地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)道路病害的案例分析與思考

趙 亮,趙增志,張 雷

(中國(guó)冶金地質(zhì)總局地球物理勘查院,保定 071000)

0 引言

地質(zhì)雷達(dá)(Ground Penetrating Radar,簡(jiǎn)稱GPR),又稱探地雷達(dá),是一種對(duì)地質(zhì)界面或地下不可見(jiàn)目標(biāo)體快速探測(cè)定位的電磁技術(shù),并廣泛應(yīng)用于無(wú)損探測(cè)、城市勘查等領(lǐng)域[1]。特別是隨著近些年高頻微電子科技和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,地質(zhì)雷達(dá)逐漸由二維探測(cè)發(fā)展到三維探測(cè),進(jìn)一步拓展了地質(zhì)雷達(dá)的應(yīng)用范圍,探測(cè)效果和探測(cè)速度也顯著提升。本文結(jié)合不同的測(cè)區(qū)環(huán)境、地下構(gòu)筑物的關(guān)系,分析研究地質(zhì)雷達(dá)在道路檢測(cè)中的應(yīng)用,探討雷達(dá)檢測(cè)作為道路驗(yàn)收手段的補(bǔ)充的必要性。

1 基本原理

地質(zhì)雷達(dá)是利用高頻電磁脈沖波的反射來(lái)探測(cè)地質(zhì)界面或目標(biāo)體的,它是從地面向地下發(fā)射電磁波來(lái)實(shí)現(xiàn)探測(cè)的,故亦稱之為探地雷達(dá)[2]。具體為通過(guò)發(fā)射天線向地下發(fā)射一定寬度的高頻電磁波(例如T1、T4等),接收天線接收來(lái)自地下的回波(例如R1、R4等),通過(guò)計(jì)算所接收到的回波的雙程走時(shí)、振幅變化、頻率差和相位差得到地下目標(biāo)體的位置、形態(tài)等相關(guān)信息,從而達(dá)到探測(cè)目的[3]。其工作原理見(jiàn)圖1。

圖1 地質(zhì)雷達(dá)工作原理圖Fig.1 Working principle of geological radar

三維地質(zhì)雷達(dá)是在二維地質(zhì)雷達(dá)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的新設(shè)備。與二維雷達(dá)相比有比較明顯的優(yōu)勢(shì),主要優(yōu)勢(shì)有:①雷達(dá)數(shù)據(jù)更“立體”、分辨率更高。三維地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)好比給目標(biāo)體做“CT”,不僅能從宏觀上反應(yīng)目標(biāo)體的形狀、大小等信息而且能做到在不同深度上反應(yīng)出目標(biāo)體的細(xì)節(jié)信息。②信息豐富、集成度高。可以根據(jù)項(xiàng)目需求進(jìn)行訂制,如拓展到8通道、16通道、24通道等;還可以加裝GPS、影像、地圖等設(shè)備。③施工周期短、速度快。在道路條件允許的情況下,三維地質(zhì)雷達(dá)可以達(dá)到10 km/h～20 km/h,更適用于大范圍作業(yè)[4-5]。二維雷達(dá)對(duì)步行道、比較窄的街道進(jìn)行探測(cè),是三維雷達(dá)的有效補(bǔ)充。見(jiàn)圖2三維雷達(dá)和二維雷達(dá)工作照。

圖2 三維雷達(dá)和二維雷達(dá)工作照Fig.2 3D radar and 2D radar working photos

2 地質(zhì)雷達(dá)解釋基礎(chǔ)與過(guò)程

2.1 地質(zhì)雷達(dá)解釋基礎(chǔ)

地質(zhì)雷達(dá)是以高頻電磁波傳播為基礎(chǔ),通過(guò)電磁波在介質(zhì)中反射和折射等現(xiàn)象來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)地下介質(zhì)探測(cè)的。影響雷達(dá)波在地下介質(zhì)中傳播的參數(shù)有很多,主要包括介電常數(shù)、磁導(dǎo)率和電導(dǎo)率(電阻率)等,其中決定電磁波場(chǎng)速度的主要因素是介電常數(shù)[6],一般速度與電導(dǎo)率和介電常數(shù)呈反比關(guān)系。

