探地雷達法在調查地下空洞中的應用研究

丁肇偉

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092）

探地雷達法在調查地下空洞中的應用研究

丁肇偉

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092）

探地雷達是利用介質間的電導率、介電常數等電性差異分界面對高頻電磁波(主頻為數十兆赫至數百兆赫)的反射來探測地下目標的。地下空洞探查一直是工程界的難點，如何進行高效、大面積、非破損的探查，是許多單位都一直在努力加以解決的問題。隨著電子技術的發展，探地雷達作為一種應用范圍廣、穩定性高的儀器，逐漸得到重視，它的應用領域的拓展，也是各引進該儀器的單位一直在努力的方向。針對高水位地區的介質場，如果能研究出一種比較可靠，能夠大面積普查的空洞調查技術，將會對提高核心競爭力和擴大市場份額起到積極的作用。

探地雷達；地下空洞；高水位介質場

1　研究背景和意義[1-4]

1.1研究背景

探地雷達（Ground Penetrating Radar，簡稱GPR）與探空雷達技術相似，是利用寬帶高頻時域電磁脈沖波的反射探測目標體，只是頻率相對較低，主要用于解決地質問題，又稱“地質雷達”。

將雷達技術用于探地，早在20世紀初就已經提出，在隨后的60年中該方法多限于對波能吸收較弱的鹽、冰等介質中。直到20世紀70年代以后，探地雷達才得到迅速推廣應用（工程地球物理專業委員會，2001；王百榮等，2001）。

我國探地雷達儀器的研制始于20世紀70年代初期，由多家高校和研究機構進行儀器研制和野外試驗工作。但是由于種種原因，研究成果在實際工程中的應用效果一直未能得到廣泛認可。目前，國內使用的探地雷達儀器多是引進的，能夠提供商用探地雷達技術的有美國、加拿大、瑞典、俄羅斯等國家（李大心，1994）。

近年來，隨著工程建設的飛速發展和探地雷達技術的逐步成熟，雷達探測技術逐漸在軍事、地質、水利、交通、城建等部門得到了廣泛應用。

探地雷達是由地面的發射天線將電磁波送入地下，經地下目標體反射被地面接收天線所接收，通過分析接收到電磁波的時頻、振幅特性，可以評價地質體的展布形態和性質。由于雷達穿透深度與發射的電磁波頻率有關，使其穿透深度有限，但分辨率很高，可達0.05 m以內。早期，探地雷達只能探測幾米內的目標體，應用范圍比較狹窄，目前根據報道，在陸地上探地雷達探測深度最大可達100 m，已經成為水文和工程地質勘察中最有效的地球物理方法之一。

探地雷達因具有分辨率高，成果解釋可靠的特點。在淺地層地質勘探中，取得了廣泛的應用（Mellette，1995）。 如探測覆蓋層厚度、基巖面起伏（Davis,1989；李張明等，1997；周德存，2006），查找潛伏斷層、破碎帶（Beres，1991）、古溶洞、管道溝、涵洞以及地下掩埋體等（王俊茹等，2002）；在工程探測中使用探地雷達可以進行高速公路（Hugenschmidt，1998；楊天春，2003）、機場道路等質量的無損檢測（薛建等，1997；張河水等，1998；李修忠等，1999；潘衛育等2004），進行隧道地質超前預報（巨浪，2005；薛云峰等，2006）、檢測隧道襯砌質量（周黎明等，2003；梁緘鑫，2005；張峰，2006）、探測建筑物地下邊坡孤石（王俊茹等，2002）、機場地下古墓等不良地質體分布、探測水庫壩體結構層（李宜忠等，2006）及結構層材料老化變質（Robert，1998）、檢測灌漿質量及混凝土厚度（溫佩琳，1997；魏超，2004）、探測地下管道等等（茹瑞典，1996）；使用探地雷達調查滑坡體及滑坡面、評估崩塌、滑坡及地面沉降等地質災害調查（鄧世坤，1993）。

