房巨山，王君玲

(中煤航測(cè)遙感集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710199)

0 引言

隨著蘭州市地下空間開(kāi)發(fā)力度不斷增強(qiáng)，城市地下軌道交通、大型建筑物的地下基坑等對(duì)周邊淺層地質(zhì)造成擾動(dòng)，造成周邊土質(zhì)的不穩(wěn)定性增加；受厄爾尼諾現(xiàn)象影響，近年雨量增加，進(jìn)一步加劇了以濕陷性黃土為主的蘭州市淺層地質(zhì)結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性；由于城市規(guī)模擴(kuò)張，原有市政設(shè)施設(shè)計(jì)能力無(wú)法滿足要求，部分設(shè)施超期運(yùn)行，地下給排水、熱力管道均不同程度存在破損滲漏，對(duì)局部地下土質(zhì)的侵蝕沖刷，導(dǎo)致蘭州市近年來(lái)道路塌陷事故不斷，對(duì)人民群眾的生產(chǎn)生活和的生命財(cái)產(chǎn)安全造成了巨大的影響。甘肅省和蘭州市政府對(duì)此高度重視并采取了一些對(duì)應(yīng)的措施：一是出臺(tái)了《蘭州市城區(qū)道路地質(zhì)安全突發(fā)事件應(yīng)急處置辦法》，二是決定在城區(qū)開(kāi)展地下病害探測(cè)普查[1]。以此建立地下病害體數(shù)據(jù)庫(kù)，做到防患于未然，從根本上降低事故發(fā)生率。

由于地質(zhì)環(huán)境的區(qū)域多邊性及復(fù)雜性，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)探地雷達(dá)圖像的解譯[2]并沒(méi)有總結(jié)出可供遵循的規(guī)律、規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)化圖像解譯理論，技術(shù)人員仍然依靠工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行解譯。本文依托蘭州市道路地下病害體探地雷達(dá)圖像豐富資料，分析總結(jié)了該地區(qū)地下病害體圖像特征規(guī)律，為本市全面開(kāi)展城市災(zāi)害探測(cè)調(diào)查積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)，也為其他地質(zhì)環(huán)境類似的地區(qū)進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害探測(cè)提供了重要參考。

1 探地雷達(dá)基本原理

探地雷達(dá)[3]方法是一種用于確定地下介質(zhì)分布的廣譜電磁技術(shù)。探地雷達(dá)利用一個(gè)天線發(fā)射高頻寬頻帶電磁波，另一個(gè)天線接收來(lái)自地下介質(zhì)界面的反射波。電磁波在介質(zhì)中傳播時(shí)，其路徑、電磁場(chǎng)強(qiáng)度與波形將隨所通過(guò)介質(zhì)的電性質(zhì)及幾何形態(tài)而變化。因此，根據(jù)接收到波的旅行時(shí)間(也稱雙程走時(shí))、幅度與波形資料，可推斷介質(zhì)的結(jié)構(gòu)。

探地雷達(dá)方法，發(fā)射天線與接收天線之間距離很小，甚至合而為一。當(dāng)?shù)貙觾A角不大時(shí)，反射波的全部路徑幾乎是垂直地面的。因此，在測(cè)線不同位置上法線反射時(shí)間的變化就反映了地下地層的構(gòu)造形態(tài)。天線在地表接收從地下傳來(lái)的回波。因?yàn)?，在介質(zhì)中傳播的電磁波，當(dāng)遇到介電常數(shù)不同的兩種介質(zhì)或被測(cè)目標(biāo)體，其一部分電磁波會(huì)反射回地面，并被探地雷達(dá)所接收，并加以分析、研究。由于介質(zhì)形態(tài)不同，電磁波傳播的路徑、波形等就不同，所以可根據(jù)電磁波傳播的時(shí)間、波形、振幅等資料，分析出地下目標(biāo)體或者界面的空間位置。

2 物探作業(yè)

2.1 作業(yè)區(qū)域及內(nèi)容

本次探測(cè)作業(yè)區(qū)域：西固區(qū)、七里河區(qū)大部、城關(guān)區(qū)(中央大道以南)主干道、輔道、人行道，以及道路兩側(cè)鋪裝路面及金輪廣場(chǎng)、五泉廣場(chǎng)下的各類病害體[4](見(jiàn)圖1)。