一般城市道路從上到下可分為面層、基層和路基層。面層一般采用瀝青混合料或水泥混凝土混合料,材料內(nèi)空隙少,濕度較小,介電常數(shù)相對(duì)較小。基層是道路的主要承重層,多由水泥混合料、石灰、二灰土等材料鋪筑,層內(nèi)濕度相對(duì)較大,介電常數(shù)隨材料不同而變化。路基層是道路的基礎(chǔ),通常以石灰土、碎礫石、粉煤灰土為主,其空隙更大,含水量更高,介電常數(shù)相對(duì)較大。道路病害多發(fā)育于此層[7]。常見(jiàn)介質(zhì)介電常數(shù)詳見(jiàn)表1。

表1 常見(jiàn)介質(zhì)電導(dǎo)率、相對(duì)介電常數(shù)、電磁波傳播速度Tab.1 Common dielectric conductivity,relative dielectric constant,electromagnetic wave propagation speed

2.2 地質(zhì)雷達(dá)解釋過(guò)程

地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)的解釋過(guò)程通常包含兩部分內(nèi)容,一是數(shù)據(jù)處理,二是圖像解釋。①數(shù)據(jù)處理主要是對(duì)所記錄的波形作處理,目的為突出有用的目標(biāo)信息,抑制隨機(jī)噪聲,改善背景值。常用的方法為:去除零漂、重復(fù)測(cè)量、帶通濾波等。②圖像解釋主要是結(jié)合地質(zhì)情況判斷目標(biāo)體(異常體)為主[8]。三維地質(zhì)雷達(dá)的解釋相比二維地質(zhì)雷達(dá)來(lái)說(shuō)變的相對(duì)容易些。三維數(shù)據(jù)不僅能從宏觀上辨識(shí)目標(biāo)體,而且能從不同深度,不同角度對(duì)目標(biāo)體的細(xì)節(jié)進(jìn)行識(shí)別。譬如道路中常見(jiàn)的人工構(gòu)造物:管道、涵洞、地下人防、檢修井等等,三維對(duì)它們都有很高的辨識(shí)度。

3 典型案例分析

3.1 中華道地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)

3.1.1 測(cè)區(qū)概況

中華道所處地市處于河北省中部,西臨白洋淀,屬于河流沖擊平原,主要為第三紀(jì)沉積層。該市屬于暖溫帶半濕潤(rùn)半干旱大陸性季風(fēng)氣候,年平均降水量為600 mm～900 mm,降水量大部分集中在汛期(7月～8月)。

該道路施工在7月～10月,主要為雨污水管道的更換。管道位于非機(jī)動(dòng)車道下,全長(zhǎng)2.1 km,管道溝槽寬5.5 m,根據(jù)道路情況,結(jié)合管道的埋深,大部分采用開(kāi)挖鋪設(shè),局部采用頂管工藝。溝槽深度小于3 m時(shí),采用放坡開(kāi)挖,挖深大于3 m時(shí),采用鋼板樁支撐開(kāi)挖。管道鋪設(shè)后用振動(dòng)壓路機(jī)壓實(shí),最后施做基層、防水層、面層。

3.1.2 資料解釋

在道路施工完畢一個(gè)月后進(jìn)行了地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)。首先采用三維地質(zhì)雷達(dá)全覆蓋檢測(cè),雷達(dá)參數(shù)為:天線中心頻率200 MHz、8通道、采樣時(shí)窗100 ns、采樣點(diǎn)數(shù)512、采樣間距2 cm。然后采用二維雷達(dá)進(jìn)行準(zhǔn)確定位,二維雷達(dá)天線中心頻率200 MHz、采樣時(shí)窗60 ns、采樣點(diǎn)數(shù)512。最后對(duì)異常中心位置進(jìn)行打孔驗(yàn)證。圖3為局部異常水平切片,深度為0.5 m,圖4為二維雷達(dá)剖面圖。