隨著探地雷達探測技術的不斷發展和進步，其應用領域正在不斷地擴展。國外探地雷達探測技術已經在高精度探測、三維探測、超深度探測技術方面取得了長足的進步。尤其是探地雷達用于工程質量定量精度檢測方面取得了進展，已納入許多西方國家的質檢標準體系中，相應的硬件設備和數據處理軟件系統也已經研發成功，部分中高端產品也已經銷售到中國。

由于探地雷達探測技術具有的高精度數據采集、可視化成像技術和原位快速解譯等優點，該項探測技術已經納入國家公路路基檢測、管道探測等行業的質檢標準規范體系。多年來，地球物理學家致力于探地雷達探測技術方法對工程建設項目的質檢評價的應用研究，其目的在于拓展探地雷達探測技術的應用領域，以及探索無損傷隱蔽工程質量檢測評價的新方法。

1.2研究意義

探地雷達是利用電磁脈沖波（1M～1 GHz）以寬頻帶短脈沖形式由天線發射到地下，雷達脈沖在地下傳播過程中，遇到不同電性介質界面時，部分雷達波的能量被反射回地面，被接收天線接收。探地雷達探測到來自地下介質交界面的反射波，通過探地雷達記錄的反射波到達地面的時間和反射波的波幅來研究地下介質的分布，并以其特有的高分辨率在淺層或超淺層探測中有著極其廣闊的應用前景。

目前高頻探地雷達（800 MHz～2 GHz）能精確測定超淺層缺陷區的形狀、大小和深度，具有節省勞力、操作方便、速度快的特點，能在大范圍內進行檢測，受周圍環境影響小。高頻探地雷達在道路路基工程中具體應用主要是對道路面層厚度檢測、道路基層空洞、高含水區、基層厚度等檢測項目，還可以將其運用于道路的材質、裂縫、濕度和結構等方面的檢測。中低頻段的探地雷達（20 MHz～1 GHz）應用在工程質檢評價領域是具有較為理想的地球物理前提，但是相應的探測技術方法還有待進一步研究，尤其是探地雷達對工程目標物的高精度檢測和定量評價分析方面需要做大量的應用研究。

近年來，我公司在市政工程物探、檢測領域的業務量逐年增多，如何在保證質量、保證精度的同時，探索出一種別人沒有，或別人沒有我們研究深入、成熟的方法、技術，是公司領導和技術人員一直在思考的課題，

隨著物探設備RAMAC_GPR型探地雷達的引進，相關技術人員考慮結合路基、涵洞等項目中的探測課題，研究一種比較適合高地下水位軟土地區的雷達探測方法，以便為道路竣工驗收、箱涵基底情況評價提供可行、可靠的依據。

為此，研究小組擬從路基、箱涵底部出現的的疏松、空洞探測出發，研究高水位軟土地區探地雷達法的適用性。

2　研究內容、方法原理

2.1研究內容

（1）探地雷達現有性能研究；

（2）探地雷達對因各種原因造成的路面、箱涵底部疏松、空洞等情況的探測研究；

（3）實際測試圖像處理分析；（4）探測結果的驗證分析。

2.2雷達法原理

探地雷達由發射天線T將高頻電磁波（主頻為106～109Hz）以寬頻帶脈沖形式送入地下，經地下目標體或不同電磁性質的介質分界面反射后返回地面，為另一接收天線R所接收。探地雷達的觀測方式有多種，若發射天線固定不動，接收天線沿側線移動，并逐點接收來自反射界面的反射回波，則回波走時與天線距之間滿足如下關系：

式中：v為電磁波在地下介質中的波速；z為反射點A的法線深度。

顯然，回波走時與天線距之間的關系為雙曲線。對于零天線距的單置式天線而言，即天線距x=0，同點激發并接收，則自激自收時間為：

當地下介質中的波速v為已知時，則可根據天線距（已知）x和記錄回波走時t值（ns，1ns=10-9s），由式（1）或式（2）可求出反射體的埋深。

圖1與圖2為一地質模型及其對應的雷達記錄示意圖。在雷達剖面上，可直觀地觀察地下反射界面的形態及深度變化。當然，對于傾斜的反射界面，其反射同相軸與地震反射剖面一樣，也同樣存在著偏移與偏移歸位問題。

