基于电磁原理的浅地表地质病害探测方法及应用

栗宝鹃，刘栋臣，王志豪，李国瑞，刘庆国

(中水北方勘测设计研究有限责任公司, 天津 300222)

1 引 言

随着城市地下空间开发强度的不断加大和利用程度的不断提高，对浅地表地质结构的稳定性也产生了一定程度的影响和破坏作用，因此，在许多城市道路地面塌陷事故时有发生，这不仅会造成严重的社会影响，还将影响城市运行秩序及生命财产安全。城市病害体是浅地表地质隐患的类型之一，主要是指存在于地面以下的空洞、脱空、疏松体、富水体等威胁城市地下安全的不良地质体[1]。近年来，在北京、大连等大型城市道路塌陷事件频繁发生[2-5]，因此，对浅地表地质病害进行定期、不定期探测并由此获得病害体、埋设物位置及类型等相关数据就变得尤为重要。

导致浅层地质不稳定性加剧的因素主要有两种：一是自然因素，即暴雨冲蚀路基导致的地下岩土体疏松、空洞、脱空、富水现象，及地面震动导致的地层失稳等；二是人为因素，即地下给水、排水管道埋设过程中造成的地层失稳问题，管道破损渗漏对周围岩土体产生的冲蚀、浸泡作用等。在浅地表地质病害探测与识别过程中，所选用的地球物理方法主要有地质雷达法、反射波层析成像法、地震映像法、高密度电阻率法、瑞雷面波法等[6-18]。探地雷达探测的基础电磁波传播理论，且具有“波长越短、光子能力越大、穿透能力越强”的特点，通过发射不同波长的电磁波实现对地下目标的有效探测。在市政道路隐患探测过程中，则主要采用“三维探地雷达普探、二维探地雷达详查、钻探成果验证”的技术思路，即从地质隐患成因出发，以地表、浅部土体等立体空间为研究对象，明确地质病害的类型及属性(位置、规模、埋深等)信息。

2 方法原理及特点

探地雷达(GPR，Ground Penetrating Radar)作为一种快速、无损、高分辨率地球物理探测设备在浅部地层勘探中发挥着重要的作用。当电磁波遇到存在电性(介电常数、电导率、磁导率)差异的地层时，就会产生反射、折射、绕射等现象[5,6]。反射回的电磁波信号被接收天线接收，通过分析反射波的双程走时、波形、振幅等特征来解译探测目标的位置和性质，最终对地质病害的类型及特征做出判断。

二维探地雷达与三维探地雷达探测原理相同，不同之处主要在于“天线”。二维探地雷达采用单一通道进行探测，且各测线相互独立，无法进行有效的拼接与组合，因此对目标的判读也只能通过单一垂向剖面，如要对目标进行综合判断，则只能借助垂直或相邻测线来进行验证。根据目前市场上已有三维探地雷达的型号，在15～38个通道之间可选，因此可在地下一定范围内进行覆盖，在目标判读方式上，不仅可借助与测线平行和垂直两个方向的垂向剖面，还可借助不同深度的水平切片，因此，探测效率与准确度均优于二维探地雷达。除上述区别之外，二维探地雷达和三维探地雷达还分别有各自的特点，在下文中将进行详细阐述。

2.1 多频可选的二维探地雷达

探地雷达的探测频率一般在4 MHz到11 GHz之间，由频带范围可知，其天线频率一部分属于无线电波，一部分属于微波。在频带范围之间，探地雷达综合考虑探测对象、探测深度及探测精度等多方面的因素，选择适当频率对目标进行探测。在探测过程中，二维探地雷达采用B扫描(横向扫描)方式进行探测，即在雷达天线沿测线移动的过程中，每隔一段距离记录一道反射信号，最终，将该条测线上所采集的波形进行叠加，以伪色彩或灰度图的形式进行显示。

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图1 阵列天线示意图Fig.1 Schematic diagram of array antenna

结合二维探地雷达仪器设备的特性及现场实施，主要特点总结如下：①频率选择灵活，即可根据探测目标和探测深度选择天线频率，由此获得高分辨率、高清晰度雷达图像；②抗干扰能力强，机械震动和中心频段以外的电磁信号均不能对探测结果产生影响；③方法适用性好，二维雷达拖动就可实现地下探测；④吸收衰减严重，二维探地雷达有多个主频可以选择，在采用高频电磁波对地下介质进行探测过程中，与地震反射波法相比较，地层介质中的电磁性差异为弹性波的2～3个数量级，因此地层界面上雷达波的反射系数可达15%～30%[19,20]，存在严重的吸收衰减现象。

