探地雷達在填土下部空洞檢測中的試驗研究

趙得杰，張永濤，郎海鵬

(1.石家莊鐵道大學 土木工程學院，河北 石家莊 050043;2.中建國際投資(中國)有限公司，廣東 深圳 518000)

0 引 言

道路在我國經濟建設中占有十分重要的地位，其工程質量直接關系著人民的生命安全和國家的財產［1］.近年來，隨著我國經濟的快速發展，道路建設的速度也越來越快，同時，對已有道路的檢測也越來越重要，尤其是對路基填土的空洞探測［2］.目前，我國傳統的路基檢測方法幾乎都是破損試驗，而且信息少、速度慢、代表性差、偶然性大，已不能滿足公路運輸飛速發展的需求［3］.

隨著科學技術的飛速發展，探地雷達(GPR)以其經濟、無損、快速而直觀的特點成為無損檢測中最主要的工具之一［4］.但目前對探地雷達沒有統一的標準，其檢測結果的準確性很大程度上依賴于檢測人員的經驗，所以只能作為一種輔助手段［5］.為對該問題進行詳細研究，本研究制作了雙層填土空洞缺陷模型，利用LTD-2100 型探地雷達進行試驗，分別用400 MHz、600 MHz、900 MHz 天線對檢測點進行掃描，對圖像進行特殊處理，得出了一些有益的結論.

1 試驗設計

1.1 模型設計

路基填土遇水在自重作用下容易產生空洞，為提高探地雷達對空洞探測的準確性，本研究在實驗室內對其進行了試驗研究.該試驗在土槽中進行，土槽的設計尺寸為3 m ×1.3 m ×1.2 m(長× 寬×高)，為了避免土槽壁反射波對探測結果的影響，試驗在土槽中部1m 的范圍內進行.

多管線干擾下填土空洞探測模型設計(見圖1)本研究主要分析上部管線對下部空洞的影響.

圖1 多管線干擾下填土空洞探測模型

圖1(a)、(b)為雙管線干擾模型，圖1(a)中雙管線直徑為250 mm，管內側間距為500 mm;圖1(b)中雙管線直徑為160 mm，管內側間距為500 mm;圖1(c)、(d)、(e)為多管線干擾模型，圖1(c)中3 管線直徑為160 mm，最外側2 根管內側間距為500 mm;圖1(d)中3 管線直徑為160 mm，管線間距為0;圖1(d)中為5根管線，其中中間3 根直徑為160 mm，管內側間距為500 mm，兩邊2 根直徑為110mm，距內側160 mm 管線的距離為150 mm.模型使用管徑為315 mm 的PVC 管模擬空洞.

1.2 參數設置

參數設置的具體步驟是:首先，設置天線頻率，根據探測深度選擇合適的視窗;其次，設置采樣點數，最小采樣點數必須大于垂向分辨率，一般為512點;再次，設置增益效果，分為整體增益和局部增益，一般情況為人工增益;最后，輸入介電常數，并選擇測量方法.

1.3 測線布置

本次測試共布設5 條測線，測線之間的間距為200 mm，以方便對圖像進行對比分析.在對掃描圖像進行解釋時，選擇最清晰的一條測線進行分析.

1.4 圖像處理

本研究對掃描圖像解析采用IDSP 6.0 軟件，在數據處理之前，利用軟件中的工程管理功能項，將每一工況的文件按工況名進行分類以便于數據處理.圖像處理的具體過程為:首先處理在變換測線時產生的雜波，此類雜波并不是在掃描過程中產生的;然后選擇合適的比例將掃描圖像在窗口內全部顯示，采用帶通式FIR 濾波器濾波，濾波范圍為所有采樣點，濾波頻率根據中心天線頻率的不同選擇不同的參數，窗函數選擇矩形窗，還可以運用零點調節、自動增益、局部增益、消除背景與滑動平均等設置.

2 檢測結果與分析

2.1 雙管線(Φ=250 mm)干擾下空洞探測模型

雙管線(Φ=250 mm)干擾下，不同頻率雷達掃描圖如圖2、3 所示.

