兰州市道路地下病害体探地雷达图像解译分析*

房巨山，王君玲

(中煤航测遥感集团有限公司，陕西 西安 710199)

0 引言

随着兰州市地下空间开发力度不断增强，城市地下轨道交通、大型建筑物的地下基坑等对周边浅层地质造成扰动，造成周边土质的不稳定性增加；受厄尔尼诺现象影响，近年雨量增加，进一步加剧了以湿陷性黄土为主的兰州市浅层地质结构的不稳定性；由于城市规模扩张，原有市政设施设计能力无法满足要求，部分设施超期运行，地下给排水、热力管道均不同程度存在破损渗漏，对局部地下土质的侵蚀冲刷，导致兰州市近年来道路塌陷事故不断，对人民群众的生产生活和的生命财产安全造成了巨大的影响。甘肃省和兰州市政府对此高度重视并采取了一些对应的措施：一是出台了《兰州市城区道路地质安全突发事件应急处置办法》，二是决定在城区开展地下病害探测普查[1]。以此建立地下病害体数据库，做到防患于未然，从根本上降低事故发生率。

由于地质环境的区域多边性及复杂性，目前国内外对探地雷达图像的解译[2]并没有总结出可供遵循的规律、规范与标准化图像解译理论，技术人员仍然依靠工程实践经验进行解译。本文依托兰州市道路地下病害体探地雷达图像丰富资料，分析总结了该地区地下病害体图像特征规律，为本市全面开展城市灾害探测调查积累了宝贵经验，也为其他地质环境类似的地区进行地质灾害探测提供了重要参考。

1 探地雷达基本原理

探地雷达[3]方法是一种用于确定地下介质分布的广谱电磁技术。探地雷达利用一个天线发射高频宽频带电磁波，另一个天线接收来自地下介质界面的反射波。电磁波在介质中传播时，其路径、电磁场强度与波形将随所通过介质的电性质及几何形态而变化。因此，根据接收到波的旅行时间(也称双程走时)、幅度与波形资料，可推断介质的结构。

探地雷达方法，发射天线与接收天线之间距离很小，甚至合而为一。当地层倾角不大时，反射波的全部路径几乎是垂直地面的。因此，在测线不同位置上法线反射时间的变化就反映了地下地层的构造形态。天线在地表接收从地下传来的回波。因为，在介质中传播的电磁波，当遇到介电常数不同的两种介质或被测目标体，其一部分电磁波会反射回地面，并被探地雷达所接收，并加以分析、研究。由于介质形态不同，电磁波传播的路径、波形等就不同，所以可根据电磁波传播的时间、波形、振幅等资料，分析出地下目标体或者界面的空间位置。

2 物探作业

2.1 作业区域及内容

本次探测作业区域：西固区、七里河区大部、城关区(中央大道以南)主干道、辅道、人行道，以及道路两侧铺装路面及金轮广场、五泉广场下的各类病害体[4](见图1)。

图1 工作区域示意图(02包段)Fig.1 Schematic diagram of working area (package 02)

2.2 物探设备

1)二维探地雷达：MALA/GX160 MHz，天线频率为中心频率160 MHz屏蔽天线；

2)三维探地雷达：MALA/MIRA200 MHz，天线频率为中心频率200 MHz屏蔽天线。

2.3 探测技术要求

2.3.1 探地雷达仪器主机

1)系统增益不小于150 dB；

2)信噪比不低于120 dB，最大动态范围不低于150 dB；

3)系统应具有可选的信号叠加、时窗、实时滤波、增益、点测或连续测量功能；

4)应具有位置标记功能；

5)计时误差不应大于1.0 ns；

6)最小采样间隔应达到0.5 ns，A/D转换不应低于16 bit；

7)工作温度：-10 ℃～40 ℃；

8)具有现场数据处理功能。

2.3.2 探地雷达天线

地面探测时应同时配置不少于两种不同频率的天线，频率范围要求为：一种为200-400 MHz，另一种为80-100 MHz。

2.3.3 探测深度

地下病害体的有效探测深度为5 m。

2.3.4 探测目标

主要目标是空洞、脱空、疏松、富水4类病害，探明其中心位置、范围、深度、风险等级等空间位置和属性信息。

2.4 探测方法

物探采用探地雷达方法为主，对城市道路行车道、辅道、人行道及道路两侧至第一排建筑物的路面进行全覆盖探测。

2.4.1 探测布线

行车道、辅道以三维雷达和二维雷达进行全覆盖探测，三维雷达的测线不大于2.5 m，二维雷达的测线宽度不大于1.8 m。人行道、道路两侧至第一排建筑物的路面以及三维雷达无法到达的小路，则采用二维雷达进行探测，测线宽度不大于1.8 m。对疑似病害体异常区域进行复测，布线方案见图2。

图2 异常区域复测线布置示意图Fig.2 Layout diagram of repetition survey line in abnormal area

2.4.2 雷达探测异常区验证

对解译出的雷达异常图像全部实地验证，其工作以多个作业组联合探测、背包型钻机钻探检验等方法进行验证。典型实例验证如下：

1)4-028空洞。该空洞[5]位于彭家坪第二小学支路(北向南右侧第一车道)兰州高能石化设备公司门口向北10 m处，道路表面完好，根据雷达剖面(见图3)分析，异常处顶部雷达图像反射信号能量增强，反射波振幅明显增大，且顶部相位呈现正负正(白黑白)，符合依据雷达图像正负相位特征识别空洞顶部的条件。通常由于空洞顶界面可能凸凹不平，所以顶部同相轴有一定程度的起伏弯曲现象，该异常处雷达图像顶部同相轴弯曲现象比较明显。加之空洞内部空间部分填充空气，该异常顶界面下部多次反射波比较发育，侧壁也出现了明显的多次反射波组，边界以及侧壁附近也伴随出现了明显的绕射波。根据以上雷达图像的现象和特征判断该异常为空洞；经现场复测和钻探验证，空洞范围：0.8 m(平行车道)×0.6 m(垂直车道)，净深0.57 m，顶部埋深0.18 m。