圖1 工作區(qū)域示意圖(02包段)Fig.1 Schematic diagram of working area (package 02)

2.2 物探設(shè)備

1)二維探地雷達(dá)：MALA/GX160 MHz，天線頻率為中心頻率160 MHz屏蔽天線；

2)三維探地雷達(dá)：MALA/MIRA200 MHz，天線頻率為中心頻率200 MHz屏蔽天線。

2.3 探測(cè)技術(shù)要求

2.3.1 探地雷達(dá)儀器主機(jī)

1)系統(tǒng)增益不小于150 dB；

2)信噪比不低于120 dB，最大動(dòng)態(tài)范圍不低于150 dB；

3)系統(tǒng)應(yīng)具有可選的信號(hào)疊加、時(shí)窗、實(shí)時(shí)濾波、增益、點(diǎn)測(cè)或連續(xù)測(cè)量功能；

4)應(yīng)具有位置標(biāo)記功能；

5)計(jì)時(shí)誤差不應(yīng)大于1.0 ns；

6)最小采樣間隔應(yīng)達(dá)到0.5 ns，A/D轉(zhuǎn)換不應(yīng)低于16 bit；

7)工作溫度：-10 ℃～40 ℃；

8)具有現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)處理功能。

2.3.2 探地雷達(dá)天線

地面探測(cè)時(shí)應(yīng)同時(shí)配置不少于兩種不同頻率的天線，頻率范圍要求為：一種為200-400 MHz，另一種為80-100 MHz。

2.3.3 探測(cè)深度

地下病害體的有效探測(cè)深度為5 m。

2.3.4 探測(cè)目標(biāo)

主要目標(biāo)是空洞、脫空、疏松、富水4類病害，探明其中心位置、范圍、深度、風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)等空間位置和屬性信息。

2.4 探測(cè)方法

物探采用探地雷達(dá)方法為主，對(duì)城市道路行車道、輔道、人行道及道路兩側(cè)至第一排建筑物的路面進(jìn)行全覆蓋探測(cè)。

2.4.1 探測(cè)布線

行車道、輔道以三維雷達(dá)和二維雷達(dá)進(jìn)行全覆蓋探測(cè)，三維雷達(dá)的測(cè)線不大于2.5 m，二維雷達(dá)的測(cè)線寬度不大于1.8 m。人行道、道路兩側(cè)至第一排建筑物的路面以及三維雷達(dá)無(wú)法到達(dá)的小路，則采用二維雷達(dá)進(jìn)行探測(cè)，測(cè)線寬度不大于1.8 m。對(duì)疑似病害體異常區(qū)域進(jìn)行復(fù)測(cè)，布線方案見(jiàn)圖2。

圖2 異常區(qū)域復(fù)測(cè)線布置示意圖Fig.2 Layout diagram of repetition survey line in abnormal area

2.4.2 雷達(dá)探測(cè)異常區(qū)驗(yàn)證

對(duì)解譯出的雷達(dá)異常圖像全部實(shí)地驗(yàn)證，其工作以多個(gè)作業(yè)組聯(lián)合探測(cè)、背包型鉆機(jī)鉆探檢驗(yàn)等方法進(jìn)行驗(yàn)證。典型實(shí)例驗(yàn)證如下：

1)4-028空洞。該空洞[5]位于彭家坪第二小學(xué)支路(北向南右側(cè)第一車道)蘭州高能石化設(shè)備公司門(mén)口向北10 m處，道路表面完好，根據(jù)雷達(dá)剖面(見(jiàn)圖3)分析，異常處頂部雷達(dá)圖像反射信號(hào)能量增強(qiáng)，反射波振幅明顯增大，且頂部相位呈現(xiàn)正負(fù)正(白黑白)，符合依據(jù)雷達(dá)圖像正負(fù)相位特征識(shí)別空洞頂部的條件。通常由于空洞頂界面可能凸凹不平，所以頂部同相軸有一定程度的起伏彎曲現(xiàn)象，該異常處雷達(dá)圖像頂部同相軸彎曲現(xiàn)象比較明顯。加之空洞內(nèi)部空間部分填充空氣，該異常頂界面下部多次反射波比較發(fā)育，側(cè)壁也出現(xiàn)了明顯的多次反射波組，邊界以及側(cè)壁附近也伴隨出現(xiàn)了明顯的繞射波。根據(jù)以上雷達(dá)圖像的現(xiàn)象和特征判斷該異常為空洞；經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)復(fù)測(cè)和鉆探驗(yàn)證，空洞范圍：0.8 m(平行車道)×0.6 m(垂直車道)，凈深0.57 m，頂部埋深0.18 m。

