趙得杰，張永濤，郎海鵬

(1.石家莊鐵道大學(xué) 土木工程學(xué)院，河北 石家莊 050043;2.中建國(guó)際投資(中國(guó))有限公司，廣東 深圳 518000)

0 引 言

道路在我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)中占有十分重要的地位，其工程質(zhì)量直接關(guān)系著人民的生命安全和國(guó)家的財(cái)產(chǎn)［1］.近年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，道路建設(shè)的速度也越來(lái)越快，同時(shí)，對(duì)已有道路的檢測(cè)也越來(lái)越重要，尤其是對(duì)路基填土的空洞探測(cè)［2］.目前，我國(guó)傳統(tǒng)的路基檢測(cè)方法幾乎都是破損試驗(yàn)，而且信息少、速度慢、代表性差、偶然性大，已不能滿足公路運(yùn)輸飛速發(fā)展的需求［3］.

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，探地雷達(dá)(GPR)以其經(jīng)濟(jì)、無(wú)損、快速而直觀的特點(diǎn)成為無(wú)損檢測(cè)中最主要的工具之一［4］.但目前對(duì)探地雷達(dá)沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，其檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性很大程度上依賴于檢測(cè)人員的經(jīng)驗(yàn)，所以只能作為一種輔助手段［5］.為對(duì)該問題進(jìn)行詳細(xì)研究，本研究制作了雙層填土空洞缺陷模型，利用LTD-2100 型探地雷達(dá)進(jìn)行試驗(yàn)，分別用400 MHz、600 MHz、900 MHz 天線對(duì)檢測(cè)點(diǎn)進(jìn)行掃描，對(duì)圖像進(jìn)行特殊處理，得出了一些有益的結(jié)論.

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 模型設(shè)計(jì)

路基填土遇水在自重作用下容易產(chǎn)生空洞，為提高探地雷達(dá)對(duì)空洞探測(cè)的準(zhǔn)確性，本研究在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)對(duì)其進(jìn)行了試驗(yàn)研究.該試驗(yàn)在土槽中進(jìn)行，土槽的設(shè)計(jì)尺寸為3 m ×1.3 m ×1.2 m(長(zhǎng)× 寬×高)，為了避免土槽壁反射波對(duì)探測(cè)結(jié)果的影響，試驗(yàn)在土槽中部1m 的范圍內(nèi)進(jìn)行.

多管線干擾下填土空洞探測(cè)模型設(shè)計(jì)(見圖1)本研究主要分析上部管線對(duì)下部空洞的影響.

圖1 多管線干擾下填土空洞探測(cè)模型

圖1(a)、(b)為雙管線干擾模型，圖1(a)中雙管線直徑為250 mm，管內(nèi)側(cè)間距為500 mm;圖1(b)中雙管線直徑為160 mm，管內(nèi)側(cè)間距為500 mm;圖1(c)、(d)、(e)為多管線干擾模型，圖1(c)中3 管線直徑為160 mm，最外側(cè)2 根管內(nèi)側(cè)間距為500 mm;圖1(d)中3 管線直徑為160 mm，管線間距為0;圖1(d)中為5根管線，其中中間3 根直徑為160 mm，管內(nèi)側(cè)間距為500 mm，兩邊2 根直徑為110mm，距內(nèi)側(cè)160 mm 管線的距離為150 mm.模型使用管徑為315 mm 的PVC 管模擬空洞.

1.2 參數(shù)設(shè)置

參數(shù)設(shè)置的具體步驟是:首先，設(shè)置天線頻率，根據(jù)探測(cè)深度選擇合適的視窗;其次，設(shè)置采樣點(diǎn)數(shù)，最小采樣點(diǎn)數(shù)必須大于垂向分辨率，一般為512點(diǎn);再次，設(shè)置增益效果，分為整體增益和局部增益，一般情況為人工增益;最后，輸入介電常數(shù)，并選擇測(cè)量方法.

