栗寶鵑，劉棟臣，王志豪，李國瑞，劉慶國

(中水北方勘測設(shè)計研究有限責任公司, 天津 300222)

1 引 言

隨著城市地下空間開發(fā)強度的不斷加大和利用程度的不斷提高，對淺地表地質(zhì)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性也產(chǎn)生了一定程度的影響和破壞作用，因此，在許多城市道路地面塌陷事故時有發(fā)生，這不僅會造成嚴重的社會影響，還將影響城市運行秩序及生命財產(chǎn)安全。城市病害體是淺地表地質(zhì)隱患的類型之一，主要是指存在于地面以下的空洞、脫空、疏松體、富水體等威脅城市地下安全的不良地質(zhì)體[1]。近年來，在北京、大連等大型城市道路塌陷事件頻繁發(fā)生[2-5]，因此，對淺地表地質(zhì)病害進行定期、不定期探測并由此獲得病害體、埋設(shè)物位置及類型等相關(guān)數(shù)據(jù)就變得尤為重要。

導致淺層地質(zhì)不穩(wěn)定性加劇的因素主要有兩種：一是自然因素，即暴雨沖蝕路基導致的地下巖土體疏松、空洞、脫空、富水現(xiàn)象，及地面震動導致的地層失穩(wěn)等；二是人為因素，即地下給水、排水管道埋設(shè)過程中造成的地層失穩(wěn)問題，管道破損滲漏對周圍巖土體產(chǎn)生的沖蝕、浸泡作用等。在淺地表地質(zhì)病害探測與識別過程中，所選用的地球物理方法主要有地質(zhì)雷達法、反射波層析成像法、地震映像法、高密度電阻率法、瑞雷面波法等[6-18]。探地雷達探測的基礎(chǔ)電磁波傳播理論，且具有“波長越短、光子能力越大、穿透能力越強”的特點，通過發(fā)射不同波長的電磁波實現(xiàn)對地下目標的有效探測。在市政道路隱患探測過程中，則主要采用“三維探地雷達普探、二維探地雷達詳查、鉆探成果驗證”的技術(shù)思路，即從地質(zhì)隱患成因出發(fā)，以地表、淺部土體等立體空間為研究對象，明確地質(zhì)病害的類型及屬性(位置、規(guī)模、埋深等)信息。

2 方法原理及特點

探地雷達(GPR，Ground Penetrating Radar)作為一種快速、無損、高分辨率地球物理探測設(shè)備在淺部地層勘探中發(fā)揮著重要的作用。當電磁波遇到存在電性(介電常數(shù)、電導率、磁導率)差異的地層時，就會產(chǎn)生反射、折射、繞射等現(xiàn)象[5,6]。反射回的電磁波信號被接收天線接收，通過分析反射波的雙程走時、波形、振幅等特征來解譯探測目標的位置和性質(zhì)，最終對地質(zhì)病害的類型及特征做出判斷。

二維探地雷達與三維探地雷達探測原理相同，不同之處主要在于“天線”。二維探地雷達采用單一通道進行探測，且各測線相互獨立，無法進行有效的拼接與組合，因此對目標的判讀也只能通過單一垂向剖面，如要對目標進行綜合判斷，則只能借助垂直或相鄰測線來進行驗證。根據(jù)目前市場上已有三維探地雷達的型號，在15～38個通道之間可選，因此可在地下一定范圍內(nèi)進行覆蓋，在目標判讀方式上，不僅可借助與測線平行和垂直兩個方向的垂向剖面，還可借助不同深度的水平切片，因此，探測效率與準確度均優(yōu)于二維探地雷達。除上述區(qū)別之外，二維探地雷達和三維探地雷達還分別有各自的特點，在下文中將進行詳細闡述。

2.1 多頻可選的二維探地雷達

探地雷達的探測頻率一般在4 MHz到11 GHz之間，由頻帶范圍可知，其天線頻率一部分屬于無線電波，一部分屬于微波。在頻帶范圍之間，探地雷達綜合考慮探測對象、探測深度及探測精度等多方面的因素，選擇適當頻率對目標進行探測。在探測過程中，二維探地雷達采用B掃描(橫向掃描)方式進行探測，即在雷達天線沿測線移動的過程中，每隔一段距離記錄一道反射信號，最終，將該條測線上所采集的波形進行疊加，以偽色彩或灰度圖的形式進行顯示。