圖3 4-028空洞雷達(dá)圖像Fig.3 Cavity beneath road 4-028 radar images

2)4-018脫空。該脫空[6]位于七里河區(qū)西站西路食唐火鍋門(mén)口由南向北人行道，現(xiàn)場(chǎng)地面完好，無(wú)明顯下沉。根據(jù)雷達(dá)剖面(見(jiàn)圖4)分析，異常區(qū)雷達(dá)圖像反射信號(hào)能量強(qiáng)，反射信號(hào)的頻率、振幅、相位變化異常明顯，異常頂部相位呈現(xiàn)正負(fù)正(白黑白)，下部多次反射波明顯且規(guī)則，判定為脫空，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)復(fù)測(cè)及鉆探驗(yàn)證，脫空其范圍：3.5 m(平行車道)×3.8 m(垂直車道)，凈深0.26 m，頂部埋深0.2 m。

圖4 4-018脫空體雷達(dá)圖像Fig.4 Void beneath road 4-018 radar images

3)3-003疏松及富水體。該嚴(yán)重疏松位于西固?hào)|路與牌坊路交叉路口由西向東車道，現(xiàn)場(chǎng)地面明顯下沉；根據(jù)雷達(dá)剖面(見(jiàn)圖5)，異常處頂部雷達(dá)圖像反射信號(hào)能量增強(qiáng)，反射波振幅明顯增大，能量增強(qiáng)，現(xiàn)場(chǎng)地面輕微下沉。南北方向和東西方向的雷達(dá)波譜[7]下部有多次反射波組出現(xiàn)，邊界及側(cè)壁附近也伴隨出現(xiàn)了多次波。頂界面下方反射波形雜亂，隨深度的增加，電磁波逐漸衰減。由于異常影響范圍大，雷達(dá)圖像信號(hào)特別強(qiáng)，判斷該處異常為嚴(yán)重疏松。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)復(fù)測(cè)驗(yàn)證，異常范圍：4.0 m(平行車道)×2.5 m(垂直車道)，凈深0.5 m，頂部埋深1.3 m。

圖5 3-003疏松及富水體雷達(dá)圖像Fig.5 Radar images of lossening and water-bearing structure 3-003

3 探測(cè)工作量

3.1 測(cè)區(qū)道路測(cè)線工作量

測(cè)區(qū)道路總長(zhǎng)度為384.5 km。各類道路具體工作量，見(jiàn)表1。

表1 測(cè)區(qū)道路測(cè)線工作量

3.2 探測(cè)病害體成果

測(cè)區(qū)道路探測(cè)共發(fā)現(xiàn)病害體144個(gè)。主要病害體統(tǒng)計(jì)，見(jiàn)表2。

表2 主要病害體統(tǒng)計(jì)表

4 發(fā)育的病害類型和雷達(dá)圖像特征分析

4.1 發(fā)育的病害體類型

根據(jù)測(cè)區(qū)內(nèi)地下病害體的形態(tài)、工程特征和對(duì)地下安全危害程度的不同，可對(duì)測(cè)區(qū)發(fā)育的地下病害體進(jìn)行分類，見(jiàn)表3。

表3 測(cè)區(qū)道路測(cè)線工作量匯總表

4.2 病害體雷達(dá)圖像特征分析

道路下方土層中存在的空洞、脫空及土體疏松是本次病害體探測(cè)的首要目標(biāo)。盡管空洞、脫空的形態(tài)各異、規(guī)模大小不同，但它們與周圍土層之間存在明顯的電性差異，在雷達(dá)剖面上產(chǎn)生相似的圖像特征，如表現(xiàn)為雙曲弧形的多次反射特征、反射波能量(振幅)的明顯增強(qiáng)、或者反射波同相軸明顯錯(cuò)斷、不連續(xù)等。