圖3 道路局部異常水平切片,深度為0.5 mFig.3 Local abnormal horizontal slice of road,with a depth of 0.5 m

圖4 二維雷達(dá)剖面圖Fig.4 Two dimensional radar profile

在三維地質(zhì)雷達(dá)影像判讀過(guò)程中選定該異常(圖中紅框處)。該異常呈扁圓形,平面面積為4.2 m×1.7 m,雷達(dá)波強(qiáng)度與其背景形成強(qiáng)烈對(duì)比,呈現(xiàn)雷達(dá)波強(qiáng)反射。異常從0.45 m開(kāi)始出現(xiàn),隨著深度不斷增加,雷達(dá)波強(qiáng)度未見(jiàn)顯著衰減,依然呈現(xiàn)強(qiáng)反射。

從二維雷達(dá)圖像上可以看到異常體的雷達(dá)反射波振幅明顯強(qiáng)于背景值,反射波組形態(tài)雜亂,底部反射波與入射波相反(圖像呈黑白黑)。雷達(dá)波表現(xiàn)為似平板狀,底部有多次波發(fā)育,靠近深部多次波呈衰減趨勢(shì)。推測(cè)此異常為空洞異常。

3.1.3 鉆孔驗(yàn)證

二維雷達(dá)確定好異常范圍及中心位置后采用￠20的沖擊鉆進(jìn)行打孔驗(yàn)證。當(dāng)鉆孔深度到達(dá)0.45 m左右時(shí)突然出現(xiàn)了掉鉆現(xiàn)象,隨后用工業(yè)內(nèi)窺鏡觀察鉆孔內(nèi)部情況,發(fā)現(xiàn)該異常為空洞病害,通過(guò)探桿量測(cè)空洞凈空為0.8 m。

道路施工方為了不破壞路面,通過(guò)側(cè)面開(kāi)挖的形式進(jìn)行灌漿處理。通過(guò)側(cè)面的空隙用內(nèi)窺鏡(QV)查看發(fā)現(xiàn):水穩(wěn)層已經(jīng)下沉消失,土壤為松散狀且沒(méi)有浸濕痕跡,道路面層底板平整。上述現(xiàn)象說(shuō)明此處水穩(wěn)層所用的材料不達(dá)標(biāo),不是后期雨水沖刷等因素造成。是回填料級(jí)配不好,還是施工工藝的問(wèn)題,亦或是其他原因引起的,有待施工方進(jìn)一步查明,將近8 m3的土石去向何處施工方也很茫然。圖5為打孔后的內(nèi)窺鏡圖像,圖6為側(cè)面開(kāi)挖后的QV影像圖。

圖5 內(nèi)窺鏡圖像Fig.5 Endoscope image

圖6 QV影像圖Fig.6 QV image

3.2 中河路地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)

3.2.1 測(cè)區(qū)概況

中河路所處地市位于浙江省中北部,錢(qián)塘江下游,京杭大運(yùn)河南段,地勢(shì)低平,河網(wǎng)、湖泊密布。地層主要以粉土、粉砂土為主。該市四季分明,雨量充沛,地下水位偏高。

該道路為全新道路,在4月～11月施工,為雙向四車道,中間有綠化隔離,帶全長(zhǎng)3.7km。雨污水管道位于機(jī)動(dòng)車道下路基層,埋深2.7 m,采用鋼板樁支撐開(kāi)挖鋪設(shè)。其他管線位于人行道下,埋深1.5 m左右。管道鋪設(shè)后用依次施做道路基層、防水層、面層等,最后振動(dòng)壓路機(jī)壓實(shí)。