2.2 阵列三维探地雷达

三维探地雷达以车载为主，其采集系统主要由阵列天线、主机、GPS定位系统、拖车系统四部分组成。三维雷达探测原理与二维雷达相同，不同之处在于天线系统。所谓阵列天线，指的是发射天线与接收天线分开且等距离交错排列(图1)，这样，一个接收天线可以接收到相邻两个发射天线发射的电磁波，由此实现剖面间距离接近电磁波主频1/4波长的理想状态。

三维雷达数据一般通过C扫描方式获取，根据三维雷达发射天线与接收天线的排列方式，两道数据之间的距离小于1/4波长，即利用二维雷达的B扫描方式，设定相邻测线间距小于最小波长的1/4，然后将一系列单道二维数据组合成三维数据体，由此实现二维到三维的转变。

三维探地雷达的主要特点如下：①采用阵列天线进行探测，即发射天线与接收天线分离且分别交错等距排列，采用这种方式可获得高密度、无拼接的三维雷达数据，为目标分析奠定基础；②由高密度数据采集获得的纵横向数据接近天线中心波长的1/4，可满足高分辨率的要求；③动态GPS(Global Positioning System, GPS)可对天线阵进行高精度定位，由此保证雷达数据的精确归位；④三维数据体可在获得纵向地层剖面的同时，还能获得任意深度的横向地层切片，由此实现对目标的精准、直观解译。

2.3 干扰信号判读

探地雷达的干扰信号主要分为内部干扰和外部干扰两种类型，仪器内部干扰主要指的是天线控制电路之间的干扰、收发天线之间的耦合干扰、天线盒震荡信号干扰等；仪器外部干扰主要指的是空中孤立物干扰、地表界面干扰、地下多次波干扰。探地雷达的信号收发主要是在一个三维空间进行的，仪器内部的干扰比较稳定，本部分内容只讨论外部干扰。

在了解各种外部干扰的类型及特征之前，首先要明确电磁波的传播路径。根据电磁波传播原理及雷达测线布设的特点，探地雷达接收到波的种类有以下几种(图2)：①空气直达波；②沿“空—地”界面传播的直达波；③地下界面产生的反射波；④临界面折射波；⑤场外电磁波。 其中，空气直达波、“空—地”界面直达波、地下多次反射波及场外电磁波被接收天线接收之后，常以干扰信号的形式存在，这些干扰信号会对探测目标的正确判读产生影响[8]。因此，电磁干扰信号主要分为空中孤立物干扰、地表界面干扰和地下干扰。

图2 电磁波传播路径示意图Fig.2 Schematic diagram of electromagnetic wave propagation path

空中孤立物干扰主要是指地面以上竖立物体，比如树木、路灯、高压线、钢支架、工程机械等产生的干扰，其中，工程机械，尤其是金属机械产生的干扰以强反射能量存在，钢支架产生的干扰能量较强，且以双曲形态存在。

地表界面干扰主要包括天线与地表之间的直达波、天线与地表耦合不好产生的干扰波、地表金属与非金属物体产生的反射波，地表直达波是空气与地面波阻抗产生的反射波，能量大、波形稳定、回波反射时间较短；耦合干扰指的是天线与地表耦合不好产生的散射现象，表现为振幅强、频率低、沿横向延续短等电磁剖面特征，这些散射波与系统发射电磁波有着相同的振幅和频率，因此会干扰甚至覆盖有效信号；地表金属体及水体产生的干扰信号很强，因此能量信号在时间轴上延伸较长，如不正确判读，则会对探测目标的正确解译产生影响。

地下多次波干扰主要指的是强反射界面产生的多次波，这些强反射界面主要有基岩面、不整合面、石膏层、灰岩等，其主要特征表现为形态一致、按时间等间隔排列。明确干扰源类型及特征，在雷达探测过程中，对干扰源，尤其是空中干扰的位置、离地面高度、干扰材质等要进行记录，以便在后期数据处理过程中进行人工剔除。

2.4 探测目标解译

在对干扰信号进行甄别和判读之后，以二维垂向剖面和三维水平切片为基础对探测目标进行解译。鉴于探地雷达剖面解译的基础是地球物理特征的差异性，因此，在三维雷达数据切片上均以“异常特征”的形式存在，仅能借助切片横向展布和上、下切片的变化进行初步判断，探测目标的详细解译过程还需借助二维雷达剖面联合进行。