图3 4-028空洞雷达图像Fig.3 Cavity beneath road 4-028 radar images

2)4-018脱空。该脱空[6]位于七里河区西站西路食唐火锅门口由南向北人行道，现场地面完好，无明显下沉。根据雷达剖面(见图4)分析，异常区雷达图像反射信号能量强，反射信号的频率、振幅、相位变化异常明显，异常顶部相位呈现正负正(白黑白)，下部多次反射波明显且规则，判定为脱空，经现场复测及钻探验证，脱空其范围：3.5 m(平行车道)×3.8 m(垂直车道)，净深0.26 m，顶部埋深0.2 m。

图4 4-018脱空体雷达图像Fig.4 Void beneath road 4-018 radar images

3)3-003疏松及富水体。该严重疏松位于西固东路与牌坊路交叉路口由西向东车道，现场地面明显下沉；根据雷达剖面(见图5)，异常处顶部雷达图像反射信号能量增强，反射波振幅明显增大，能量增强，现场地面轻微下沉。南北方向和东西方向的雷达波谱[7]下部有多次反射波组出现，边界及侧壁附近也伴随出现了多次波。顶界面下方反射波形杂乱，随深度的增加，电磁波逐渐衰减。由于异常影响范围大，雷达图像信号特别强，判断该处异常为严重疏松。经现场复测验证，异常范围：4.0 m(平行车道)×2.5 m(垂直车道)，净深0.5 m，顶部埋深1.3 m。

图5 3-003疏松及富水体雷达图像Fig.5 Radar images of lossening and water-bearing structure 3-003

3 探测工作量

3.1 测区道路测线工作量

测区道路总长度为384.5 km。各类道路具体工作量，见表1。

表1 测区道路测线工作量

3.2 探测病害体成果

测区道路探测共发现病害体144个。主要病害体统计，见表2。

表2 主要病害体统计表

4 发育的病害类型和雷达图像特征分析

4.1 发育的病害体类型

根据测区内地下病害体的形态、工程特征和对地下安全危害程度的不同，可对测区发育的地下病害体进行分类，见表3。

表3 测区道路测线工作量汇总表

4.2 病害体雷达图像特征分析

道路下方土层中存在的空洞、脱空及土体疏松是本次病害体探测的首要目标。尽管空洞、脱空的形态各异、规模大小不同，但它们与周围土层之间存在明显的电性差异，在雷达剖面上产生相似的图像特征，如表现为双曲弧形的多次反射特征、反射波能量(振幅)的明显增强、或者反射波同相轴明显错断、不连续等。

在雷达剖面图像的解译中，采用对比的方法来识别反射波的特征。如波组形态的变化，包含反射波的波峰或波谷沿测线上的波形、连续性，有无绕射波、多次波，振幅强弱变化，反射波的相位特征(顶部界面的正负相位变化)，频率变化等。根据上述的雷达图像特征变化，可以确定道路下方有无异常，再根据异常形态雷达图像的不同进一步识别不同类型的病害体。通过对大量正常路面及144处病害体雷达图像的解译分析，总结出正常路面及典型病害体探地雷达图像特征[8]。

4.2.1 无病害体道路地下雷达图像特征

当道路下方结构完整无任何病害体时，雷达的反射波同相轴连续，振幅、相位和频率无明显变化，没有明显异常的强反射波组，表明道路下方结构层连续，周围土体介质均一。其雷达图像特征，见图6。

图6 无病害体道路雷达图像Fig.6 Disease-free road radar image

4.2.2 路面下主要病害体雷达图像特征

当道路下方有病害体时，反射波的同相轴会发生错断或剧烈变化，振幅、相位和频率发生明显改变，且多次波明显，其特征规律(见表4)：地下典型病害体的探地雷达图像特征。

表4 地下主要病害体的探地雷达图像特征

5 结论

本文依托兰州市道路地下病害体探地雷达图像资料，通过对道路地下空洞、脱空、疏松及富水体雷达图像解译分析，对比无病害体道路雷达图像，总结出病害体探地雷达图像判读特征如下：

1)空洞体：顶部雷达图像反射信号能量增强，反射波振幅明显增大，且顶部相位呈现正负正(白黑白)，由于空洞顶界面通常凹凸不平，同相轴表现为一定程度的起伏弯曲，在空洞顶部边界以及侧壁附近会出现明显的绕射波；空洞内部通常填充空气，空洞底部、侧壁往往容易形成明显、杂乱多次反射波组。

2)脱空体：通常发生在道路结构层与下方土体之间，脱空界面上往往形成强振幅反射能量，与空洞顶界面特征类似，顶部相位呈现正负正(白黑白)，反射波同相轴相对规则。在脱空病害的顶、底界面之间充填通常为空气，顶、底界面之间往往容易形成明显的多次反射波，边界以及侧壁附近也会出现明显的绕射波。

3)疏松体：一般疏松体反射波振幅能量相对背景有所增强，一般没有明显规则的顶界面同相轴，由于松散体内部充填不同性状的土体排列无规律，因此松散体内部在雷达图像上表现为杂乱的反射波：严重疏松体反射波振幅能量相对背景明显增强，比一般疏松体的反射波能量更强，一般没有明显规则的顶界面同相轴，并且松散体内部在雷达图像上表现为杂乱的强反射波。

4)富水体：介电常数较大，通常顶部形成强振幅反射波，顶部形成连续的反向性反射波组，频率低于背景场，衰减较快。