基于探地雷达法的城市道路地下病害体探测

赵雨豪,陈宗刚,岳军民

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司,西安 710065)

0 前 言

地下病害体是指存在地表下威胁城市安全的不良地质体，包括脱空，空洞，疏松体以及富水体。通常地下病害体的道路会在人为或者自然的因素作用下出现不均匀沉降，由此在路面上形成一个塌陷的坑洞，对居民人身安全和财产带来了严重的威胁。目前地下病害体探测方法主要有3种：地震映像法、探地雷达法和高密度电阻率法。地震映像法是最早应用于地下病害体探测的方法，原理是由地面产生地震波向地下传播，通过接收地下目标体的反射波信号从而确定其的空间位置，其准确性与地下介质的波阻抗差异有关；探地雷达自2000年以来广泛应用于各类地下目标体探测，主要原理是电磁波在地下传播时分界面会形成的强烈反射信号，可完成对地下目标体的探测，进而确定其地下方位，探地雷达法具有便携、实时、精度高等优点，但容易受周围环境的电磁干扰；高密度电阻率法是近年来发展的一种新型的电阻率测试方法，它将以介质间的导电性差异为探测基础，拥有较高的测点密度，虽一次采集可获得丰富的地质信息，但高密度电法需要将铜棒电极插入待检目标中,确保两者耦合。针对城市道路存在车流量大且周边建筑物密集的特点，采用单一物探方法在道路地下病害体的探测中存在干扰较为严重，探测精度不佳的问题。本文在分析地震映像法、探地雷达法和高密度电阻率法3种常用探测方法的特点后，提出以探地雷达法为主，地震映像法为辅助的组合城市道路地下病害体探测方法，在不破坏路面的情况下，减少车流量与周围建筑对探测的干扰，提高探测精准度[1-8]，为城市地下病害体的治理提供可靠的物探依据。

1 概 况

西安地铁公司为了优化城区交通环境，消除隐患对人民生命财产的影响，开展对地铁所涉区域进行隐患排查的探测任务。根据任务要求，本次探测针对地铁站点及区间的城市道路，需查明道路下方存在病害体的具体位置和影响深度等信息。本次探测区域位于西安地铁五号线某地铁站及其沿线区间，区域内在大量公共场所。由于此前进行地下轨道交通的开挖施工以及路面车流量较大等原因，地表已经出现了较为明显的路面沉降，道路两旁围墙等建筑产生了一定程度的开裂(见图1)。此次通过物探方法对地下0～5 m区域地质情况进行勘察，查明地下病害体的空间分布范围，为后续道路病害体的治理提供可靠的依据(见图2)。

图1 路面不均匀沉降

图2 探地雷达现场探测

2 物探方法原理及误差分析

城市地下轨道交通的沿线商业活动较为频繁，在勘察过程中受到人工干扰的情况非常严重。由于市区内的工程地质具有相当特殊性，现场使用的物探方法必须满足探测分辨率高和抗干扰能力强这两个要求。根据任务要求，此次物探方法选择以探地雷达法为主，地震映像法为辅助的探测组合。并且为了减少误差并确保勘察工作顺利进行，此次探测均在夜间进行。

探地雷达的工作特点：首先将高频电磁波作为媒质，然后通过发射机产生高频电磁波并且利用发射天线(T)向外辐射电磁波。工作状态下，发射天线电磁波的波束角为60°～90°向地下发射高频电磁波。在地下的传播过程中，电磁波遇到不同介质时会产生反射与折射，被设置在某一固定距离(X)的接收天线(R)接收，所以当探地雷达发射的电磁波在空气、电缆和土壤等不同的介质中传播时，会在不同介质的分界面产生能量较强的反射信号(见图3)[9-13]。

图3 探地雷达探测原理

工作过程中，显示器上实时显示基于脉冲反射波形式的雷达图形，黑色和白色分别代表波形的正负峰，当然也可以根据实际用灰阶或彩色表示。室内对原始雷达图像进行滤波降噪等处理，然后根据反射脉冲波形的波动程度解译地质情况。反射脉冲波形主要由发射脉冲波的能量、波在地质界面上的反射特性和波在地下介质中传播时的衰减情况决定。物性界面的波阻抗决定了反射特性，一般用反射系数描述，图4为雷达波形记录[14-17]。

图4 雷达波形记录

地震映像法的主要特点是工作时的偏移距相同，然后逐步移动激发点与接收点来接收地震信号。连续扫描地层或目标体并处理分析采集的地震波信息，地震波的波形变化反映了地下介质的变化。在对异常信号区进行验证时，地震波传播遇到不同性质的地层分界面或地下病害体时，会产生反射波或折射波返回检波器[18-20]。室内对信号异常区的地震波数据进行数据处理，得到地震映像深度剖面。分析深度剖面的特征形态，得到了地下目标有效信息。地震映像法探测原理见图5。

图5 地震映像法探测原理

3 地质及地球物理特征

3.1 地质条件

工作区所处的大地貌单元为关中平原，地形总体平坦。探测范围内地层自上而下依次为沥青混凝土路基，厚度约0.4～1.0 m，电磁波速度0.12～0.15 m/ns；第四系全新统人工填土，晚更新统风积黄土，厚度约10.0 m，电磁波速度0.095 m/ns。其余残积古土壤，冲积粉质粘土砂及中更新统冲、积粉质粘土、中砂等地层未在探测范围内。