对空洞、脱空等地质病害而言，空腔充填一般为空气，相对介电常数与周围填土体存在明显的差异性，在探地雷达剖面上表现为强反射波组，即振幅、频率相位变化异常明显，下部多次波反射明显，两端可能呈向下的弧形反射，表现为绕射现象。回填土层被冲刷之后与周围介质之间形成的空洞是产生塌陷的主要原因之一，与空洞或脱空相比较，垂向范围小且横向展布范围较大，探地雷达剖面上表现为强水平反射波。富水体主要是由管道泄漏等造成的土壤含水量增大，由此导致介电常数增大，由于空洞与回填土层之间存在明显的物性差异，因此形成强烈的反射波。由人工回填土造成的地质病害有回填不实和密实回填两种，其雷达反射波特征截然相反，回填不实的雷达剖面表现为强回波反射特征，回填密实的雷达剖面表现为弱回波反射特征。

3 案例分析

3.1 工程简介

某地区在持续强降水天气之后，路面塌陷频频出现，由此产生的浅地表结构失稳给城市交通产生影响，并导致地下设施严重破坏。为预防道路塌陷等次生灾害的发生，针对该区市内道路存在的地下空洞、脱落和疏松区等病害类型，本案例采用多频二维雷达及阵列三维雷达对浅地表地质病害进行探测，为核实探测成果的准确性，依照相关标准进行随机抽样验证。

采用车载三维探地雷达系统对浅地表地质病害进行探测，雷达型号为意大利IDS Stream-X，该型号雷达采用阵列天线进行激发和接收，天线主频为200 MHz，配备15个天线通道，每道记录样点数为512，采集时窗为100 ns，在采集过程中，定位主要采用RTK(Real-time Kinematic, RTK)高精度定位模式。在测线布设方面，测线尽可能覆盖整个探测区域，由此形成测区完整的三维数据体，以便可平面切片与纵向剖面联合对目标进行解释。

3.2 案例分析

3.2.1 脱空缺陷分析

根据《城市地下病害体综合探测与风险评估技术标准(JGJ/T437-2018)》[21]，脱空指的是地面硬壳层与地基土之间发育的具有一定规模的洞体。在地球物理特性方面，脱空内部的相对介电常数一般为1，填土体的介电常数一般在6到40之间，因此，脱空位置与周围填土体之间存在明显的电性差异。

图3分别为三维探地雷达水平切片(图3a)、沿测线方向垂向剖面(图3b)和垂直测线方向垂向剖面(图3c)。对三维探地雷达图像进行分析：垂向剖面(图3b、图3c)红框内上部反射信号能量较强，且振幅、频率、相位等变化异常明显，垂向剖面红框内下部多次反射波明显，且在异常右侧伴有绕射现象；从相应深度截取雷达切片(图3c)和对脱空(红框)展布范围及特征进行的分析可以看出，异常区范围较大，且连续性较好，展布形态清晰可见。

根据地球物理参数差异性及雷达图像特征，此处病害类型推断为脱空，从三维探地雷达图像(图3)可知：该处病害埋深约为0.45 m，净空0.15 m，由该深度的雷达切片可以看出，平行测线方向约为3.0 m，垂直测线方向为1.8 m，预测平面展布约为5.4 m2。

图3 脱空缺陷雷达图像Fig.3 3D GPR of void defect

对病害周边位置进行分析，由垂向剖面可以看出：脱空位置(图3b红框)下部信号能量比同深度其他位置要弱，不存在可辨识的振幅、频率、相位变化特征，分析可知，脱空位置的强差异性反射特征导致吸收衰减严重，对下部信号有效反射存在屏蔽作用，相应深度水平切片脱空位置周边无明显变化特征。

3.2.2 空洞缺陷分析

根据《城市地下病害体综合探测与风险评估技术标准(JGJ/T437-2018)》[21]，空洞指的是地下土体自然发育或人工形成的具有一定规模的洞体。空洞与脱空地球物理特性类似，不同之处在于空洞展布范围要大、埋藏要深。

图4分别为三维探地雷达水平切片(图4a)、沿测线方向垂向剖面(图4b)和垂直测线方向垂向剖面(图4c)。对三维探地雷达图像进行分析：垂向剖面(图4b、图4c)红框内反射信号能量较强，横向延展范围较大，振幅、频率、相位等变化异常明显，在探测深度范围之内未见明显反射波组，左右两侧均伴有绕射现象；从相应深度截取雷达切片(图4a)和对空洞展布范围及特征进行的分析可知，异常区范围较大，且连续性好，展布范围清晰可见。