(1)

圖1 陣列天線示意圖Fig.1 Schematic diagram of array antenna

結(jié)合二維探地雷達儀器設(shè)備的特性及現(xiàn)場實施，主要特點總結(jié)如下：①頻率選擇靈活，即可根據(jù)探測目標和探測深度選擇天線頻率，由此獲得高分辨率、高清晰度雷達圖像；②抗干擾能力強，機械震動和中心頻段以外的電磁信號均不能對探測結(jié)果產(chǎn)生影響；③方法適用性好，二維雷達拖動就可實現(xiàn)地下探測；④吸收衰減嚴重，二維探地雷達有多個主頻可以選擇，在采用高頻電磁波對地下介質(zhì)進行探測過程中，與地震反射波法相比較，地層介質(zhì)中的電磁性差異為彈性波的2～3個數(shù)量級，因此地層界面上雷達波的反射系數(shù)可達15%～30%[19,20]，存在嚴重的吸收衰減現(xiàn)象。

2.2 陣列三維探地雷達

三維探地雷達以車載為主，其采集系統(tǒng)主要由陣列天線、主機、GPS定位系統(tǒng)、拖車系統(tǒng)四部分組成。三維雷達探測原理與二維雷達相同，不同之處在于天線系統(tǒng)。所謂陣列天線，指的是發(fā)射天線與接收天線分開且等距離交錯排列(圖1)，這樣，一個接收天線可以接收到相鄰兩個發(fā)射天線發(fā)射的電磁波，由此實現(xiàn)剖面間距離接近電磁波主頻1/4波長的理想狀態(tài)。

三維雷達數(shù)據(jù)一般通過C掃描方式獲取，根據(jù)三維雷達發(fā)射天線與接收天線的排列方式，兩道數(shù)據(jù)之間的距離小于1/4波長，即利用二維雷達的B掃描方式，設(shè)定相鄰測線間距小于最小波長的1/4，然后將一系列單道二維數(shù)據(jù)組合成三維數(shù)據(jù)體，由此實現(xiàn)二維到三維的轉(zhuǎn)變。

三維探地雷達的主要特點如下：①采用陣列天線進行探測，即發(fā)射天線與接收天線分離且分別交錯等距排列，采用這種方式可獲得高密度、無拼接的三維雷達數(shù)據(jù)，為目標分析奠定基礎(chǔ)；②由高密度數(shù)據(jù)采集獲得的縱橫向數(shù)據(jù)接近天線中心波長的1/4，可滿足高分辨率的要求；③動態(tài)GPS(Global Positioning System, GPS)可對天線陣進行高精度定位，由此保證雷達數(shù)據(jù)的精確歸位；④三維數(shù)據(jù)體可在獲得縱向地層剖面的同時，還能獲得任意深度的橫向地層切片，由此實現(xiàn)對目標的精準、直觀解譯。

2.3 干擾信號判讀

探地雷達的干擾信號主要分為內(nèi)部干擾和外部干擾兩種類型，儀器內(nèi)部干擾主要指的是天線控制電路之間的干擾、收發(fā)天線之間的耦合干擾、天線盒震蕩信號干擾等；儀器外部干擾主要指的是空中孤立物干擾、地表界面干擾、地下多次波干擾。探地雷達的信號收發(fā)主要是在一個三維空間進行的，儀器內(nèi)部的干擾比較穩(wěn)定，本部分內(nèi)容只討論外部干擾。

在了解各種外部干擾的類型及特征之前，首先要明確電磁波的傳播路徑。根據(jù)電磁波傳播原理及雷達測線布設(shè)的特點，探地雷達接收到波的種類有以下幾種(圖2)：①空氣直達波；②沿“空—地”界面?zhèn)鞑サ闹边_波；③地下界面產(chǎn)生的反射波；④臨界面折射波；⑤場外電磁波。 其中，空氣直達波、“空—地”界面直達波、地下多次反射波及場外電磁波被接收天線接收之后，常以干擾信號的形式存在，這些干擾信號會對探測目標的正確判讀產(chǎn)生影響[8]。因此，電磁干擾信號主要分為空中孤立物干擾、地表界面干擾和地下干擾。

