三维探地雷达技术在道路塌陷空洞探测中的应用

三维探地雷达技术在道路塌陷空洞探测中的应用

倪国亮

朝阳华程公路工程试验检测有限公司辽宁朝阳122000

摘要：近年来，随着我国城市地下空间开发利用强度不断加大，城市浅层地质稳定性造成一定程度的影响和破坏，导致我国许多城市道路地面塌陷事故不断发生，严重影响了人民群众生命财产安全和城市运行秩序。三维探地雷达是近年来国外发展起来的一项新技术，在道路地下空洞检测、地下管线探测、工程质量检测、考古等领域应用，取得了良好的效果。文章对三维探地雷达技术在道路塌陷空洞探测中的应用进行了研究分析，以供参考。

关键词：三维；探地雷达技术；道路塌陷；空洞探测

1前言

近年来，城市道路塌陷事件频繁发生。北京、大连、哈尔滨、深圳、广州、南京、合肥、长沙、南宁、太原等近年来都出现过城区道路塌陷事件，轻则影响交通，重则造成死伤，造成生命财产的重大损失。

2三维探地雷达探测系统

2.1工作原理

探地雷达是通过发射天线（T）向下发射超高频短脉冲电磁波，由接收天线（R）接收反射波，并根据其回波旅行时间t（又称双程走时）、幅度与波形资料，经过图像处理和解译，以确定地下界面或地下介质的空间分布。

2.2三维探地雷达

三维探地雷达是近年来发展的新技术，它采用三维阵列天线，将发射天线与接收天线分离，交错等距排列，发射和接收天线可任意组合，实现剖面间距接近天线中心频率的1/4波长这一理想状态。采集数据经专门的处理软件处理后可以实现数据的无缝拼接，保证最终成果为一个完整的三维数据体。该成果可以在任意方向上“切片”以反映异常的形态。

2.3三维探地雷达数据采集系统

三维探地雷达数据采集系统包括雷达阵列天线（集成主机）、GPS精确定位系统、控制中心、工程车等，将三维探地雷达图像、图像坐标位置、地表特征物、标记等多种数据信息同步采集，融入到原始数据中。该系统可对城市道路进行地毯式、全覆盖普查探测，得益于这种全新的数据采集模式，技术人员通过一幅幅雷达剖面，和不同方向的“切片”判断分析地下异常的位置、形态以及危害程度，并提出施工建议。

3三维探地雷达异常识别

3.1正常路面基层的标准雷达异常图像

由于路面为层状结构，每一层铺筑的材料具有一定的介电性差异，因此，对于正常路面基层的雷达异常图像的波相同相轴或色谱图将呈现为近水平线型展布，每一层内的信号强度基本一致，反映在图象上无明显变化。

3.2富水体

富水体的相对介电常数大于周边土体，随着含水量的增大，相对介电常数差异越大。雷达图谱通常为顶面反射信号能量较强，下部信号衰减明显，同相轴较连续、频率变化不明显。

3.3道路局部密实不均匀

路面基层内若存在局部密实不均（压实度，离析，湿度）必然会导致介电常数的不同，电磁波在此发生反射，地面可接收到相应的雷达剖面异常图像。这种密实不均体界面处引起的异常幅度一般变大，判断其边界的定性方法为：依据在不均匀体边界处有连续的反射波同相轴中断或弯曲分布，其波长变长，波幅明显变化，波组特征也发生明显变化。

3.4公路局部脱空或空洞

从理论上讲，在面层和基层结合密实区，层间反射弱，波形平缓、规则、无杂乱反射存在。当路面积水未及时排出时可能导致地表水下渗，使面层与基层之间逐渐疏松，局部甚至脱空或空洞。脱空、空洞的相对介电常数为1，与土体的相对介电常数（6～40）差异明显此时，层间介质的介电常数差异较大，依据雷达波反射界面与波的传播特性，反射界面明显、传播速度降低。空洞异常区雷达图谱通常为反射信号能量强，反射信号的频率、振幅、相位变化异常明显，下部多次反射波明显，边界可能伴随绕射现象。