在雷達(dá)剖面圖像的解譯中，采用對(duì)比的方法來(lái)識(shí)別反射波的特征。如波組形態(tài)的變化，包含反射波的波峰或波谷沿測(cè)線上的波形、連續(xù)性，有無(wú)繞射波、多次波，振幅強(qiáng)弱變化，反射波的相位特征(頂部界面的正負(fù)相位變化)，頻率變化等。根據(jù)上述的雷達(dá)圖像特征變化，可以確定道路下方有無(wú)異常，再根據(jù)異常形態(tài)雷達(dá)圖像的不同進(jìn)一步識(shí)別不同類型的病害體。通過(guò)對(duì)大量正常路面及144處病害體雷達(dá)圖像的解譯分析，總結(jié)出正常路面及典型病害體探地雷達(dá)圖像特征[8]。

4.2.1 無(wú)病害體道路地下雷達(dá)圖像特征

當(dāng)?shù)缆废路浇Y(jié)構(gòu)完整無(wú)任何病害體時(shí)，雷達(dá)的反射波同相軸連續(xù)，振幅、相位和頻率無(wú)明顯變化，沒(méi)有明顯異常的強(qiáng)反射波組，表明道路下方結(jié)構(gòu)層連續(xù)，周圍土體介質(zhì)均一。其雷達(dá)圖像特征，見(jiàn)圖6。

圖6 無(wú)病害體道路雷達(dá)圖像Fig.6 Disease-free road radar image

4.2.2 路面下主要病害體雷達(dá)圖像特征

當(dāng)?shù)缆废路接胁『w時(shí)，反射波的同相軸會(huì)發(fā)生錯(cuò)斷或劇烈變化，振幅、相位和頻率發(fā)生明顯改變，且多次波明顯，其特征規(guī)律(見(jiàn)表4)：地下典型病害體的探地雷達(dá)圖像特征。

表4 地下主要病害體的探地雷達(dá)圖像特征

5 結(jié)論

本文依托蘭州市道路地下病害體探地雷達(dá)圖像資料，通過(guò)對(duì)道路地下空洞、脫空、疏松及富水體雷達(dá)圖像解譯分析，對(duì)比無(wú)病害體道路雷達(dá)圖像，總結(jié)出病害體探地雷達(dá)圖像判讀特征如下：

1)空洞體：頂部雷達(dá)圖像反射信號(hào)能量增強(qiáng)，反射波振幅明顯增大，且頂部相位呈現(xiàn)正負(fù)正(白黑白)，由于空洞頂界面通常凹凸不平，同相軸表現(xiàn)為一定程度的起伏彎曲，在空洞頂部邊界以及側(cè)壁附近會(huì)出現(xiàn)明顯的繞射波；空洞內(nèi)部通常填充空氣，空洞底部、側(cè)壁往往容易形成明顯、雜亂多次反射波組。

2)脫空體：通常發(fā)生在道路結(jié)構(gòu)層與下方土體之間，脫空界面上往往形成強(qiáng)振幅反射能量，與空洞頂界面特征類似，頂部相位呈現(xiàn)正負(fù)正(白黑白)，反射波同相軸相對(duì)規(guī)則。在脫空病害的頂、底界面之間充填通常為空氣，頂、底界面之間往往容易形成明顯的多次反射波，邊界以及側(cè)壁附近也會(huì)出現(xiàn)明顯的繞射波。

3)疏松體：一般疏松體反射波振幅能量相對(duì)背景有所增強(qiáng)，一般沒(méi)有明顯規(guī)則的頂界面同相軸，由于松散體內(nèi)部充填不同性狀的土體排列無(wú)規(guī)律，因此松散體內(nèi)部在雷達(dá)圖像上表現(xiàn)為雜亂的反射波：嚴(yán)重疏松體反射波振幅能量相對(duì)背景明顯增強(qiáng)，比一般疏松體的反射波能量更強(qiáng)，一般沒(méi)有明顯規(guī)則的頂界面同相軸，并且松散體內(nèi)部在雷達(dá)圖像上表現(xiàn)為雜亂的強(qiáng)反射波。

4)富水體：介電常數(shù)較大，通常頂部形成強(qiáng)振幅反射波，頂部形成連續(xù)的反向性反射波組，頻率低于背景場(chǎng)，衰減較快。