探地雷達在路基缺陷檢測中的應用研究

張焱森

（廣州市市政工程試驗檢測有限公司 廣東廣州 510520）

0 引言

隨著城市市政基礎設施建設的逐步完善，后期的改擴建成為當下面臨的新問題。市政給排水管線在建設及維修等過程中，由于施工過程中不可避免的因素，導致路面出現不同病害，諸如不均勻沉降、開裂、錯臺等[1-3]。而此病害的產生原因，多是在頂管施工過程中，路基土層出現了脫空、空洞、不密實等現象；或者是舊有排水管線，出現局部滲漏，帶走路基中砂土形成空洞，進一步引發路面塌陷。

探地雷達法（Ground Penetrating Radar Method），作為一種具有輕便、檢測效率高、分辨率高等優點的無損檢測方法，在道路路基缺陷病害檢測方面中，應用十分普遍[4]。本文以探地雷達對廣州市區某市政道路進行雨水管施工完畢后路面病害檢測為依據，對比了不同頻率探地雷達對道路路基不同病害的反射信號差異，分析了不同道路病害的頻譜特征，以及不同頻率數據的不同處理方法，明確了不同頻率探地雷達的適用范圍，對后期路基病害探測工作提供了參考。

1 探地雷達檢測原理與理論依據

1.1 探地雷達工作原理

探地雷達是以待檢測目標體的介電常數與周邊物質的介電常數存在差異為理論依據，利用探地雷達發射天線向目標體發射高頻脈沖電磁波，由接收天線接收目標體的反射回波，探測目標體空間位置和分布的一種非接觸式地球物理探測方法[5-6]。地層中的介質存在不同的介電常數，因此對不同頻段電磁波的波阻抗不盡相同，反射回接收天線的電磁波能量發生不同程度衰減，利用其在探地雷達頻譜中的頻率特征來判斷介質情況。

1.2 理論依據

電磁波的傳播取決于介質的電性，介質的電性主要有電導率μ和介電常數ε，前者主要影響電磁波的穿透（探測）深度，在電導率適中的情況下，后者決定電磁波在該物體中的傳播速度，因此，所謂電性介面也就是電磁波傳播的速度介面[7]。不同的地質體（物體）具有不同的電性，因此，在不同電性的地質體的分界面上，都會產生回波，基本目標體探測原理見圖1。

圖1 基本目標體探測原理（圖片來源：自繪）

1.2.1 電磁脈沖波旅行時間

式中：z-勘查目標體的埋深；x-發射、接收天線的距離（式中因z＞x，故x可忽略）；v-電磁波在介質中的傳播速度。

1.2.2 電磁波在介質中的傳播速度

式中：C-電磁波在真空中的傳播速度（0.29979m/ns）；εr-介質的相對介電常數；μr-介質的相對磁導率（一般 μr≈1）。

1.2.3 電磁波的反射系數

電磁波在介質傳播過程中，當遇到相對介電常數明顯變化的地質現象時，電磁波將產生反射及透射現象，其反射和透射能量的分配主要與異常變化界面的電磁波反射系數有關：

式中：r-界面電磁波反射系數；ε1-第一層介質的相對介電常數；ε2-第二層介質的相對介電常數。

1.2.4 探地雷達記錄時間和勘查深度的關系

式中：z-勘查目標體的深度；t-雷達記錄時間。

2 工程概況

該區域路段現狀為已建道路，交通狀況較為復雜。新設管線為污水管道，長度3770m，管徑D800～D2000，埋深3.00～9.60m，采用鋼筋混凝土管，擬采用頂管施工。本次采用瑞典Impulse Rader公司生產的CO730型高動態雙頻探地雷達，中心頻率分別為300MHz及70MHz，采用測距輪模式，道間距設置0.02m，采樣點取600，沿新建管線兩側分別設置了兩條測線，并根據路面狀況對特殊路段進行了測線加密。

3 數據處理與圖像解釋

3.1 300MHz數據處理與解釋

對300MHz剖面數據進行后期處理，其主要步驟分為：①靜校正切除（時間零點校正）；②DC去直流漂移：去除零漂現象；③能量衰減增益：增強深部信號；④去除水平干擾：去除因駐波所導致的水平信號干擾；⑤巴特沃斯帶通濾波：去除高低頻干擾，保留有效信號；⑥滑動平均：去除毛刺信號干擾，使得圖像更加平滑；⑦距離歸一化：校正距離，減少里程誤差的積累。然后調整對比度，使得灰度圖強弱對比明顯，凸出異常，處理結果部分病害見圖2、圖3。

