探地雷達在公路路基巖溶探測中的應用研究

周平 胡麗琴

摘 要：本文介紹了探地雷達工作原理和探測方法，在工程實例的基礎上，研究了公路路基巖溶的探地雷達信號特征及現場干擾信號的雷達圖像特征，有助于提高探地雷達信號的解譯水平，為探地雷達在路基巖溶探測工作積累了必要經驗。

關鍵詞：探地雷達；路基；溶洞

中圖分類號：U412 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）06（b）-0000-00

中圖分類號： 文獻標識碼：

The Application Study Of Detection With Ground Penetrating Radar About Highway Subgrade Karst Cave

ZHOU Ping1 HU Li-qing2

（1 Jiangxi Traffic Consulting Company， Nanchang， Jiangxi 330300，China）

（2 Jiangxi Nanchang Transport Management，Nanchang， Jiangxi 330300，China ）

Abstract：Working principle of ground penetrating radar and detection methods was introuduced. Based on engineering example， the characteristics of radar images about highway subgrade karst was studied， it is helpful to improve the translation level of ground penetrating radar signal ， it is also helpful to improve the experience in subgrade karst exploration work.

Key words：Ground penetrating radar； karst cave

1引言

我國近年來掀起的交通設施建設高潮使得交通狀況日新月異，特別是公路通車里程屢被刷新。在大量的公路工程建設過程中，受限于工期、技術等因素，由公路路基巖溶引起基層和面層病害的情況時有發生。在這一背景下，如何對新建和運營的公路路基巖溶進行探測和解譯便成了掌握和處治巖溶的關鍵技術。

2 探測原理與方法

2.1探測原理

我國的探地雷達無損檢測技術起步于上世紀九十年代，探地雷達是一種用于確定地下介質分布情況的高頻電磁技術，基于地下介質的電性差異，探地雷達通過一個天線發射高頻電磁波，另一個天線接收地下介質反射的電磁波，并對接收到的信號進行處理、分析、解譯。其詳細工作過程是：由置于地面的天線向地下發射一高頻電磁脈沖，當其在地下傳播過程中遇到不同電性（主要是相對介電常數）目標時，電磁波發生反射返回地面，被接收天線接收，并由主機記錄，雷達工作原理及其基本組成見圖1。反射波從被發射天線發射到被接收天線接收的時間稱為雙程走時t，當求得地下介質的波速時，可根據測到的精確t值折半乘以波速求得目標體的位置或埋深，同時結合各反射波組的波幅與頻率特征可以得到探地雷達的波形圖像，從而了解場地內目標體的分布情況。

我國眾多科技工作者分別從理論基礎和工程應用的角度對探底雷達技術先后進行了大量的研究[1-5]，并取得了輝煌的成果。

圖1 雷達工作原理及其基本組成示意圖

2.2探測方法

根據現場探測深度和精度要求選擇100M地面耦合型天線，探測方向沿路線方向布設，測線布置示意圖如圖2所示（黑點為測線剖面位置），采用連續測量模式或測距輪模式，時窗范圍250ns，探測深度為10米左右。

圖2 探地雷達測線布置示意圖

3巖溶及其圖像特征分析

當路基中存在巖溶時，其與巖土體電性差異較大，電磁波在二者界面處易形成強烈的反射波，根據雷達檢測剖面圖像輪廓和波形特征即可識別巖溶的空間特征。

3.1正常地段

正常的地段巖土體風化程度、含水率、軟硬狀態等較為均一，介電常數變化不大， 介質較為均勻，其雷達圖像反射波較弱，同相軸連續。

圖3 正常段雷達波形圖

3.2溶洞

溶洞內介質為空氣或粘土夾雜碎石填充物，與灰巖的電性差異較大，因此，電磁波在其周邊會產生很強的反射。圖4中左側異常區域為巖溶空洞，已經鉆探驗證，右側異常區域為平行的兩條圓管涵。溶洞和管涵的邊界均會產生強反射，管涵的強反射界面在水平方向上沿管涵軸線基本對稱，而溶洞的強反射界面則顯得很雜亂。由于電磁波傳播介質的變化，無法準確判斷電磁波速，所以圖中異常區豎向標高與實際幾何特征存在差異。

圖4 溶洞雷達波形圖

3.3上跨橋梁

當測線下穿橋梁等結構物時，電磁波會經空氣向上傳播并在橋梁底面產生強反射，在水平方向上呈現明顯的拋物線，其視速度為0.3m/ns左右。

圖5 上跨橋梁雷達波形圖

3.4上跨電纜

當測線下穿電纜時，同樣會產生拋物線形強反射，其視速度也為0.3m/ns左右。

圖6 上跨電纜雷達波形圖

3.5隔離柵

在高速公路的路塹兩側邊坡上常設置隔離柵，隔離柵隨邊坡高度起伏，當測線沿著路線方向前進時，天線距隔離柵的距離亦隨之變化，從圖7中可以看出，較強的隔離柵反射界面是連續的，反射界面雙程走時從左至右呈現增大趨勢，這說明天線與隔離柵的距離是增大的，路側邊坡是由低向高變化的。

圖7 隔離柵雷達波形圖

4結論

本研究通過探地雷達探測原理進行分析，針對探測對象優化了探測方法和探測參數，結合工程實測圖像對正常段信號和常見的異常段信號進行了分析。得到了如下認識：

（1） 當介質電性差異較大時，反射波是很直觀、強烈的，界面信號明顯；

（2） 賦存于巖土體中的溶洞能夠被準確的探測，但豎向尺寸存在誤差；

（3） 準確掌握現場探測條件是進行巖溶探測的基礎。

參考文獻

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[2] 江玉樂，張楠.探地雷達在隧道工程檢測中的應用[J].勘察科學技術，2008（1）：58-61.

[3] 郭立，崔喜紅，陳晉.基于GprMax正演模擬的探地雷達根系探測敏感因素分析[J].地球物理學進展，2012，27（4）：1754-1763.

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[5] 謝雄耀，于超，趙永輝，等.山嶺隧道空洞病害雷達探測圖像影響因素的正演模擬研究[C]//2010年全國工程地質學術年會暨“工程地質與海西建設”學術大會論文集

.中國福建福州，2010：81-87.