4应用实例分析

4.1探地雷达数据采集

为全面了解上海某道路下方塌陷空洞的三维空间分布，利用三维探地雷达技术对塌陷区进行了三维探测。在道路表面布置了一个1.0m×0.5m的三维测网，平行路面布置了12条间距为0.5m的测线，垂直路面布置了11条间距为1.0m的测线，探测设备采用意大利IDS公司生产的RIS-K2型探地雷达系统；为兼顾探测深度和分辨率，本次探测采用400MHz屏蔽天线，采样点数为512个，时窗长度为100ns。为采集到高精度雷达数据，采用50m皮尺定点并采用自动叠加、连续扫描模式，每隔1m做一个标记，以修正天线移动速度不均匀引起的记录道的位置错位。

4.2数据处理

探地雷达数据处理是利用数学方法压制雷达剖面的噪声，提高电磁波信号的信噪比，获取与地下介质有关的速度、振幅、频率和相位等特征信息，从而为雷达剖面的地质解译提供高质量的雷达剖面。野外采集的原始雷达数据中来自地下塌陷位置的反射波非常微弱，加之采集现场运行的挖掘机、道路旁边的高压线使得采集的GPR数据包含大量噪声，因此需要经过处理才能压制噪声，提高反射波的信噪比，以利于雷达剖面的解释。数据处理主要采用零时校正、直流滤波、带通滤波、自动增益和时深转换。其中，零时校正主要是消除天线离地和天线延时的影响；直流滤波主要是切除电磁波中含有的直流成分；带通滤波的主要目的是消除地表环境如挖掘机、高压线工作产生的噪声影响；增益主要是补偿电磁波在地下介质中传播时衰减的能量；时深转换主要是将时间剖面转换为深度剖面。

4.3三维探测结果与分析

Y方向所有测线上的雷达剖面组成的三维雷达切片图。在深度1.0～2.0m内有近似水平的反射波组，同相轴清晰、连续，推断为回填土层与地基层的分界面；深度约0.3m处出现近似水平的反射波组，局部位置出现杂乱反射波，推断为混凝土层与回填土层的电磁波，混凝土层局部发生脱落现象；在深度约为0.5m处，X=0m，0.5m，1.0m，1.5m，2.0m，2.5m和3.0m处的测线上的雷达剖面上，水平位置0～5.0m处大都出现强烈的反射波且两端出现强烈绕射现象，反射波出现范围随X方向距离的增大而减少，说明塌陷空间范围随X方向距离的增大而减小；在深度约为0.5m处，水平位置7.5～9.0m出现强烈的反射波，反射波从X=0m的测线一直延伸至X=3.0m处的测线。X=3.5m，4.0m，4.5m和5.0m时，测线上的雷达剖面上未见明显的起伏反射波出现，说明测线下方未出现塌陷现象；此外，在X=3.0m，3.5m，4.5m和5.0m处的雷达剖面上出现能量较强的水平反射波，且在整个深度上得到延伸，这是由于探地雷达天线受道路上的金属井盖产生的电磁波干扰所致。

X方向所有测线上的雷达剖面组成的三维雷达切片图。由图9可见，在深度约为0.5m处，Y=0m，1.0m，2.0m，3.0m，4.0m和5.0m处的测线上的雷达剖面上，水平位置0～3.0m处大都出现强烈的反射波且端点处出现强烈绕射现象，反射波出现范围随Y方向距离的增大而减少，说明塌陷空间范围随Y方向距离增大而减小；水平位置3.0～5.0m处未见明显的反射波出现，道路下方未发生塌陷现象。Y=6.0m，7.0m，8.0m，9.0m和10.0m处的测线上的雷达剖面上，水平位置0～3.0m未见强烈反射波出现，而在水平位置3.5～4.5m处出现强烈的双曲线反射波，反射波能量随Y方向距离的增大而增大，说明该处出现了塌陷现象。此外，在Y=2.0m和6.0m的测线上的雷达剖面上出现能量较强的水平反射波，如黄色框所示，且在整个深度上延伸。这是由于探地雷达天线受到道路上的金属井盖产生的电磁波干扰所致。

5结束语

由此可见，探地雷达三维探测技术可实现道路塌陷空洞三维探测的可视化和定量化，使塌陷空洞的位置反映更直观、解译更准确，大大地克服了二维雷达探测的局限性，并可根据道路塌陷空洞的分布位置、形态及大小评估道路的危险程度。

参考文献：

［1］钟世航，孙宏志，杨峰，刘杰.探地雷达地质探查及检测技术［M］.上海：上游科技出版社，2016.

［2］曾昭发，刘四新，冯晅.探地雷达理论与应用［M］.北京：电子工业出版社，