王海寧

(中國煤炭地質(zhì)總局，北京 100038)

0 引言

近年來，我國對城市地下空間開發(fā)利用力度逐漸加大，城市淺層地質(zhì)穩(wěn)定性越來越受到重視，一方面，城市淺層地質(zhì)的不穩(wěn)定性造成道路地下巖土體疏松下陷形成空洞，對城市地下給排水管道具有破壞作用；另一方面，城市地下給排水管道的破損滲漏對周邊巖土體的沖蝕以及老舊防空洞積水浸泡，導致城市淺層地質(zhì)不穩(wěn)定性進一步加劇。我國多地頻繁發(fā)生道路塌陷事故，造成重大生命財產(chǎn)損失，使城市發(fā)展受到負面影響。因此開展城市道路地下病害體探測，盡量將事發(fā)后搶險和治理轉變?yōu)槭虑邦A防，對城市健康運行及人民群眾的生活具有十分重要的意義。 三維探地雷達作為近幾年發(fā)展起來的無損探測技術，具有分辨率高、探測速度快、抗干擾能力強、異常定位準確的特點，已被廣泛應用于城市道路地下病害探測。

1 三維探地雷達探測系統(tǒng)

1.1 工作原理

探地雷達是通過發(fā)射天線(T)向下發(fā)射超高頻短脈沖電磁波，由接收天線(R)接收反射波，并根據(jù)其回波旅行時間t(又稱雙程走時)、幅度與波形資料，經(jīng)過圖像處理和解譯，以確定地下界面或地下介質(zhì)的空間分布。

脈沖波的旅行時間：

(1)

式中：t-雙程旅行時(ns)，z-目標體埋深(m)，x-天線距離(m)，υ-地下介質(zhì)中的電磁波傳播速度。式中x值在剖面探測中是固定的，υ值可以用寬角法直接測量，當介質(zhì)的導電率很低時：

(2)

其中c為電磁波在真空中的速度(c=0.3 m/ns)，ε為地下介質(zhì)的相對介電常數(shù)。

1.2 三維探地雷達

三維探地雷達是近年來發(fā)展的新技術，它采用三維陣列天線(圖1)，將發(fā)射天線與接收天線分離，交錯等距排列，發(fā)射和接收天線可任意組合，實現(xiàn)剖面間距接近天線中心頻率的1/4波長這一理想狀態(tài)。采集數(shù)據(jù)經(jīng)專門的處理軟件處理后可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無縫拼接，保證最終成果為一個完整的三維數(shù)據(jù)體。該成果可以在任意方向上“切片”以反映異常的形態(tài)。

圖1 三維探地雷達陣列天線示意圖Figure 1 A schematic diagram of 3D ground penetrating radar array antenna

1.3 三維探地雷達數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

三維探地雷達數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括雷達陣列天線(集成主機)、GPS精確定位系統(tǒng)、控制中心、工程車等(圖2)，將三維探地雷達圖像、圖像坐標位置、地表特征物、標記等多種數(shù)據(jù)信息同步采集，融入到原始數(shù)據(jù)中。該系統(tǒng)可對城市道路進行地毯式、全覆蓋普查探測，得益于這種全新的數(shù)據(jù)采集模式，技術人員通過一幅幅雷達剖面，和不同方向的“切片”判斷分析地下異常的位置、形態(tài)以及危害程度，并提出施工建議。

圖2 三維探地雷達數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)示意圖Figure 2 A schematic diagram of 3D ground penetrating radar data acquisition system

2 城市道路地下病害探測的干擾識別與衰減

在城市環(huán)境道路上探測地下病害體，三維探地雷達接收到的干擾信號一方面來自探地雷達系統(tǒng)內(nèi)部，另一方面來自探地雷達所處的工作環(huán)境。三維探地雷達系統(tǒng)內(nèi)部的干擾信號主要來自天線控制電路之間的干擾、收發(fā)天線之間的直接耦合干擾、天線盒震蕩信號干擾等。隨著探地雷達制造技術的飛速發(fā)展，三維探地雷達系統(tǒng)內(nèi)部干擾對探地雷達成果的影響越來越有限。因此本文主要研究外部因素造成的干擾識別與衰減。三維探地雷達探測道路地下病害體施工過程中，外部環(huán)境干擾按照其空間來源，可分為空中干擾、地面干擾和地下干擾。各種干擾在探地雷達圖像上都會產(chǎn)生相應的地球物理響應，有些干擾異?？梢酝ㄟ^后期處理手段衰減，但是當產(chǎn)生與地下病害體類似的干擾異常時，僅通過探地雷達數(shù)據(jù)處理，無法有效衰減此類干擾，需結合其他輔助方法識別。