根据前期勘查报告显示，地铁沿线土体以粉土、粉质黏土为主。当出现土体疏松时，内部多呈蜂窝状结构，外部施加压力后易出现压缩变形、固结沉降变形，且在水流冲刷及路面震动后，易发生坍塌形成空洞病害。

3.2 地球物理特征分析

此次探测的地铁站点和区间总体上地质雷达波波形清楚，反射能量较强，但在部分地段出现了不同规模的异常信号。经过分析，地下病害体深度位置在行车道大多位于路基混凝土与沥青路面以下，规模大小不一。地下病害体的上界面一般不平整，上界面为根据电磁波速度反演推算的反射界面，可能与实际存在一定的误差。由于空洞位置电磁波速度大于周围土体，约为周围土体的1.5～3.0倍，在计算过程中按2.0倍考虑。

4 病害体探测及成果解释

此次探地雷达法和地震映像法以同线勘探的方式，对地铁站点及区间进行地下病害体探测。其中探地雷达使用的是发射接收一体化天线，频率为200 MHz，参数设置包括叠加次数设置为10次，采样点数选择512点，采样长度480 ns；地震映像法设置的偏移距为3 m；采样间隔0.2 ms；采样点数2048；检波器主频100 Hz。根据JGJ/T 437-2018《城市地下病害体综合探测与风险评估》[21]与现场实际情况，现场测线的布置间距为2.5 m。

4.1 地球物理特征分析

初次探测完成后，室内经过数据处理圈定出异常信号。随后结合现场踏勘和地下管网资料，将地下管线等人工构筑物进行引起的疑似病害体异常信号进行剔除，避免误判为空洞，然后利用地震映像法和探地雷达对异常信号进一步验证分析，并确定其病害体类型、尺寸范围、影响深度和中心坐标。

主要判断依据包括以下几点：一是各土层、基岩反射波呈现出同相轴的特点，将路基和土层界面区别出来；二是当土层比较稳定且较为致密，那么它的波形特点是同相轴连续，并且反射得清晰连续，整体波形呈规律性的衰减；若此时土层界面发生错动，则会呈现出同相轴的错动；三是当土层比较松散时，地震波的特点是同相轴不连续或者丢失，同时波形较为紊乱，衰减非常迅速，并且波形的振幅变小；在频率域上的特点是频率杂乱，由于土层松散区的介电常数小，因此其雷达波呈现出强反射，雷达波组多且能量强，不连续；四是空洞的弧形反射是其在地震波和雷达波区别于土层松散区的主要特点。

4.2 综合解释成果

1、2线位于地铁区间道路，总体呈东西向。区间探测以三维探地雷达为主，根据地震映像和探地雷达对区间道路下深度为5 m内的空间范围进行探测。在1线365～368 m与2线775～777 m两处雷达波同相轴不连续杂乱分布，多次波较明显，绕射波较明显在横向上分布有间断，能量不均匀，在水平切片上可以清楚看出病害体的投影面积(见图6、7)。此处地下区域产生多组较强的反射雷达波，能量比较强，存在多次波震荡，波组出现扭曲。地震映像法验证显示异常信号区波形结构变化较大，同相轴上凸和下凹现象较明显，地震波历时延长，说明该区域地层受到了扰动，界面分层不清晰。因此推测这两处病害体类型为一般疏松体，其松散区延伸至路面结构层。1线病害体最浅埋深0.3 m，最深约1.4 m，面积为1.6 m2；2线病害体最浅埋深0.5 m，最深约1 m，面积为1.1 m2。

图6 1线地下病害体综合解释

3、4线位于地铁站，根据探地雷达结合其他资料对地铁站周边地下5 m内的空间范围进行了探测(见图8、9)。在9线的8～18 m和4线的174～176 m两处雷达波整体振幅增强，多次波明显，顶部反射波与入射波同向、底部反射波与入射波反向。其中3线异常体反射波表现为正向连续平板状；而4线异常体顶部形成连续的同向性反射波组。根据地震映像法显示两处异常体所处地层的频率低于背景场。其中3线的第7至14道同相轴出现下凹现象，局部有散射；4线的第14至17道同相轴分叉。因此判断3线病害体类型为空洞，最浅埋深0.6 m，最深约1.8 m，面积为18.8 m2；4线病害体的上方路基波形近水平且连续，因此判断4线病害体类型为脱空，最浅埋深0.3 m，最深约1 m，面积为1 m2。

图7 2线地下病害体综合解释

图8 3线地下病害体综合解释

图9 4线地下病害体综合解释

4.3 成果验证

为了更准确地检验出探地雷达法的精度，除了地震映像法复核以外，还采用最直接的钻孔验证。钻探手段对复核出的地下病害体进行抽检，主要是针对脱空和空洞这两类病害体。经过现场钻孔，此次探地雷达法探测出的的病害体真实存在。这表明此次探测已经达到预期目标(见图10)。

图10 地下病害体钻孔验证

5 结 论

(1) 通过现场探测，使用天线频率为200 MHz的探地雷达能够快速查找出异常信号区，在辅助以检波器频率不超过100 MHz的地震映像法共探测出4处病害体，其中最大埋深1.4 m，最小埋深0.3 m。

(2) 城市道路的地下病害体探测面临复杂的场地工程环境，因此选择合适的物探方法至关重要。探地雷达所具备的便携、实时、精度高的优点,并结合地震映像法抗电磁干扰能力的特点能够准确判断城市道路地下5 m范围病害体的空间位置。

探地雷达法和地震映像法二者组合进行地下病害体探测是一种行之有效的高分辨率物探方法，均可取得了清晰的图像，满足了勘察任务所要求的精度。