圖2 電磁波傳播路徑示意圖Fig.2 Schematic diagram of electromagnetic wave propagation path

空中孤立物干擾主要是指地面以上豎立物體，比如樹木、路燈、高壓線、鋼支架、工程機械等產(chǎn)生的干擾，其中，工程機械，尤其是金屬機械產(chǎn)生的干擾以強反射能量存在，鋼支架產(chǎn)生的干擾能量較強，且以雙曲形態(tài)存在。

地表界面干擾主要包括天線與地表之間的直達波、天線與地表耦合不好產(chǎn)生的干擾波、地表金屬與非金屬物體產(chǎn)生的反射波，地表直達波是空氣與地面波阻抗產(chǎn)生的反射波，能量大、波形穩(wěn)定、回波反射時間較短；耦合干擾指的是天線與地表耦合不好產(chǎn)生的散射現(xiàn)象，表現(xiàn)為振幅強、頻率低、沿橫向延續(xù)短等電磁剖面特征，這些散射波與系統(tǒng)發(fā)射電磁波有著相同的振幅和頻率，因此會干擾甚至覆蓋有效信號；地表金屬體及水體產(chǎn)生的干擾信號很強，因此能量信號在時間軸上延伸較長，如不正確判讀，則會對探測目標的正確解譯產(chǎn)生影響。

地下多次波干擾主要指的是強反射界面產(chǎn)生的多次波，這些強反射界面主要有基巖面、不整合面、石膏層、灰?guī)r等，其主要特征表現(xiàn)為形態(tài)一致、按時間等間隔排列。明確干擾源類型及特征，在雷達探測過程中，對干擾源，尤其是空中干擾的位置、離地面高度、干擾材質(zhì)等要進行記錄，以便在后期數(shù)據(jù)處理過程中進行人工剔除。

2.4 探測目標解譯

在對干擾信號進行甄別和判讀之后，以二維垂向剖面和三維水平切片為基礎(chǔ)對探測目標進行解譯。鑒于探地雷達剖面解譯的基礎(chǔ)是地球物理特征的差異性，因此，在三維雷達數(shù)據(jù)切片上均以“異常特征”的形式存在，僅能借助切片橫向展布和上、下切片的變化進行初步判斷，探測目標的詳細解譯過程還需借助二維雷達剖面聯(lián)合進行。

對空洞、脫空等地質(zhì)病害而言，空腔充填一般為空氣，相對介電常數(shù)與周圍填土體存在明顯的差異性，在探地雷達剖面上表現(xiàn)為強反射波組，即振幅、頻率相位變化異常明顯，下部多次波反射明顯，兩端可能呈向下的弧形反射，表現(xiàn)為繞射現(xiàn)象?；靥钔翆颖粵_刷之后與周圍介質(zhì)之間形成的空洞是產(chǎn)生塌陷的主要原因之一，與空洞或脫空相比較，垂向范圍小且橫向展布范圍較大，探地雷達剖面上表現(xiàn)為強水平反射波。富水體主要是由管道泄漏等造成的土壤含水量增大，由此導致介電常數(shù)增大，由于空洞與回填土層之間存在明顯的物性差異，因此形成強烈的反射波。由人工回填土造成的地質(zhì)病害有回填不實和密實回填兩種，其雷達反射波特征截然相反，回填不實的雷達剖面表現(xiàn)為強回波反射特征，回填密實的雷達剖面表現(xiàn)為弱回波反射特征。

3 案例分析

3.1 工程簡介

某地區(qū)在持續(xù)強降水天氣之后，路面塌陷頻頻出現(xiàn)，由此產(chǎn)生的淺地表結(jié)構(gòu)失穩(wěn)給城市交通產(chǎn)生影響，并導致地下設(shè)施嚴重破壞。為預(yù)防道路塌陷等次生災(zāi)害的發(fā)生，針對該區(qū)市內(nèi)道路存在的地下空洞、脫落和疏松區(qū)等病害類型，本案例采用多頻二維雷達及陣列三維雷達對淺地表地質(zhì)病害進行探測，為核實探測成果的準確性，依照相關(guān)標準進行隨機抽樣驗證。