圖1　電磁波反射路徑

3　已有工程雷達探測試驗研究

地下空洞探測從介質分類的角度可分為兩大類：一類是土介質，此類工程包括堤防工程的隱患探測。特點是埋深大，目標介質與圍巖（圍土）電性差異小。另一類是與水利有關的各種混凝土設施如閘、壩、隧道（隧洞）、防滲墻、共同溝等工程，特點是探測深度淺，但探測精度要求高。針對兩類工程的特點，我們有目的地選擇了相應的試驗對象來考察RAMAC_GPR探地雷達的使用效果。首先做探地雷達不同觀測方式以及不同頻率天線對比試驗，以了解各種觀測方式的適用范圍。

圖2　探地雷達探測剖面

3.1路基檢測

浦曉路位于浦江鎮，由東線和西線組成，中間由景觀河分隔，本次檢測路段為西線景觀橋至江柳路段，全長約80 m，該路路面結構（自上而下）為細瀝青混凝土（3 cm厚）、粗瀝青混凝土（9 cm厚）、二灰三渣層（35 cm厚），墊層為15 cm厚的礫砂層，路基土為褐黃色粉質粘土。

由于緊臨該路段西側的華僑城別墅區，在其深基坑施工時出現了坑壁失穩的險情，致使該路段路基受到影響，如：路面產生了貫通性裂縫，路下所埋水管爆裂。

為了解該路段路面、路基的受損程度，受浦江鎮投資有限公司委托，我公司承擔了對該路段的檢測工作，檢測采用地質雷達探測結合路面取芯測強進行。

由于要求探測路面路基的破壞情況并作定性分析，我們根據設計提供基礎深度選取500 m屏蔽天線進行探測，并選取江樺路路中央及兩邊三條平行測線進行對比探測，見圖3。

圖3　雷達測線布置

通過實地檢測，獲得一系列典型的回波信號剖面圖，通過對獲得的圖像進行目標識別，分析地基破壞程度。

（1）地基填充層缺陷

如圖4所示，可以看出在兩道黑線之間的反射回波信號與兩側路面的反射回波信號有明顯差異，這是因為這一段路面在鋪設時，填充土壓實差，疏松的土壤反射回波能量較低所致。

圖4　典型雷達剖面影像

（2）松散含水

填土不密實，呈松散狀態，含水量相對偏大，個別甚至呈液限。因此病害區介電常數較大，與周圍介質介電常數存在差異，由于土層疏松、較多小孔隙分布或含水量不均勻，反射界面多而亂。在探地雷達剖面上表現為反射波較多、規模小、不連續、反射能量強弱變化較大，整個剖面較為雜亂（見圖4）。

（3）橋面鋼板接縫

在道路檢測過程中，遇到橋面鋼板接縫的強烈反射，形成如圖4所示的強烈反射回波信號。

在對比分析探地雷達實測圖像之后，運用鉆孔取芯機，在雷達圖像上異常反應強烈的地段進行鉆孔取芯驗證，得到的芯樣情況見圖5。其中，芯樣1為地基沖刷嚴重的松散含水段，芯樣2為地基填充層缺陷段，芯樣3為地基沖刷中等的松散含水段。

圖5　路面芯樣

雷達探測基本查明了路基破壞較為嚴重區域的范圍分布，但由于鉆孔深度未能穿越整個路基，因此，對深部破壞形式和破壞程度無法做出準確分析。

3.2張揚路共同溝基底探測

張揚路共同溝是為浦東新區管線鋪設而建成的地下箱涵，為了檢測已建共同溝的混凝土與周邊土質情況，運用探地雷達對其進行普查。

鑒于檢測深度為混凝土結構外圍1 m范圍內的土質情況，采用500 MHZ屏蔽天線進行探測，由于共同溝探測場地條件所限，沿共同溝布設了2條測線運用剖面法進行探測（見圖6）。

圖6　測線布置

通過現場探測，選取測線剖面圖中具有代表性的雷達圖像進行分析。

（1）箱涵底部管溝

對剖面的雷達記錄進行增益、濾波等一系列處理后得到最終的雷達成果圖像，從處理后的雷達圖像上（見圖7）可以看出，在該雷達剖面的整段均有多條幅度很強的反射同相軸存在，經分析和現場對比，這是測線經過箱涵底部管溝管頂的一次和多次反射波。