1.3 測(cè)線布置

本次測(cè)試共布設(shè)5 條測(cè)線，測(cè)線之間的間距為200 mm，以方便對(duì)圖像進(jìn)行對(duì)比分析.在對(duì)掃描圖像進(jìn)行解釋時(shí)，選擇最清晰的一條測(cè)線進(jìn)行分析.

1.4 圖像處理

本研究對(duì)掃描圖像解析采用IDSP 6.0 軟件，在數(shù)據(jù)處理之前，利用軟件中的工程管理功能項(xiàng)，將每一工況的文件按工況名進(jìn)行分類以便于數(shù)據(jù)處理.圖像處理的具體過程為:首先處理在變換測(cè)線時(shí)產(chǎn)生的雜波，此類雜波并不是在掃描過程中產(chǎn)生的;然后選擇合適的比例將掃描圖像在窗口內(nèi)全部顯示，采用帶通式FIR 濾波器濾波，濾波范圍為所有采樣點(diǎn)，濾波頻率根據(jù)中心天線頻率的不同選擇不同的參數(shù)，窗函數(shù)選擇矩形窗，還可以運(yùn)用零點(diǎn)調(diào)節(jié)、自動(dòng)增益、局部增益、消除背景與滑動(dòng)平均等設(shè)置.

2 檢測(cè)結(jié)果與分析

2.1 雙管線(Φ=250 mm)干擾下空洞探測(cè)模型

雙管線(Φ=250 mm)干擾下，不同頻率雷達(dá)掃描圖如圖2、3 所示.

圖2 雙管線(Φ=250 mm)干擾下600 MHz 雷達(dá)掃描圖

圖3 雙管線(Φ=250 mm)干擾下雷達(dá)掃描圖

圖2 為測(cè)線3 經(jīng)過濾波、零線歸位和增益處理后的空洞圖像.可以清晰地看到，1#、2#管線的反射波形，并且2 根管線反射波的翼緣在中間相交，形成疑似空洞的圖像.通過與模型圖和縱坐標(biāo)對(duì)比分析可知，該圖像的埋深為350 mm 與下層空洞3# 埋深不符.在圖2(b)中，通過與模型圖和縱坐標(biāo)對(duì)比分析可以直接看出藍(lán)—紅—藍(lán)的雙曲線圖像，可以判斷為3#空洞.通過對(duì)比分析相交翼緣曲線和空洞曲線，可以看到相交翼緣曲線頂部尖銳，兩側(cè)翼緣切線的斜率不同，而空洞曲線頂部圓潤(rùn)，頂部切線基本為水平線.因此，在對(duì)圖像進(jìn)行解釋時(shí)要特別注意，不能盲目標(biāo)注缺陷.

圖3 為使用400 MHz 天線和900 MHz 天線的雷達(dá)掃描下所得的空洞圖像及單道波形圖.與600 MHz 天線掃描圖清晰度的對(duì)比分析可以看出，掃描圖的清晰度在不同頻率下依次為，400 MHz ＞600 MHz ＞900 MHz.

2.2 雙管線(Φ=160 mm)干擾下空洞探測(cè)模型

雙管線(Φ=160 mm)干擾下，不同頻率雷達(dá)掃描圖如圖4、5 所示.

圖4 雙管線(Φ=160 mm)干擾下600 MHz 雷達(dá)掃描圖

圖5 雙管線(Φ=160 mm)干擾下雷達(dá)掃描圖

圖4 為測(cè)線3 經(jīng)過濾波、零線歸位和增益處理后的空洞圖像，1#、2#管線的反射波形依然可以清晰地看到，且2 個(gè)波形之間基本無(wú)干擾.通過縱坐標(biāo)可以看出，750 mm 處出3#空洞的反射圖像(雙曲線形狀)，圖像翼緣略微發(fā)生錯(cuò)段，但是比雙管線(Φ=250 mm)干擾下的掃描圖像稍微清晰一些.

圖5 為使用400MHz 天線和900MHz 天線所得的空洞圖像及單道波形圖，與600 MHz 天線相比，400 MHz 天線探深大，可以分辨出空洞的整體波形圖;900 MHz 天線只能看到3#空洞頂部的反射波形.與雙管線(Φ =250 mm)干擾下的掃描圖像相比，400 MHz 波形更加完整，且未發(fā)生畸變.