2.1 空中干擾

空中干擾主要是由于地面上孤立的物體，在探地雷達探測時反射雷達電磁波，在雷達剖面上形成具有固定特征的圖像，如道路指示牌、人行天橋、高壓電線、路燈桿等。由于這些物體表面的反射波是通過空氣傳播的，電磁波在空氣中的傳播能量衰減很小，所以這些干擾波的主要特征是：振幅、頻率等與發(fā)射信號相似，且波速為電磁波在空氣中的傳播速度，約為0.26～0.28 m/ns。

對于空中干擾，在三維探地雷達施工過程中，做好野外探測記錄，如干擾位置、離地面高度、干擾材質(zhì)等，在后期數(shù)據(jù)處理時將此異常人工剔除。在夜晚施工過程中，由于施工條件的限制，操作人員難免會漏記部分空中干擾信息，這些干擾會被作為異常，清晰地記錄在探地雷達圖像上。對此類信號可以通過做速度分析加以識別(圖3)：電磁波在空氣中的傳播速度在0.26～0.28m/ns，而在地下介質(zhì)中的傳播速度一般不超過0.2m/ns。

2.2 地面干擾

地面干擾主要來源于三維探地雷達與地面之間的直達波、地面金屬物與非金屬物產(chǎn)生的反射波，這些地表干擾波的總體特征是能量衰減小、反射系數(shù)大、波形雜亂，且存在多次反射，但在到達時間上一般早于目標回波。

圖3 速度分析前后探地雷達圖像Figure 3 Ground penetrating radar images before and after velocity analysis

這些干擾波壓縮了目標回波的動態(tài)范圍，降低了系統(tǒng)對弱反射目標的探測能力。此外，淺表層的目標反射回波與直達波的到達時間相接近，能量相對較小的目標回波信號可能淹沒于直達波之中，不利于目標的檢測與識別。因此，在三維探地雷達數(shù)據(jù)處理中，這些干擾波是衰減的主要對象。

①地面孤立反射物。地面金屬物與非金屬物產(chǎn)生的反射波能量強且存在多次反射(圖4)，很難有效去除，根據(jù)其在三維探地雷達上特殊的地球物理響應，可將其與道路地下病害體區(qū)分開來。

圖4 地面金屬物干擾在三維探地雷達剖面上的反映Figure 4 Reflection of surface metal disturbance on 3D ground penetration radar section

②“水平”干擾的衰減。由于三維探地雷達采用類似與地震勘探共偏移距剖面的工作方式，使得數(shù)據(jù)中存在大量的水平相干干擾，如發(fā)射和接收天線之間的多次直達波和界面之間的多次反射等，同時還存在大量的高頻干擾，這些相干干擾幾乎淹沒了目標的異常信號。

電磁波在空間介質(zhì)內(nèi)是沿射線方向以真速度傳播的，但在實際探測過程中，因測線方向與波的射線方向常常不同，因此，沿測線傳播的速度也就不等于真速度。因此，可以利用視速度不同，達到衰減道間“水平”信號的目的，如圖5所示。

2.3 地下干擾

地下干擾主要是電磁波遇到地下強反射界面，在雷達圖像上形成與地下空洞、脫空、疏松體、富水體等地下病害體類似的地球物理特征。實際工作中，常見的地下強反射界面有地下管線、地下空間附屬物、地下工程加固體等。

來自地下的干擾往往不易察覺(圖6)，在成果解釋時以原始雷達剖面為基礎，除了野外記錄的測線信息外還要進行地下構(建)筑物的調(diào)查，結合調(diào)查結果、地下管線資料、地下工程竣工驗收資料等排除地下干擾。

3 應用實例分析

目前，三維探地雷達已經(jīng)在哈爾濱、邯鄲、合肥、杭州、株洲、蘭州、廈門等城市道路地下病害探測工程中成功應用，現(xiàn)以蘭州為例，介紹三維探地雷達探測道路地下病害的應用成果。