圖7　管溝雷達影像

（2）箱涵底部土質情況良好區域

對剖面的雷達記錄進行增益、濾波等一系列處理后得到的雷達成果圖像，從處理后的雷達圖像上（見圖8）可以看出，在該雷達剖面的整段反射同相軸反射平穩、均勻，經分析和現場對比，這是箱涵底部土質填充情況良好的表現。

圖8　基底土雷達影像

（3）箱涵底部結構邊縫

對剖面的雷達記錄進行增益、濾波等一系列處理后得到的雷達成果圖像，從處理后的雷達圖像上（見圖9）可以看出，在該剖面局部區域出現多條幅度很強的反射同相軸存在，經分析和現場對比，這是箱涵結構接縫所產生的雷達波反射。

圖9　結構邊縫雷達影像

（4）箱涵底部含水性區域

對剖面的雷達記錄進行增益、濾波等一系列處理后得到的雷達成果圖像，從處理后的雷達圖像上（見圖10）可以看出，在該剖面局部區域有多條銳化反射波存在，經分析和現場對比，初步推斷是地下箱涵高低差異造成該區域長時間積水，而造成地下水囤積。

圖10　基底富水區雷達影像

（5）箱涵底部排水浜工作井

對剖面的雷達記錄進行增益、濾波等一系列處理后得到的雷達成果圖像，從處理后的雷達圖像上（見圖11）可以看出，在該剖面局部區域出現多條幅度較大的銳化反射波，經分析和現場對比，確定這是地下箱涵排水浜工作井的雷達波反射。

（5）箱涵底部空洞和填充層不密實區域

對剖面的雷達記錄進行增益、濾波等一系列處理后得到的雷達成果圖像，從處理后的雷達圖像上（見圖12）可以看出，在該剖面兩側區域出現多條幅度很強的反射同相軸存在,并在中央區域出現多條幅度較大的銳化反射波，經分析和現場對比，推斷這是由于箱涵底部兩側排管造成中央區域土體擾動嚴重，而造成中央區域土體填充出現不密實和空洞。

圖11　排水浜工作井雷達影像

圖12　基底松散、空洞區雷達影像

4　存在問題

（1）通過探地雷達探測，可以判斷路基在經過自來水浸泡和測向變形后造成了一部分的擾動破壞，但由于取芯深度限制，尚無法準確判斷路基擾動情況，待實施時通過開挖追蹤，獲得更進一步的對比結論。

（2）通過探地雷達探測，初步可以推斷張揚路共同溝內的混凝土與周邊土質情況的幾種情況，由于共同溝現場環境條件和研發費用等原因，暫無法安排其他方法對可疑區域進行驗證，但是可以在有條件的情況下，采用地震與雷達探測相結合的方式進行對比試驗。

地震與雷達對比驗證是最有效也是最常用的方法，但考慮到布置震源所需要的條件比較苛刻，與共同溝所具備條件不相符合，所以可以運用與地震原理相似的基樁動測儀與雷達相結合進行對比驗證，這是我們今后研究的方向之一。

5　結論及建議

5.1主要結論

（1）探地雷達作為一種無損檢測方法既有速度快、工作面大等優點，利于推廣；

（2）雷達探測法作為一種檢測和定性評價地下空洞的方法，在實踐中是可行的；

（3）高水位導致的介質間物性差異降低，對探測結果有較大影響，但通過天線頻率、步距和濾波的選擇，可以大大降低該影響，大大提高雷達探測特別是淺深度探測中的可靠度。

5.2下一步研究建議

（1）開展不同頻率探測結果的對比分析，研究頻率、測深、精度間的關聯。

（2）選用可靠方法對雷達探測結果進行驗證，研究雷達法的可靠性。

（3）加強施工資料收集，研究施工工藝、施工質量對雷達探測結果的影響，以實現對探測結果的間接驗證。

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A

1009-7716（2016）02-0191-05

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.02.053

2015-11-30

丁肇偉（1983-），男，河南洛陽人，工程師，從事工程物探工作。