基于双频天线探地雷达技术的地下病害探测研究

黄小林 HUANG Xiao-lin

（湖南联智科技股份有限公司，长沙 410200）

0 引言

随着城市地下空间的不断发展，城市路面塌陷事故频发，路基工程与道路工程安全已构成城市公共安全的重大问题。路基病害隐患主要是由隐蔽性道路路基病害体不断发育引起，包括空洞、脱空、疏松和富水体等[1，2]。目前，地球物理方法是进行城市地下空间探测、开展地下地质结构调查以及病害隐患排查不可或缺的手段。与常规勘探相比，城市中存在交通繁忙、环境、电磁场干扰严重、对浅层勘探精度和探测效率要求高以及灵活度要求高等特点，需满足抗干扰能力强、高适应性、高效作业等要求。因此，在仪器设备选型、数据采集和处理方面有更高要求，需进一步改进完善传统方法技术，以适应城市勘探需求，提高抗干扰能力和实际探测效果。

探地雷达方法具有抗干扰能力强、浅层分辨率高、高效率和实时成像等优点，在城市道路路基病害检测和隧道衬砌病害检测等领域应用广泛[3-7]。现阶段，国内外探地雷达设备在不断地更新换代，常规单频天线探地雷达设备在市场上仍起着主导作用，对双频天线探地雷达新技术的应用研究较少。曾雄鹰等[8]、刘之平等[9]和Proskin 等[10]提出了双频天线雷达系统，并证明了双频天线探地雷达技术在城市地下空间探测的可行性和先进性，但在实例应用效果分析和验证方面还存在不足。因此，本文试图总结梳理近年来应用双频天线探地雷达技术探测城市道路地下病害隐患取得的工作成果，结合大量的高、低频数据剖面进行对比综合分析，概括双频天线的优势所在，并简明阐述了城市地下空间探测的发展趋势，为城市地下空间探测工作提供一定的参考借鉴。

1 双频探地雷达技术

1.1 基本原理

探地雷达是利用高频电磁波探测目标体的一种地球物理勘探方法，其工作原理是发射天线向地下发射电磁波信号，在电磁波向前方传播的过程中，当遇到介电参数差异的目标体时，电磁波发生反射，由接收天线接收并记录，再根据接收的雷达波形、电磁场强度、振幅、频谱特等参数推断地下情况。

探地雷达检测原理如图1 所示，图中h 为异常体或界面的深度，x 为两天线之间的距离，其中电磁波在介质中的传播速度V 可由近似计算，其中C 为电磁波在真空中的传播速度，εr为介质的相对介电常数，相对介电常数εr通过查参考规范值得出。根据电磁波在介质中传播的双程走时t 可得出目标体埋深h，由公式表示为：

图1 探地雷达检测原理

在实际检测开始前，也可通过现场埋设标准物体进行测距标定得出相应的波速V。

1.2 系统设计

使用传统单频探地雷达进行探测时，分辨率和探测深度是相矛盾的，即频率低的天线深度较大，但分辨率不够，探测准确性稍差；而频率高的天线可得到较好的分辨率，但探测深度又不理想。所以，在进行实际探测时，选择单一中心频率的天线在满足探测深度要求后需要舍弃一部分探测分辨率的性能指标，且需要重复更换高、低频发射天线来达到不同深度，工作效率较低。据此，研究使用设计为双主频超宽带的时域发射采集技术，设置的中心频率分别为160MHz 和670MHz，双频天线探地雷达并行采集，一次行进即可得到同点位的高频和低频数据剖面，兼顾了探测深度和探测精度。重要的是，一方面针对双频天线采集系统开发了配套的基于实时采样高动态增益技术，提高深部数据的信噪比，可并行实现浅部和深部地下目标体的大深度精细化探测；另一方面采用较为先进的优良屏蔽材料，最大程度上减小天线之间的信号干扰。

1.3 数据采集

应用双频天线探地雷达进行地下病害检测探测，天线中心频率分别为160MHz 和670MHz 屏蔽天线，双频天线检测系统如图2 所示。具体采集参数设置如下：高频670MHz 天线采样频率为5120Hz，时间窗长度为60ns，采集道间距设置为0.02m，有效探测深度约3m；低频160MHz 天线采样频率为2240Hz，时间窗长度为200ns，采集道间距设置为0.02m，有效探测深度约10m。双频天线装置在四轮推车上（见图2），通过推动小车触发采集成像，最终以雷达剖面图像形式实时采集显示。

图2 双频天线探地雷达检测系统

2 地下病害体探地雷达图谱特征

要准确地判断探地雷达数据可能存在的病害异常，需对各种病害的雷达图像特征进行明确，包括空洞、脱空、疏松、富水体等病害体的探地雷达图谱上的波组形态、振幅、相位和频率特征。本文依托GprMax 软件平台，采用时域有限差分方法（FDTD）进行常见的地下病害正演模拟分析，其中，常见的地下病害正演模拟特征图谱如图3 所示。根据正演模拟特征图谱归纳总结四种常见的地下病害体的探地雷达特征如表1 所示。

