[5-6]。地层中的介质存在不同的介电常数，因此对不同频段电磁波的波阻抗不尽相同，反射回接收天线的电磁波能量发生不同程度衰减，利用其在探地雷达频谱中的频率特征来判断介质情况。

1.2 理论依据

电磁波的传播取决于介质的电性，介质的电性主要有电导率μ和介电常数ε，前者主要影响电磁波的穿透（探测）深度，在电导率适中的情况下，后者决定电磁波在该物体中的传播速度，因此，所谓电性介面也就是电磁波传播的速度介面[7]。不同的地质体（物体）具有不同的电性，因此，在不同电性的地质体的分界面上，都会产生回波，基本目标体探测原理见图1。

图1 基本目标体探测原理（图片来源：自绘）

1.2.1 电磁脉冲波旅行时间

式中：z-勘查目标体的埋深；x-发射、接收天线的距离（式中因z＞x，故x可忽略）；v-电磁波在介质中的传播速度。

1.2.2 电磁波在介质中的传播速度

式中：C-电磁波在真空中的传播速度（0.29979m/ns）；εr-介质的相对介电常数；μr-介质的相对磁导率（一般 μr≈1）。

1.2.3 电磁波的反射系数

电磁波在介质传播过程中，当遇到相对介电常数明显变化的地质现象时，电磁波将产生反射及透射现象，其反射和透射能量的分配主要与异常变化界面的电磁波反射系数有关：

式中：r-界面电磁波反射系数；ε1-第一层介质的相对介电常数；ε2-第二层介质的相对介电常数。

1.2.4 探地雷达记录时间和勘查深度的关系

式中：z-勘查目标体的深度；t-雷达记录时间。

2 工程概况

该区域路段现状为已建道路，交通状况较为复杂。新设管线为污水管道，长度3770m，管径D800～D2000，埋深3.00～9.60m，采用钢筋混凝土管，拟采用顶管施工。本次采用瑞典Impulse Rader公司生产的CO730型高动态双频探地雷达，中心频率分别为300MHz及70MHz，采用测距轮模式，道间距设置0.02m，采样点取600，沿新建管线两侧分别设置了两条测线，并根据路面状况对特殊路段进行了测线加密。

3 数据处理与图像解释

3.1 300MHz数据处理与解释

对300MHz剖面数据进行后期处理，其主要步骤分为：①静校正切除（时间零点校正）；②DC去直流漂移：去除零漂现象；③能量衰减增益：增强深部信号；④去除水平干扰：去除因驻波所导致的水平信号干扰；⑤巴特沃斯带通滤波：去除高低频干扰，保留有效信号；⑥滑动平均：去除毛刺信号干扰，使得图像更加平滑；⑦距离归一化：校正距离，减少里程误差的积累。然后调整对比度，使得灰度图强弱对比明显，凸出异常，处理结果部分病害见图2、图3。

图2清晰可见，在测线桩号40m，深度约1m位置，出现单支双曲线，此频谱特征说明下部埋设有管线；紧邻管线右侧电磁波反射信号幅值较强，同相轴不连续、错断，且相位杂乱，呈区域化分布，说明该区域土体受到扰动，出现疏松、不密实现象。

图2 管线周边不密实-300MHz（图片来源：仪器采集数据）

图3 路基脱空区-300MHz（图片来源：仪器采集数据）

图3 显示在测线桩号56～59m，深度约1m位置，电磁波反射信号幅值较强，呈近似水平的带状分布，且有多次反射信号。该处出现连续的脱空区，路基可能出现不均匀沉降。或者在地下水渗流及冲刷作用下，脱空区可能会有扩大趋势。

3.2 70MHz数据处理与解释

对70MHz剖面数据进行后期处理，其主要步骤分为：①重抽道：对道间距进行x方向重新采样；②静校正切除（时间零点校正）；③DC去直流漂移；④能量衰减增益；⑤去除水平干扰；⑥陷波/带阻滤波：在频率域执行陷波滤波；⑦巴特沃斯带通滤波；⑧重采样：在时间方向上重采样；⑨滑动平均；⑩距离归一化。最后调整对比度，凸出异常，处理结果部分病害见图4、图5。

图4 路基不密实区-70MHz（图片来源：仪器采集数据）

图5路基脱空区-70MHz（图片来源：仪器采集数据）

图4 中，在测线桩号60m，深度约1m位置，电磁波信号幅值较强，同相轴不连续、错断、相位杂乱，呈区域化分布，说明该区域土体出现空洞、疏松、不密实的病害，部分路段已导致路面不均匀沉降。同图2电磁波频谱所显示的病害特征相似。

图5中，在测线桩号110～122m，深约1.1m位置，电磁波反射信号幅值较强，呈近似水平的带状分布，且有多次反射信号，说明此处出现连续脱空区，病害已较为严重。结合现场实地勘查记录，此处因顶管施工，已出现路面沉降，部分部位路面开裂，且降雨入渗等因素也同样导致病害逐步恶化。该图特征同图3特征相一致。

由图2～图5电磁波频谱特征可见，在选择中心频率为300MHz的探地雷达进行路基病害探测时，分辨率较高，对于比较小范围的路基缺陷，都可以通过幅值的变化进行反馈，并通过频谱分析，得出缺陷的确切位置。但探测深度较浅，电磁波衰减较快，仅可达到3m左右。而中心频率为70MHz时雷达探测深度较深，可达6～7m，电磁波衰减较慢，但分辨率明显下降，对于比较小范围的缺陷，并不能准确反映出其位置，且灰度图清晰度下降，滑动平均处理对其频谱平滑度的增加并不十分明显。

对于不同中心频率电磁波采集信号，要用不同的处理步骤进行后处理，其原因在于：

（1）低频信号采集的电磁波，若现场采集道间距若设置过小，则使得采集道数过于密集，在测线方向上将频谱拉伸过长，导致缺陷或病害不容易直观显示，因此首先进行重采样。

（2）低频信号容易接收更多的水平驻波，此类波仅通过巴特沃斯带通滤波并不能有效去除，对异常信号的判断影响较大。因此，增加陷波/带阻滤波处理，可有针对性滤除部分驻波信号，以便对有效的缺陷信号更好的分析处理。

4 结论

探地雷达在对路基病害进行检测时，根据实际探测深度需求，选择合适的中心频率，是十分重要的。路基存在不密实缺陷时，电磁波反射信号幅值较强，同相轴不连续、错断，且相位杂乱，呈区域化分布；而当路基出现脱空病害时，电磁波反射信号幅值增强，呈近似水平的带状分布，且有多次反射信号。因此，当电磁波频谱中出现上述两种情况，可判定为路基病害。

对于探地雷达采集信号的后期处理，高频与低频稍有区别。对于低频信号，存在较为明显的水平层状驻波信号，需要经过陷波滤波，对干扰信号滤除。同时，带通滤波的频率选择，也是至关重要的。