3.2.2 資料解釋

在次年1月份進(jìn)行了地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè),距離道路施工完畢近兩個(gè)月。雷達(dá)作業(yè)流程與參數(shù)設(shè)置與中華道檢測(cè)相同,不再贅述。圖7為局部異常水平切片,深度為0.7 m,圖8為二維雷達(dá)剖面圖。

圖7 局部異常水平切片(0.7 m)Fig.7 Local abnormal horizontal slice (0.7 m)

圖8 二維雷達(dá)剖面圖Fig.8 2D radar profile

在三維地質(zhì)雷達(dá)影像判讀過(guò)程中選定該異常。該異常呈近似長(zhǎng)方形,平面面積為3.5 m×3.7 m,雷達(dá)波強(qiáng)度與其背景形成強(qiáng)烈對(duì)比,呈雷達(dá)波強(qiáng)反射。異常0.6 m開(kāi)始出現(xiàn),隨著深度不斷增加,雷達(dá)波強(qiáng)度未見(jiàn)明顯衰減,依然呈現(xiàn)強(qiáng)反射,目標(biāo)體的輪廓也沒(méi)發(fā)生很大變化。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)可以排除人工構(gòu)筑物、掩埋物體等。

進(jìn)一步準(zhǔn)確定位采用200 MHz二維地質(zhì)雷達(dá),可以看到該異常與背景值對(duì)比強(qiáng)烈,反射波振幅顯著加強(qiáng),明顯高于背景值。反射波表現(xiàn)為正向連續(xù)平板狀形態(tài),多次波明顯,相位與入射波反向(圖像呈黑白黑)。推測(cè)此異常為空洞異常。

3.2.3 鉆孔驗(yàn)證

二維雷達(dá)確定好異常范圍及中心位置后采用?20的沖擊鉆進(jìn)行打孔驗(yàn)證。當(dāng)鉆孔深度到達(dá)0.55 m左右時(shí)突然出現(xiàn)了掉鉆現(xiàn)象,隨后用工業(yè)內(nèi)窺鏡觀察鉆孔內(nèi)部情況,發(fā)現(xiàn)該異常為空洞異常,由于空洞面積較大,內(nèi)窺鏡亮度不夠,所以通過(guò)探桿粗略探明內(nèi)部情況:空洞凈空為0.95 m,路基層上部干燥,底部有水。由于空洞位于排水管道的正上方,結(jié)合探桿探明情況,初步分析形成空洞的原因?yàn)楣艿榔屏岩鹚亮魇б稹Ｔ搱D9為內(nèi)窺鏡圖像,圖10平面范圍圖。

圖9 內(nèi)窺鏡圖像Fig.9 Endoscope image

圖10 平面范圍圖Fig.10 Plan range

3.3 其他典型案例

引起道路病害的原因復(fù)雜多樣,列舉一些其他道路檢測(cè)項(xiàng)目中的典型案例。常見(jiàn)引起道路病害的原因有:回填不合格材料、人防工程破損、管道破損、檢修井滲漏等等。檢測(cè)方法和流程與上述兩個(gè)案例基本相似,不再贅述。

3.3.1 回填不合格材料引起

該道路病害位于過(guò)路排水管道的兩側(cè),為脫空病害。采用了建筑垃圾、石塊回填,石塊之間留有較大的空隙,這對(duì)管道的安全危害極大,在長(zhǎng)期重載下石塊的棱角可能會(huì)擠破管道,引起滲漏,進(jìn)而發(fā)展為空洞病害,影響道路的安全。圖11為回填石塊的圖片。

圖11 回填材料形成的空隙Fig.11 Voids formed by strength backfill material

3.3.2 人防工程破損引起

該處道路病害為空洞病害,發(fā)生在突降暴雨之后,病害面積較大。通過(guò)二維雷達(dá)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)部分路段水穩(wěn)層下的路基層(深度大約1 m)已經(jīng)缺失。通過(guò)后期的管線調(diào)查發(fā)現(xiàn)該處的土壤被雨水沖入道路旁邊廢棄的人防工事里(施工前應(yīng)對(duì)人防工程進(jìn)行妥善處理)。圖12為二維雷達(dá)圖,顯示連續(xù)的路基層已經(jīng)斷裂、缺失。