對(duì)以上2 種情況的綜合分析可以發(fā)現(xiàn)，上部干擾管線的直徑對(duì)下部空洞探測(cè)影響不是很大，其主要影響因素為管線間距和天線頻率，當(dāng)管線間距大于3 倍管線直徑時(shí)，對(duì)空洞的探測(cè)影響較小.低頻天線探深大，圖像清晰度高.

2.3 三管線(Φ=160 mm)干擾下空洞探測(cè)模型

三管線(Φ=160 mm)干擾下，不同頻率雷達(dá)掃描圖如圖6、7 所示.

圖6 三管線(Φ=160 mm)干擾下600 MHz 雷達(dá)掃描圖

圖7 三管線(Φ=160 mm)干擾下雷達(dá)掃描圖

圖6 為測(cè)線3 經(jīng)過濾波、零線歸位和增益處理后的空洞圖像，可以清晰地看到，1#、2#、3#管線的反射波形圖，而且波形圖并未相互疊加，均為典型的雙曲線形式.在圖6(b)700 mm 處可以分辨出4#空洞(紅—藍(lán)—紅雙曲線形)，圖像顏色略微發(fā)生錯(cuò)段，但仍保持整體形式.與圖2、圖4 對(duì)比分析可知，當(dāng)管線間距縮小時(shí)，下部空洞的探測(cè)效果受到的影響較大.

圖7 為使用400 MHz 天線和900 MHz 天線所得的空洞圖像及單道波形圖，經(jīng)過濾波處理可以看出，1#、2#、3#管線反射波振幅減小，灰度圖變暗.4#空洞兩側(cè)翼緣完整，但并不完全對(duì)稱，頂部出現(xiàn)錯(cuò)段，圖像發(fā)生了畸變，受雜波的干擾嚴(yán)重.

2.4 三管線(Φ=160 mm，間距為0)干擾下空洞探測(cè)模型

三管線(Φ=160 mm，間距為0)干擾下，不同頻率雷達(dá)掃描圖如圖8 所示.

圖8 三管線(Φ=160 mm，間距為0)干擾下雷達(dá)掃描圖

圖8 為使用400 MHz 天線和900 MHz 天線所得的空洞圖像及單道波形圖，經(jīng)過濾波處理可以看出1#、2#、3#管線的反射波形圖.在圖8(a)中，4#空洞的反射圖像可以清晰地分辨出來(lái)，圖像為典型的雙曲線形式，圖像完整;在圖8(b)中，4#空洞的反射圖像受屏蔽干擾嚴(yán)重，翼緣間距減小.與厚度為315 mm 的空洞干擾相比，厚度為160 mm 的空洞對(duì)下部空洞影響較小.綜合分析可知，當(dāng)上部空洞厚度較小時(shí)(＜160 mm)，下部空洞可以清晰的探測(cè)出來(lái)，當(dāng)上部空洞厚度較大時(shí)(＞300 mm)，下部空洞較難探測(cè)出來(lái).

2.5 多管線干擾下空洞探測(cè)模型

多管線干擾下，不同頻率雷達(dá)掃描圖如圖9、10所示.

圖9 多管線干擾下600 MHz 雷達(dá)掃描圖

圖10 多管線干擾下雷達(dá)掃描圖

圖9 為測(cè)線3 經(jīng)過濾波、零線歸位和增益處理后的空洞圖像，可以清晰地看出，1#、2#、3#、4#、5#管線的反射波形圖.其中1#、5#管線的反射圖形頂部曲率略小，這是由于空洞缺陷變小引起的.經(jīng)過增益處理后，在圖9(b)中可以分辨出空洞處的異常:同向軸不連續(xù)，發(fā)生錯(cuò)段，呈雙曲線形.與圖6(b)比較，可以看出在管線外側(cè)等間距增加管線數(shù)量時(shí)，對(duì)探測(cè)效果的影響較小，可見探測(cè)效果主要受管線間距的影響較大.