表1 地下病害体探地雷达图谱特征

图3 常见的地下病害正演模拟特征图谱

3 工程应用实例

3.1 地下病害1

该异常位于长沙市望城区梅园路，距离其西北方向约2m 位置处可见一雨水井。由探地雷达成果剖面（见图4）可以得出：雨水井与路边的雨水篦有横穿的连通管道，高频、低频数据雷达剖面均显示该管道埋深约0.80m；异常区顶部高频、低频数据雷达图谱反射信号能量强，相对于周围土体为一孤立的强反射体，由高频天线剖面（见图4（a））可见顶部强反射界面埋深约0.75m，内部波形较为杂乱，多次反射波比较发育，边界及侧壁出现了明显的绕射波，整个强反射体为一个似“背斜”形状；由低频天线剖面（见图4（b））可见顶部强反射界面0.6～0.9m，多次反射波比较发育，边界及侧壁绕射波不明显，整个强反射体为一似平板形状。根据以上雷达剖面特征判断该异常为空洞，且经钻探验证确定该空洞范围为4.7m（东西方向）×2.5m（南北方向），顶部埋深0.79m，净深0.60m（见图5）。

图4 空洞实测数据二维雷达影像图

图5 空洞病害隐患体钻探验证照片

3.2 地下病害2

该异常位于长沙市望城区旺旺路。由探地雷达成果剖面（见图6）可以得出：从高频、低频数据雷达剖面均显示表层下有钢筋分布，高频剖面可以清晰分辨钢筋的埋深和分布情况，低频天线可以判断表层以下有钢筋分布，但其埋深和分布情况很难进行准确判读；异常区顶部高频、低频数据雷达图谱反射信号能量均明显增强，相对于周围土体为一孤立的强反射体，由高频天线剖面（见图6（a））顶部强反射界面埋深约0.70m，多次反射波较发育，侧壁出现了明显的绕射波，整个强反射体为一个似“背斜”形状；由低频天线剖面（见图6（b））顶部强反射界面0.5～0.8m，多次反射波发育，侧壁绕射波较明显，整个强反射体为“背斜”形状。根据雷达剖面特征判断该异常为空洞，且经钻探验证该空洞范围为3.1m（东西方向）×1.5m（南北方向），顶部埋深0.65m，净深0.50m（见图7）。

图6 空洞实测数据二维雷达影像图

3.3 地下病害3

该异常位于长沙市望城区梅园路，其在电力井旁。由探地雷达成果剖面（见图8）可以得出：异常区顶部高频、低频数据雷达图谱反射信号能量均明显增强，相对于周围土体为一孤立的强反射体，由高频天线剖面（见图8（a））可见顶部强反射界面埋深约0.60m，双曲线反射波特征，侧壁附近出现了微弱的绕射波，整个强反射体为一个“双曲线”形状，由单一高频推测可能为管线或者脱空病害；由低频天线剖面（见图8（b））可见顶部强反射界面0.5～0.7m，多次反射波比较发育，侧壁附近绕射波不明显，整个强反射体为似平板形状，由单一低频推测为脱空病害。根据雷达剖面特征并经实地复测初步判断该异常为脱空，经过开挖揭露验证确定该异常为脱空病害，脱空范围2.1m（东西方向）×5.0m（南北方向），顶部埋深0.59m，净深0.22m。

图8 脱空实测数据二维雷达影像图

4 结论

①在正演模拟图谱上可以清晰地得出空洞、脱空、疏松和富水病害等的振幅、相位、能量及波组特征，数值模拟得到的图谱特征为实测数据解译提供了理论基础，提高了现场解译的效率和准确度。

②双频天线探地雷达的高频天线在识别3m 以内的病害和管线等地下目标体分辨率较高，在确认病害体边界位置和顶部埋深准确度可达90%以上；低频天线探测深度可达10m 以浅，可以补充高频天线探测深度的不足，但损失了部分分辨率，得到的地下目标体图谱特征存在一定的畸变，但整体大的异常特征清晰显著。因此，双频天线并行采集可兼顾探测深度和探测精度，对道路地下病害体赋存情况进行全方位“体检”，可促进道路塌陷向高精度、大深度方向发展。

③双频天线探测得到的高、低频剖面可进行相互参照对比分析，有利于成果的解译工作，一方面高频天线探测做到表层不厌其精，低频天线探测深部抓大放小，相互补充，突出优势；另一方面双频天线并行采集在某种意义上相当于在同一位置进行了2 次探测，提高了探测效率和可靠性。双频天线探地雷达具备便捷高效、高精度和大深度探测优势，是目前城市地下空间探测发展趋势。