圖2 雙管線(Φ=250 mm)干擾下600 MHz 雷達掃描圖

圖3 雙管線(Φ=250 mm)干擾下雷達掃描圖

圖2 為測線3 經過濾波、零線歸位和增益處理后的空洞圖像.可以清晰地看到，1#、2#管線的反射波形，并且2 根管線反射波的翼緣在中間相交，形成疑似空洞的圖像.通過與模型圖和縱坐標對比分析可知，該圖像的埋深為350 mm 與下層空洞3# 埋深不符.在圖2(b)中，通過與模型圖和縱坐標對比分析可以直接看出藍—紅—藍的雙曲線圖像，可以判斷為3#空洞.通過對比分析相交翼緣曲線和空洞曲線，可以看到相交翼緣曲線頂部尖銳，兩側翼緣切線的斜率不同，而空洞曲線頂部圓潤，頂部切線基本為水平線.因此，在對圖像進行解釋時要特別注意，不能盲目標注缺陷.

圖3 為使用400 MHz 天線和900 MHz 天線的雷達掃描下所得的空洞圖像及單道波形圖.與600 MHz 天線掃描圖清晰度的對比分析可以看出，掃描圖的清晰度在不同頻率下依次為，400 MHz ＞600 MHz ＞900 MHz.

2.2 雙管線(Φ=160 mm)干擾下空洞探測模型

雙管線(Φ=160 mm)干擾下，不同頻率雷達掃描圖如圖4、5 所示.

圖4 雙管線(Φ=160 mm)干擾下600 MHz 雷達掃描圖

圖5 雙管線(Φ=160 mm)干擾下雷達掃描圖

圖4 為測線3 經過濾波、零線歸位和增益處理后的空洞圖像，1#、2#管線的反射波形依然可以清晰地看到，且2 個波形之間基本無干擾.通過縱坐標可以看出，750 mm 處出3#空洞的反射圖像(雙曲線形狀)，圖像翼緣略微發生錯段，但是比雙管線(Φ=250 mm)干擾下的掃描圖像稍微清晰一些.

圖5 為使用400MHz 天線和900MHz 天線所得的空洞圖像及單道波形圖，與600 MHz 天線相比，400 MHz 天線探深大，可以分辨出空洞的整體波形圖;900 MHz 天線只能看到3#空洞頂部的反射波形.與雙管線(Φ =250 mm)干擾下的掃描圖像相比，400 MHz 波形更加完整，且未發生畸變.

對以上2 種情況的綜合分析可以發現，上部干擾管線的直徑對下部空洞探測影響不是很大，其主要影響因素為管線間距和天線頻率，當管線間距大于3 倍管線直徑時，對空洞的探測影響較小.低頻天線探深大，圖像清晰度高.

2.3 三管線(Φ=160 mm)干擾下空洞探測模型

三管線(Φ=160 mm)干擾下，不同頻率雷達掃描圖如圖6、7 所示.

圖6 三管線(Φ=160 mm)干擾下600 MHz 雷達掃描圖

圖7 三管線(Φ=160 mm)干擾下雷達掃描圖

圖6 為測線3 經過濾波、零線歸位和增益處理后的空洞圖像，可以清晰地看到，1#、2#、3#管線的反射波形圖，而且波形圖并未相互疊加，均為典型的雙曲線形式.在圖6(b)700 mm 處可以分辨出4#空洞(紅—藍—紅雙曲線形)，圖像顏色略微發生錯段，但仍保持整體形式.與圖2、圖4 對比分析可知，當管線間距縮小時，下部空洞的探測效果受到的影響較大.

圖7 為使用400 MHz 天線和900 MHz 天線所得的空洞圖像及單道波形圖，經過濾波處理可以看出，1#、2#、3#管線反射波振幅減小，灰度圖變暗.4#空洞兩側翼緣完整，但并不完全對稱，頂部出現錯段，圖像發生了畸變，受雜波的干擾嚴重.

2.4 三管線(Φ=160 mm，間距為0)干擾下空洞探測模型

三管線(Φ=160 mm，間距為0)干擾下，不同頻率雷達掃描圖如圖8 所示.