3.1 病害1——脫空

圖7是位于東崗東路蘭州大學第一醫(yī)院東崗院區(qū)附近，三維探地雷達處理后的圖像，上圖為0.86m(18ns)處的水平切片，下圖為沿上圖棕色線位置垂切的剖面圖。在剖面上橫坐標20m處有一處異常，結合地面和水平切片判斷此處異常為一小脫空，范圍2m×2m，埋深0.5m左右。在剖面橫坐標37m的位置有異常，結合地面雷達圖像和地表特征物分析，此處異常是由地表的地鐵沉降檢測樁引起的。在剖面橫坐標最右側67m處可以看到一處過路管線，埋深0.7m左右。

圖5 水平噪聲衰減前(左)后(右)三維探地雷達剖面Figure 5 3D ground penetrating radar sections before (left) and after (right) horizontal noise attenuation

圖6 地下管線干擾探地雷達圖像Figure 6 Ground penetrating radar image under subsurface pipeline disturbance

圖7 蘭州大學第一醫(yī)院東崗院區(qū)附近三維探地雷達圖像Figure 7 3D ground penetrating radar image of Lanzhou University First Hospital Donggang part nearby

3.2 病害2——空洞

圖8為酒泉路甘肅省省政府—武都路段三維探地雷達探測結果，上圖為12ns處水平切片，下圖為沿上圖棕色線垂切剖面。紅色方框內(nèi)的異常位于酒泉路西側，甘肅銀行南側，位于道路中心位置。南北長約4m，東西長約1m，深度約0.6m。從剖面上可以看到明顯的雙層雙曲線信號，分析為空洞。

圖8 蘭州酒泉路省政府南三維探地雷達圖像Figure 8 3D ground penetrating radar image of Lanzhou Jiuquan Road to the south of provincial government

3.3 病害3——回填不實

圖9為東崗路七四三七東三維探地雷達探測結果，上圖為20ns處水平切片，下圖為沿上圖棕色線垂切剖面。剖面上橫坐標21m處有一條過路管線，埋深1m左右，橫坐標16～19m處雷達圖像雖同相軸連續(xù)，但地層下陷，且雷達反射波比較明顯，分析知此處異常是由回填不實引起的。

圖9 蘭州東崗路七四三七東三維探地雷達圖像Figure 9 3D ground penetrating radar image of Lanzhou Donggang Road to the east of No.7437 factory

3.4 病害4——密實回填

圖10位于張掖路步行街361專賣店門口的三維探地雷達探測結果，上圖為2ns處的水平切片，下圖為沿上圖棕色線垂切剖面。在剖面上橫坐標26～45m，該處曾經(jīng)塌陷過，并進行了回填處理，在雷達圖像上可以看出回填處比較密實，且回填的范圍在水平切片上顯示清楚，在剖面橫坐標6m處的污水井在水平切片上表現(xiàn)真實。

圖10 張掖路(步行街)三維探地雷達圖像Figure 10 3D ground penetrating radar image of Zhangye Road (pedestrian mall)

4 結束語

本文通過對三維探地雷達原理、 道路地下病害探測技術系統(tǒng)地介紹，結合具體工程實例，總結出一套成熟的三維探地雷達探測道路地下病害施工流程，并根據(jù)工程實踐，研究了三維探地雷達探測道路地下病害干擾的分類、識別和衰減的方法，指導了道路地下病害體三維探地雷達圖像的分析和解譯。

三維探地雷達對有物性差異的地質(zhì)體探測效果比較理想，可滿足對淺層道路地下病害的探測，不僅無須破壞道路路面、實現(xiàn)真正意義的“無損”探測，而且能夠快速準確地確定道路地下病害范圍， 查找病害產(chǎn)生的根本原因，并結合現(xiàn)代遙感技術、地理信息系統(tǒng)技術等， 可推進實現(xiàn)城市地面塌陷防治預警機制的形成與完善，為智慧城市建設發(fā)揮更大作用。三維探地雷達技術是進行道路地下病害探測最理想的地球物理方法，可預見，三維探地雷達在道路地下病害探測工作中將會廣泛應用。