圖2清晰可見，在測線樁號40m，深度約1m位置，出現單支雙曲線，此頻譜特征說明下部埋設有管線；緊鄰管線右側電磁波反射信號幅值較強，同相軸不連續、錯斷，且相位雜亂，呈區域化分布，說明該區域土體受到擾動，出現疏松、不密實現象。

圖2 管線周邊不密實-300MHz（圖片來源：儀器采集數據）

圖3 路基脫空區-300MHz（圖片來源：儀器采集數據）

圖3 顯示在測線樁號56～59m，深度約1m位置，電磁波反射信號幅值較強，呈近似水平的帶狀分布，且有多次反射信號。該處出現連續的脫空區，路基可能出現不均勻沉降。或者在地下水滲流及沖刷作用下，脫空區可能會有擴大趨勢。

3.2 70MHz數據處理與解釋

對70MHz剖面數據進行后期處理，其主要步驟分為：①重抽道：對道間距進行x方向重新采樣；②靜校正切除（時間零點校正）；③DC去直流漂移；④能量衰減增益；⑤去除水平干擾；⑥陷波/帶阻濾波：在頻率域執行陷波濾波；⑦巴特沃斯帶通濾波；⑧重采樣：在時間方向上重采樣；⑨滑動平均；⑩距離歸一化。最后調整對比度，凸出異常，處理結果部分病害見圖4、圖5。

圖4 路基不密實區-70MHz（圖片來源：儀器采集數據）

圖5路基脫空區-70MHz（圖片來源：儀器采集數據）

圖4 中，在測線樁號60m，深度約1m位置，電磁波信號幅值較強，同相軸不連續、錯斷、相位雜亂，呈區域化分布，說明該區域土體出現空洞、疏松、不密實的病害，部分路段已導致路面不均勻沉降。同圖2電磁波頻譜所顯示的病害特征相似。

圖5中，在測線樁號110～122m，深約1.1m位置，電磁波反射信號幅值較強，呈近似水平的帶狀分布，且有多次反射信號，說明此處出現連續脫空區，病害已較為嚴重。結合現場實地勘查記錄，此處因頂管施工，已出現路面沉降，部分部位路面開裂，且降雨入滲等因素也同樣導致病害逐步惡化。該圖特征同圖3特征相一致。

由圖2～圖5電磁波頻譜特征可見，在選擇中心頻率為300MHz的探地雷達進行路基病害探測時，分辨率較高，對于比較小范圍的路基缺陷，都可以通過幅值的變化進行反饋，并通過頻譜分析，得出缺陷的確切位置。但探測深度較淺，電磁波衰減較快，僅可達到3m左右。而中心頻率為70MHz時雷達探測深度較深，可達6～7m，電磁波衰減較慢，但分辨率明顯下降，對于比較小范圍的缺陷，并不能準確反映出其位置，且灰度圖清晰度下降，滑動平均處理對其頻譜平滑度的增加并不十分明顯。

對于不同中心頻率電磁波采集信號，要用不同的處理步驟進行后處理，其原因在于：

（1）低頻信號采集的電磁波，若現場采集道間距若設置過小，則使得采集道數過于密集，在測線方向上將頻譜拉伸過長，導致缺陷或病害不容易直觀顯示，因此首先進行重采樣。

（2）低頻信號容易接收更多的水平駐波，此類波僅通過巴特沃斯帶通濾波并不能有效去除，對異常信號的判斷影響較大。因此，增加陷波/帶阻濾波處理，可有針對性濾除部分駐波信號，以便對有效的缺陷信號更好的分析處理。

4 結論

探地雷達在對路基病害進行檢測時，根據實際探測深度需求，選擇合適的中心頻率，是十分重要的。路基存在不密實缺陷時，電磁波反射信號幅值較強，同相軸不連續、錯斷，且相位雜亂，呈區域化分布；而當路基出現脫空病害時，電磁波反射信號幅值增強，呈近似水平的帶狀分布，且有多次反射信號。因此，當電磁波頻譜中出現上述兩種情況，可判定為路基病害。

對于探地雷達采集信號的后期處理，高頻與低頻稍有區別。對于低頻信號，存在較為明顯的水平層狀駐波信號，需要經過陷波濾波，對干擾信號濾除。同時，帶通濾波的頻率選擇，也是至關重要的。