根据地球物理参数差异性及雷达图像特征，此处病害类型推断为空洞，从三维探地雷达图像(图4)可知：该处病害埋深约为0.33 m，净空0.65 m，由该深度的雷达切片可以看出，平行测线方向约为7.0 m，垂直测线方向为1.8 m，预测平面展布约为12.6 m2。

对病害周边位置进行分析，由垂向剖面看出：较长的剖面右侧(蓝框)存在一处明显的弧形反射，推断为空中孤立物干扰所致；相应深度水平切片空洞位置附近无明显变化特征，在距离较远处存在异常现象，推断为不良地质体在水平切片上的反映，需借助三维垂向剖面进行初步推断后，再借助二维雷达进行复测，必要时进行钻孔验证。

图4 空洞缺陷雷达图像Fig.4 3D GPR of cavity defect

3.2.3 疏松体缺陷分析

根据《城市地下病害体综合探测与风险评估技术标准(JGJ/T437-2018)》[21]，疏松体指的是密实度明显低于周围土体的不良地质体，相对于周边土体，疏松体具有结构不均匀、密实度低、强度低、压缩性高等特点，因此，介电常数与周边介质也存在差异性。

图5分别为三维探地雷达水平切片(图5a)、沿测线方向垂向剖面(图5b)和垂直测线方向垂向剖面(图5c)。对三维探地雷达图像进行分析：垂向剖面(图5b、图5c)红框内整体反射波能量较强，红框内上部为连续的同相轴反射波组，红框内下部反射杂乱且多次波反射明显，且两侧有绕射波存在；从相应深度截取雷达切片和对疏松体(图5a红框)展布范围及特征进行的分析可知，异常区范围虽大，但内部连续性差，呈现出凌乱的特点。

图5 疏松体缺陷雷达图像Fig.5 3D GPR of loose body defect

根据地球物理参数差异性及雷达图像特征，此处病害类型推断为疏松体。该处病害埋深约为0.88 m，由该深度的雷达切片可以看出，平行测线方向约为4.0 m，垂直测线方向为1.8 m，预测平面展布约为7.2 m2。

对病害周边位置进行分析，由垂向剖面看出：较长剖面与疏松体相邻位置的下部(蓝框内)反射杂乱，且可辨存在两处弧形反射，其中，弧形反射推断为空中孤立物干扰所致，在进行剖面解释过程中要进行剔除；对背景杂乱反射，因频率与现场条件限制，难以根据相应深度的地层切片确定为异常，需改用频率较小的二维探地雷达并加密测线进行推断，必要时借助钻孔资料进行验证。

3.2.4 综合分析

详查采用瑞典MALA地质雷达进行，在实施过程中，分别从平行(图6a)、垂直(图6b)道路方向对脱空位置进行二维雷达复测。综合考虑探测深度、探测精度及郑州雨后地层富水等情况，这里选用100 MHz雷达天线进行探测，由此在确保探测深度的同时，还能确保获得探测精度较高的剖面。由二维雷达探测结果(图6)可知，在与三维探地雷达相对应的位置，存在明显的反射异常，同相轴错断明确可见， 振幅、频率和相位变化清晰可辨。在相应位置进行钻探验证，其结果与预测相吻合。

图6 脱空位置二维雷达复测Fig.6 2D GPR resurvey of the void position

4 结 论

从探测方法方面来看：对二维探地雷达和三维探地雷达而言，虽探测原理相同，但仪器设备及现场实施存在差异性，因此又具有不同的特点：三维探地雷达天线频率选择的余地虽少，但具有可车载施工、阵列式天线及二维剖面与三维切片协同解译等特点，因此可高效率、高精度、高准确度对目标进行识别，但对探测对象深度及特性要求较高；二维探地雷达虽拖曳式现场施工，且只能通过二维剖面对目标进行解译，但在频带范围之内有多天线频率可选，因此可操作性强、灵活性好。因此，三维探地雷达与二维探地雷达可取长补短，协同实现浅地表地质病害探测。

从探测目标方面来看：对空洞、脱空、疏松体等浅地表地质病害，其相同点是均与周围填土层存在地球物理参数的差异性，不同之处是差异值大小不同、地球物理特性不同，除此之外，在探地雷达结果解译的过程中，容易受到干扰信号的影响。因此，在探测过程中，除根据周边环境因素来加强干扰信号的甄别之外，还要结合空洞、脱空、疏松体的特点，辅助进行探测目标解译，最重要的是，为增强探测结果的准确性，必要时需采用钻探方法对推断结果进行验证。