采用車載三維探地雷達系統(tǒng)對淺地表地質(zhì)病害進行探測，雷達型號為意大利IDS Stream-X，該型號雷達采用陣列天線進行激發(fā)和接收，天線主頻為200 MHz，配備15個天線通道，每道記錄樣點數(shù)為512，采集時窗為100 ns，在采集過程中，定位主要采用RTK(Real-time Kinematic, RTK)高精度定位模式。在測線布設(shè)方面，測線盡可能覆蓋整個探測區(qū)域，由此形成測區(qū)完整的三維數(shù)據(jù)體，以便可平面切片與縱向剖面聯(lián)合對目標進行解釋。

3.2 案例分析

3.2.1 脫空缺陷分析

根據(jù)《城市地下病害體綜合探測與風險評估技術(shù)標準(JGJ/T437-2018)》[21]，脫空指的是地面硬殼層與地基土之間發(fā)育的具有一定規(guī)模的洞體。在地球物理特性方面，脫空內(nèi)部的相對介電常數(shù)一般為1，填土體的介電常數(shù)一般在6到40之間，因此，脫空位置與周圍填土體之間存在明顯的電性差異。

圖3分別為三維探地雷達水平切片(圖3a)、沿測線方向垂向剖面(圖3b)和垂直測線方向垂向剖面(圖3c)。對三維探地雷達圖像進行分析：垂向剖面(圖3b、圖3c)紅框內(nèi)上部反射信號能量較強，且振幅、頻率、相位等變化異常明顯，垂向剖面紅框內(nèi)下部多次反射波明顯，且在異常右側(cè)伴有繞射現(xiàn)象；從相應(yīng)深度截取雷達切片(圖3c)和對脫空(紅框)展布范圍及特征進行的分析可以看出，異常區(qū)范圍較大，且連續(xù)性較好，展布形態(tài)清晰可見。

根據(jù)地球物理參數(shù)差異性及雷達圖像特征，此處病害類型推斷為脫空，從三維探地雷達圖像(圖3)可知：該處病害埋深約為0.45 m，凈空0.15 m，由該深度的雷達切片可以看出，平行測線方向約為3.0 m，垂直測線方向為1.8 m，預(yù)測平面展布約為5.4 m2。

圖3 脫空缺陷雷達圖像Fig.3 3D GPR of void defect

對病害周邊位置進行分析，由垂向剖面可以看出：脫空位置(圖3b紅框)下部信號能量比同深度其他位置要弱，不存在可辨識的振幅、頻率、相位變化特征，分析可知，脫空位置的強差異性反射特征導致吸收衰減嚴重，對下部信號有效反射存在屏蔽作用，相應(yīng)深度水平切片脫空位置周邊無明顯變化特征。

3.2.2 空洞缺陷分析

根據(jù)《城市地下病害體綜合探測與風險評估技術(shù)標準(JGJ/T437-2018)》[21]，空洞指的是地下土體自然發(fā)育或人工形成的具有一定規(guī)模的洞體?？斩磁c脫空地球物理特性類似，不同之處在于空洞展布范圍要大、埋藏要深。

圖4分別為三維探地雷達水平切片(圖4a)、沿測線方向垂向剖面(圖4b)和垂直測線方向垂向剖面(圖4c)。對三維探地雷達圖像進行分析：垂向剖面(圖4b、圖4c)紅框內(nèi)反射信號能量較強，橫向延展范圍較大，振幅、頻率、相位等變化異常明顯，在探測深度范圍之內(nèi)未見明顯反射波組，左右兩側(cè)均伴有繞射現(xiàn)象；從相應(yīng)深度截取雷達切片(圖4a)和對空洞展布范圍及特征進行的分析可知，異常區(qū)范圍較大，且連續(xù)性好，展布范圍清晰可見。

根據(jù)地球物理參數(shù)差異性及雷達圖像特征，此處病害類型推斷為空洞，從三維探地雷達圖像(圖4)可知：該處病害埋深約為0.33 m，凈空0.65 m，由該深度的雷達切片可以看出，平行測線方向約為7.0 m，垂直測線方向為1.8 m，預(yù)測平面展布約為12.6 m2。

