探地雷達檢測高速公路隱伏空洞方法研究

仲叢明，薛永軍

（山西省第三地質工程勘察院，山西晉中030620）

1 引言

近年來，探地雷達作為一種高精度、快速的無損探測技術，已廣泛應用于橋梁、隧道和公路等病害檢測中[1～3]。但由于空洞洞底堆積松散物對雷達波的吸收和散射作用，無法形成有效反射，單一的雷達探測無法準確判斷空洞或者脫空的具體高度，針對這種情況采取探地雷達平面探測，背包鉆機垂向驗證相結合的勘測方式，既探測了隱蔽空洞的范圍、規模，又揭露了空洞的垂向高度。并基于實踐分析研究了各種干擾物和空洞的電磁波反射特征。

2 地球物理特征分析

高速公路垂向上基本分為瀝青路面、基層、底基層、沙石墊層和黃土（路基）5 層。其中，瀝青路面、基層和底基層等堅硬結構形成結構層，沙石墊層和黃土為松散層。水侵蝕作用下黃土濕陷或者流失形成空洞，其上部沙石墊層隨即垮落至洞底，因此，洞頂往往是結構底部，但也存在部分沙石黏結在結構層上未完全垮落的現象。洞底為垮落的沙石和黃土堆積，起伏不規則。

不同的結構層層狀分布清晰連續，具有不同的電磁物理性質，如導電性、介電常數等，這種物性差異就是物探工作的理論基礎和物理前提，也是物探資料進行地質解釋的根本依據[4～6]。電磁波由一種介質進入另一種介質時會產生反射、折射等現象，使電磁波的特性參量如振幅、相位、極化、傳播方向等發生變化[7]。公路結構層與砂石墊層的分界面穩定連續，接收的反射回波均勻、平滑，是一個良好的標志層。

空氣的導電率為0S/m，相對介電常數為1，與其他固相物質物性差異非常明顯，因此，當路基中存在脫空和空洞時，在空洞邊界上會形成明顯的電磁波反射，即在勘測剖面上接收到強反射回波，根據回波振幅、相位等變化程度即可推斷下覆脫空和空洞的賦存狀態。

3 干擾電磁波特征分析

3.1 護欄干擾電磁波特征

高速路邊金屬護欄連續不間斷，樁間距一般2耀4m。從圖1可知，護欄干擾呈半橢圓弧狀，受距離限制明顯，距離0.2m 以上淺部干擾消失。沿路探測時護欄連續不間斷，成規律出現，在背景噪聲消除時可以有效濾掉干擾波。

圖1 護欄干擾電磁波特征

3.2 過往車輛干擾電磁波特征

勘測施工時車輛經過，會形成地面震動和電磁波雙重干擾。車輛經過時干擾程度與探頭距離和所載物材質有關。

該干擾源為大載重拖掛車，距離探頭約2耀3m，在探測剖上淺部干擾幾乎不可見，深部弱信號大增益區域形成斑點狀干擾，與車經過時擾動探頭有關（見圖2）。

圖2 過往車輛干擾電磁波特征

3.3 標示牌、電子屏幕、上行橋梁干擾電磁波特征

標志牌、電子屏幕和上行橋梁下方無管道、地基等設施，不存在深大空洞。根據干擾情況（見圖3）看，縱向淺部干擾強度小，深部弱信號區域出現干擾波。干擾電磁波形態以干擾物為中心呈對稱上凸弧狀，弧形完整且光滑。干擾范圍約距離干擾物兩側各10m，探頭背離方向強度大于前進方向。干擾電磁波波形態類似空洞，但特征明顯，波形完美，與天然形成的水毀空洞有明顯區別。