圖10 為使用400 MHz 天線和900 MHz 天線所得的空洞圖像及單道波形圖，在圖10(a)中6#空洞的兩側(cè)翼緣變短，雙曲線同向軸發(fā)生多次錯(cuò)段，兩側(cè)不完全對(duì)稱，發(fā)生輕微畸變，這是由于管線外側(cè)增加了兩根110mm 的管線所致.在圖10(b)中，由于單根管線反射圖像翼緣相交，而且間距較小，在圖像下部形成一排雜波，雜波為雙曲線形式，極易判斷錯(cuò)誤.通過單道波形圖，在黑點(diǎn)處可以看到較強(qiáng)反射，說(shuō)明在此處反射系數(shù)增強(qiáng)，存在介質(zhì)差異，可以判斷為空洞.與400 MHz 天線相比，高頻天線在深層空洞探測(cè)時(shí)圖像顯示范圍減小.

3 實(shí)際工程應(yīng)用

3.1 工程概況

深圳某科技集團(tuán)工業(yè)園始建于2000年，目前園區(qū)內(nèi)道路縱橫交錯(cuò)，人流和車流較大，地質(zhì)情況復(fù)雜.本研究對(duì)該工業(yè)園區(qū)內(nèi)道路可能存在的地下空洞進(jìn)行了探測(cè).為了降低維修成本，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析選用400 MHz 天線沿道路前進(jìn)方向連續(xù)測(cè)量并在車道的中間布設(shè)一條測(cè)線，運(yùn)用本研究的方法設(shè)置探地雷達(dá)的基本參數(shù)和后期數(shù)據(jù)處理.通過對(duì)測(cè)試段實(shí)際情況分析，試驗(yàn)獲得了較好的效果.

3.2 檢測(cè)結(jié)果與分析

實(shí)際檢測(cè)結(jié)果如圖11、12 所示.

圖11 雙層空洞掃描圖

圖12 空洞掃描圖

從圖11、12 可知，在道路埋深1.8 m 處分布1#和2#空洞，在1#、2#空洞下方分布有3#、4#空洞，上部空洞并未在下部空洞的正上方.當(dāng)上部空洞間距較大時(shí)對(duì)下部空洞探測(cè)影響較小，在圖像中4#空洞位于1#和2#之間，圖像為典型的雙曲線形，與試驗(yàn)結(jié)論相符.在圖像左側(cè)1#、2#空洞之間距離較小，1#空洞曲線左側(cè)翼緣與2#空洞曲線重疊，僅保留部分特征.在圖像右側(cè)3#、4#空洞位于上部，5#空洞位于3#、4#空洞下面，受上部空洞干擾，5#空洞圖像清晰度下降，但圖像保持完整，為完整的雙曲線形式.

4 結(jié) 論

當(dāng)空洞間距大于3 倍空洞直徑時(shí)，對(duì)下部空洞的探測(cè)影響較小.當(dāng)空洞上部土層厚度較小時(shí)(小于160 mm)，下部空洞可以清晰的探測(cè)出來(lái);當(dāng)空洞上部土層厚度較大時(shí)(大于300 mm)，下部空洞較難探測(cè)出來(lái).此外，高頻天線在深層空洞探測(cè)時(shí)，其圖像顯示范圍較窄，探深較淺.

［1］賀脫夫.探地雷達(dá)在探測(cè)路基地下空洞中的應(yīng)用［J］.西部探礦工程，2008，20(6):120－122.

［2］江凱.探地雷達(dá)在路基檢測(cè)中的應(yīng)用研究［D］.成都:西南交通大學(xué)，2011.

［3］劉棟.探地雷達(dá)在公路工程檢測(cè)中的應(yīng)用研究［D］.沈陽(yáng):東北大學(xué)，2008.

［4］柴福斌.基于探地雷達(dá)的水泥混凝土路面板底脫空檢測(cè)技術(shù)［D］.西安:長(zhǎng)安大學(xué)，2009.

［5］蔣誠(chéng).地下管道周邊介質(zhì)缺陷的探地雷達(dá)實(shí)測(cè)研究［D］.長(zhǎng)沙:湖南大學(xué)，2014.