基于探地雷達的城市道路檢測

程 甄

(安徽理工大學 地球與環境學院，安徽 淮南 232001)

1 引言

截至2019年第4季度，全國36個主要城市道路網總體平均密度為6.1 km/km2[1]。因為城市道路的大量鋪設也產生了一個更大的難題，就是對城市道路的養護和治理。城市道路由于施工工藝、使用材料、車輛碾壓，季節變化等原因，會出現各種病害，小的會影響居民的日常出行，嚴重的還會對居民的生命安全造成威脅。道路表面出現的各種病害如：拱起、掉角、錯臺、唧泥、裂縫等都能輕易看出，道路維修人員能及時修復。一些出現在道路內部的病害如：脫空、空洞、不密實等[2,3]難以發現，不能及時修復，久而久之就容易發生事故。

城市道路檢測方法有很多如：人工地震法[4]、鉆芯取樣法、落錘式彎沉儀檢測法[5]等。不過這些檢測方法不僅成本高、效率低，還會對道路產生破壞，降低道路的使用年限。近年來出現的探地雷達法是通過向地下反射電磁波接收其反射回來的信號來推斷地下結構和構造。這種方法相對傳統方法效率高、成本低，而且還有精度高、結果直觀等優點，最重要的是不會對道路產生破壞。

本文便是采用探地雷達法對合肥某地鐵施工區上方道路進行檢測，查明地下病害的位置和類型，為道路治理提供信息以及保障地鐵施工的安全推進。

2 探地雷達原理

探地雷達是通過向地下所勘探的目標發射高頻脈沖電磁來探測目標體的電磁波方法。電磁波在介質中傳播時，其路徑、電磁場強度、波形都會因介質的電性性質及幾何形態發生變化。因此，根據接收到的地下介質界面的反射波的旅行時間、幅度與波形資料可以推斷出介質的結構。探地雷達是研究電磁波在地下介質中傳播規律的一種應用，電磁波的傳播特征是探地雷達的理論基礎[6,7]。

2.1 探地雷達的基本理論

麥克斯韋電磁理論表明了磁場的變化產生電場，而磁場的變化又伴隨有電場的變化。電場和磁場隨時間的變化可向周圍空間擴散，形成電磁場由近向遠傳遞，電磁場的變化符合波動理論。探地雷達是利用高頻電磁波進行測量，而電磁波在介質中的傳播規律遵循麥克斯韋方程組：

(1)

(2)

▽·B=0

(3)

▽·D=ρ

(4)

式(1)～(4)中：E為電場強度矢量(V/m);H為磁場強度矢量(A/m);D為電位移矢量(C/m2);B為磁感應強度矢量(T);J為電流密度矢量(A/m2);ρ為電荷密度(C/m2)。

2.2 雷達的工作原理

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。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如圖1所示。

圖1 探地雷達工作原理

由公式 ：

(5)

雷達根據測得的雷達波走時，自動求出反射物的深度z和范圍。

3 工程實例

3.1 準備工作

本次作業在凌晨開始，此時車輛較少，并在作業開始和結束位置放置警示牌。檢測工作使用的是瑞典MALA地球科學公司制造的探地雷達，根據本次項目的要求，使用的是中心頻率為100MHz屏蔽式天線，探測地下3～10 m空間地下病害的位置及深度。采集參數設置為：采樣頻率為1270MHz；天線距離為0.5 m；時窗為1612；堆疊次數為8；測距方法為輪距測量。

本次作業測線沿道路方向布置，共4條測線，左右各兩條，兩邊的測線間距為2 m。兩邊測線位置提前使用噴漆進行標記，標記間隔為20 m。

3.2 數據處理

探地雷達探測的數據以脈沖反射波的形式記錄，顯示為時距剖面圖。探地雷達數據的解釋分為兩部分：數據處理和圖像解釋。探地雷達在探測時發射的電磁波因為受到地下介質的吸收以及介質的電性差異使接收到的反射波會出現較大變化，并且探測過程中還會受到周圍環境的干擾。所以需要對數據進行適當的處理，為圖像解釋提供依據。

圖像處理包括消除隨機噪聲、壓制干擾，改善背景；進行自動時變增益或控制增益以補償介質吸收和抑制雜波，進行濾波處理除去高頻，突出目標體，降低背景噪聲和余振影響。由于測線過長，在數據處理時將數據以100 m為1段進行處理，共20段。

3.3 圖像解釋

本次探測所得數據顯示該路段主要病害為不密實，圖2、圖3為經數據處理后的成果圖。

圖2 處理后的剖面圖(a)

上面兩圖中A和C兩處分別位于第11段的4～20 m深4 m處和第19段20～26 m深7 m處。這兩處的電磁波反射信號幅值較強，且同相軸不連續，錯斷，雜亂，經判斷這兩處為不密實區。

圖中B和D兩處異常為井蓋，這兩處在探測過程中已經在數據中打上標記。

圖3 處理后的剖面圖(b)

4 結論

(1)探地雷達的數據會受到周圍環境的干擾，需要在探測過程中準確記錄干擾源的位置和類型，在數據處理時能剔除干擾信號從而提取有效信息。

(2)使用探地雷達能精準地確定道路中病害的位置，從而為施工人員能及時排除隱患，為地鐵的安全施工提供保障。