圖3 標志牌和橋梁干擾電磁波特征

4 地下埋設物電磁波反射特征

管道、涵洞、行人通道電磁波反射特征如圖4～圖6 所示。

瀝青下界面、結構層和砂石墊層分界面、砂石墊層和黃土界面物性差異大，反射波清晰，同相軸連續，在剖面上形成連續、均勻反射層面。

已知管道材質為水泥管壁，管頂埋深0.8m，外直徑0.2m，在其上部形成雙回線反射波，下部反射波疊加，形態與頂界波相似，振幅強度隨深度衰減直至消失。

金屬物質的介電常數大，地表干擾物（鐵絲）在反射剖面上形成連續自上而下的垂向反射波，振幅強度較大，橫向范圍小（見圖4）。

圖4 管道和地表鐵質電磁波反射特征

電磁波到達涵洞衰減小時，接收的反射波強烈，涵洞規模大，內部反射波疊加、交錯成網狀；涵洞埋深大、路基墊層厚時，電磁波衰減大，接收的涵洞反射波僅顯示出雙回線反射波，呈上拱弧狀，內部疊加不明顯（見圖5）。

圖5 涵洞電磁波反射特征

正方形行人通道在勘測剖面上形成水平層狀連續強反射界面，內部反射波與洞頂反射波平行，連續疊加。兩側邊界存在下垂弧狀散射，收斂明顯，實際邊界為水平強反射邊界（見圖6）。

5 空洞及脫空電磁波反射特征

脫空相對規模較小，異常反應為頂界反射波同相軸平滑，振幅大，底部存在下垂散射弧，邊界收斂不明顯，波疊加存在，但持續深度和強度較小（見圖7）。

空洞洞頂反射振幅大，同相軸連續且平滑，一側散射弧收斂，底部疊加波明顯。揭露洞頂埋深0.65m，洞底埋深0.8m。另一側邊界收斂不明顯，呈現同相軸界面連續，該處為臨近空洞的脫空，遠離空洞脫空程度減小至消失，電磁波相應的振幅減小，直到正常結構層和墊層的反射界面（見圖8）。

圖6 行人通道電磁波反射特征

圖7 脫空電磁波反射特征

圖8 空洞、脫空平面連續分布電磁波反射特征

空洞砂石墊層垮落，洞頂為底基層底部，洞底為垮塌黃土和砂石墊層，散亂不規則，起伏高差約1.2m。異常反應為頂界和離層位置反射波同相軸連續、振幅變大，邊界收斂不明顯，中部反射波同向軸錯斷。由于最大層位分辨率為姿/2，空氣中電磁波波長約0.3m，因此，基層與底基層離層量（10cm）在電磁波反射剖面上無法區分，僅表現為振幅增強，疊加波振幅相應增大，衰減較小，在剖面上持續深度大，最大約2.5m，但該反射波為空洞和脫空之間電磁波疊加造成的，不代表空洞高度（見圖9）。

圖10 中3 處空洞相互連續，其反射波基本形態相似，洞頂振幅大，同相軸連續、均勻、光滑，兩側邊界散射弧明顯，下部反射波疊加，局部呈現點元式反射波，為砂石墊層垮落不完全引起的洞頂起伏和交錯裂縫的反應。

圖9 空洞與脫空垂向分層電磁波反射特征

圖10 洞群交錯分布電磁波反射特征

6 結論

1）針對高速公路隱伏空洞采取探地雷達與背包鉆機相結合，邊檢測，邊驗證的施工方法有監測范圍廣、施工快、定位準、少誤判、結果確切、獲取數據全等優點，作為可靠科學的勘測方式值得推廣。

2）分析了高速公路結構特點，隱伏空洞和脫空在結構層下部黃土層中，其上部松散砂石墊層垮落至洞底，空洞實際洞頂為底基層下界面，洞頂電磁波反射界面清晰，洞底反射波不明顯。

3）通過實踐對比研究，探地雷達檢測公路的干擾因素各有其電磁波反射特征，可通過反射波振幅強度、相位、形態加以辨認和區別，能夠有效提高隱伏空洞解譯準確率，大大節省勘測時間和成本。

4）高速公路隱蔽空洞反射電磁波特征：洞頂反射波振幅增強，同相軸連續，正相位異常；空洞邊界電磁波散射弧斜下與頂界面呈45毅角，與空洞相反相交；空洞內反射波疊加，振幅強度隨深度減弱。