圖8 三管線(Φ=160 mm，間距為0)干擾下雷達掃描圖

圖8 為使用400 MHz 天線和900 MHz 天線所得的空洞圖像及單道波形圖，經過濾波處理可以看出1#、2#、3#管線的反射波形圖.在圖8(a)中，4#空洞的反射圖像可以清晰地分辨出來，圖像為典型的雙曲線形式，圖像完整;在圖8(b)中，4#空洞的反射圖像受屏蔽干擾嚴重，翼緣間距減小.與厚度為315 mm 的空洞干擾相比，厚度為160 mm 的空洞對下部空洞影響較小.綜合分析可知，當上部空洞厚度較小時(＜160 mm)，下部空洞可以清晰的探測出來，當上部空洞厚度較大時(＞300 mm)，下部空洞較難探測出來.

2.5 多管線干擾下空洞探測模型

多管線干擾下，不同頻率雷達掃描圖如圖9、10所示.

圖9 多管線干擾下600 MHz 雷達掃描圖

圖10 多管線干擾下雷達掃描圖

圖9 為測線3 經過濾波、零線歸位和增益處理后的空洞圖像，可以清晰地看出，1#、2#、3#、4#、5#管線的反射波形圖.其中1#、5#管線的反射圖形頂部曲率略小，這是由于空洞缺陷變小引起的.經過增益處理后，在圖9(b)中可以分辨出空洞處的異常:同向軸不連續，發生錯段，呈雙曲線形.與圖6(b)比較，可以看出在管線外側等間距增加管線數量時，對探測效果的影響較小，可見探測效果主要受管線間距的影響較大.

圖10 為使用400 MHz 天線和900 MHz 天線所得的空洞圖像及單道波形圖，在圖10(a)中6#空洞的兩側翼緣變短，雙曲線同向軸發生多次錯段，兩側不完全對稱，發生輕微畸變，這是由于管線外側增加了兩根110mm 的管線所致.在圖10(b)中，由于單根管線反射圖像翼緣相交，而且間距較小，在圖像下部形成一排雜波，雜波為雙曲線形式，極易判斷錯誤.通過單道波形圖，在黑點處可以看到較強反射，說明在此處反射系數增強，存在介質差異，可以判斷為空洞.與400 MHz 天線相比，高頻天線在深層空洞探測時圖像顯示范圍減小.

3 實際工程應用

3.1 工程概況

深圳某科技集團工業園始建于2000年，目前園區內道路縱橫交錯，人流和車流較大，地質情況復雜.本研究對該工業園區內道路可能存在的地下空洞進行了探測.為了降低維修成本，根據試驗結果分析選用400 MHz 天線沿道路前進方向連續測量并在車道的中間布設一條測線，運用本研究的方法設置探地雷達的基本參數和后期數據處理.通過對測試段實際情況分析，試驗獲得了較好的效果.

3.2 檢測結果與分析

實際檢測結果如圖11、12 所示.

圖11 雙層空洞掃描圖

圖12 空洞掃描圖

從圖11、12 可知，在道路埋深1.8 m 處分布1#和2#空洞，在1#、2#空洞下方分布有3#、4#空洞，上部空洞并未在下部空洞的正上方.當上部空洞間距較大時對下部空洞探測影響較小，在圖像中4#空洞位于1#和2#之間，圖像為典型的雙曲線形，與試驗結論相符.在圖像左側1#、2#空洞之間距離較小，1#空洞曲線左側翼緣與2#空洞曲線重疊，僅保留部分特征.在圖像右側3#、4#空洞位于上部，5#空洞位于3#、4#空洞下面，受上部空洞干擾，5#空洞圖像清晰度下降，但圖像保持完整，為完整的雙曲線形式.

4 結 論

當空洞間距大于3 倍空洞直徑時，對下部空洞的探測影響較小.當空洞上部土層厚度較小時(小于160 mm)，下部空洞可以清晰的探測出來;當空洞上部土層厚度較大時(大于300 mm)，下部空洞較難探測出來.此外，高頻天線在深層空洞探測時，其圖像顯示范圍較窄，探深較淺.

［1］賀脫夫.探地雷達在探測路基地下空洞中的應用［J］.西部探礦工程，2008，20(6):120－122.

［2］江凱.探地雷達在路基檢測中的應用研究［D］.成都:西南交通大學，2011.

［3］劉棟.探地雷達在公路工程檢測中的應用研究［D］.沈陽:東北大學，2008.

［4］柴福斌.基于探地雷達的水泥混凝土路面板底脫空檢測技術［D］.西安:長安大學，2009.

［5］蔣誠.地下管道周邊介質缺陷的探地雷達實測研究［D］.長沙:湖南大學，2014.