圖12 二維雷達(dá)剖面圖Fig.12 2D radar profile

3.3.3 管道破損引起

該病害位于排水管道的正上方,為脫空病害。從QV影像圖中可以看出管道兩端已經(jīng)破損斷裂,失去了對(duì)上方土體的支撐能力,周邊部分土體已經(jīng)流失。管道幾乎失去了排水功能。圖13為管道兩端的QV影像圖。

圖13 QV影像圖Fig.13 QV image

3.3.4 檢查井周邊碾壓不實(shí)引起

這類病害位于檢查井周邊,尤其是排水檢查井更為常見(jiàn),多為脫空病害。分析形成原因可能有:①回填材料不達(dá)標(biāo)。②壓實(shí)度不夠。檢查井周邊應(yīng)逐層回填、逐層夯實(shí)。③井內(nèi)防水層脫落。井內(nèi)防水層脫落會(huì)造成檢修井滲漏,進(jìn)而造成檢修井周邊水土流失,從而引起病害。④其他原因。圖14為檢修井周邊的脫空病害的照片。此類脫空面積一般不大,但是應(yīng)該引起足夠重視,防止演變?yōu)榭斩催M(jìn)而造成路面塌陷、下沉影響道路安全。

圖14 檢查井周邊脫空照片F(xiàn)ig.14 Photos of void around inspection well

4 總結(jié)

1)通過(guò)上述案例的分析可以得出引起道路病害的原因是復(fù)雜的、多方面的。工程質(zhì)量是引起道路病害的部分原因,施工前妥善處理好道路基礎(chǔ)與其周邊設(shè)施、構(gòu)筑物間的關(guān)系同樣重要。當(dāng)任一環(huán)節(jié)出現(xiàn)問(wèn)題的時(shí)候就會(huì)引發(fā)連鎖反應(yīng),致使道路病害的發(fā)生。例如道路旁人防工程破損、檢查井滲漏引起的病害等。

2)三維雷達(dá)能快速完成面積性探測(cè),初選出異常位置;結(jié)合二維地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)一步準(zhǔn)確定位;最后進(jìn)行鉆孔驗(yàn)證的工作模式(流程)對(duì)尋找并消除道路病害是行之有效的。探測(cè)之前須根據(jù)設(shè)計(jì)方案和探測(cè)目標(biāo)選擇合適的頻率天線。根據(jù)測(cè)區(qū)試驗(yàn)結(jié)果,選擇最佳采樣時(shí)窗、采樣間隔、采樣點(diǎn)數(shù)和疊加次數(shù)等基礎(chǔ)參數(shù)。

3)道路病害的處置不能簡(jiǎn)單的做回填或灌漿處理,治表更要治里。應(yīng)該首先查明引發(fā)病害的原因,再對(duì)癥處置,做到有的放矢。

4)針對(duì)病害多發(fā)的道路應(yīng)定期做雷達(dá)檢測(cè),特別是雨季或暴雨過(guò)后,及時(shí)排除道路病害,確保道路安全暢通。

5)雷達(dá)檢測(cè)能更“立體”的反應(yīng)道路的狀況,是傳統(tǒng)的道路驗(yàn)收項(xiàng)目的有效補(bǔ)充。一些道路施工完畢后大多進(jìn)行了道路驗(yàn)收,且驗(yàn)收都合格。時(shí)隔不長(zhǎng)就有病害發(fā)生是一個(gè)值得我們探討和思考的問(wèn)題,探討道路雷達(dá)檢測(cè)的重要性,思考雷達(dá)檢測(cè)加入道路驗(yàn)收項(xiàng)目的必要性。