對病害周邊位置進行分析，由垂向剖面看出：較長的剖面右側(cè)(藍框)存在一處明顯的弧形反射，推斷為空中孤立物干擾所致；相應(yīng)深度水平切片空洞位置附近無明顯變化特征，在距離較遠處存在異?，F(xiàn)象，推斷為不良地質(zhì)體在水平切片上的反映，需借助三維垂向剖面進行初步推斷后，再借助二維雷達進行復(fù)測，必要時進行鉆孔驗證。

圖4 空洞缺陷雷達圖像Fig.4 3D GPR of cavity defect

3.2.3 疏松體缺陷分析

根據(jù)《城市地下病害體綜合探測與風險評估技術(shù)標準(JGJ/T437-2018)》[21]，疏松體指的是密實度明顯低于周圍土體的不良地質(zhì)體，相對于周邊土體，疏松體具有結(jié)構(gòu)不均勻、密實度低、強度低、壓縮性高等特點，因此，介電常數(shù)與周邊介質(zhì)也存在差異性。

圖5分別為三維探地雷達水平切片(圖5a)、沿測線方向垂向剖面(圖5b)和垂直測線方向垂向剖面(圖5c)。對三維探地雷達圖像進行分析：垂向剖面(圖5b、圖5c)紅框內(nèi)整體反射波能量較強，紅框內(nèi)上部為連續(xù)的同相軸反射波組，紅框內(nèi)下部反射雜亂且多次波反射明顯，且兩側(cè)有繞射波存在；從相應(yīng)深度截取雷達切片和對疏松體(圖5a紅框)展布范圍及特征進行的分析可知，異常區(qū)范圍雖大，但內(nèi)部連續(xù)性差，呈現(xiàn)出凌亂的特點。

圖5 疏松體缺陷雷達圖像Fig.5 3D GPR of loose body defect

根據(jù)地球物理參數(shù)差異性及雷達圖像特征，此處病害類型推斷為疏松體。該處病害埋深約為0.88 m，由該深度的雷達切片可以看出，平行測線方向約為4.0 m，垂直測線方向為1.8 m，預(yù)測平面展布約為7.2 m2。

對病害周邊位置進行分析，由垂向剖面看出：較長剖面與疏松體相鄰位置的下部(藍框內(nèi))反射雜亂，且可辨存在兩處弧形反射，其中，弧形反射推斷為空中孤立物干擾所致，在進行剖面解釋過程中要進行剔除；對背景雜亂反射，因頻率與現(xiàn)場條件限制，難以根據(jù)相應(yīng)深度的地層切片確定為異常，需改用頻率較小的二維探地雷達并加密測線進行推斷，必要時借助鉆孔資料進行驗證。

3.2.4 綜合分析

詳查采用瑞典MALA地質(zhì)雷達進行，在實施過程中，分別從平行(圖6a)、垂直(圖6b)道路方向?qū)γ摽瘴恢眠M行二維雷達復(fù)測。綜合考慮探測深度、探測精度及鄭州雨后地層富水等情況，這里選用100 MHz雷達天線進行探測，由此在確保探測深度的同時，還能確保獲得探測精度較高的剖面。由二維雷達探測結(jié)果(圖6)可知，在與三維探地雷達相對應(yīng)的位置，存在明顯的反射異常，同相軸錯斷明確可見， 振幅、頻率和相位變化清晰可辨。在相應(yīng)位置進行鉆探驗證，其結(jié)果與預(yù)測相吻合。

圖6 脫空位置二維雷達復(fù)測Fig.6 2D GPR resurvey of the void position

4 結(jié) 論

從探測方法方面來看：對二維探地雷達和三維探地雷達而言，雖探測原理相同，但儀器設(shè)備及現(xiàn)場實施存在差異性，因此又具有不同的特點：三維探地雷達天線頻率選擇的余地雖少，但具有可車載施工、陣列式天線及二維剖面與三維切片協(xié)同解譯等特點，因此可高效率、高精度、高準確度對目標進行識別，但對探測對象深度及特性要求較高；二維探地雷達雖拖曳式現(xiàn)場施工，且只能通過二維剖面對目標進行解譯，但在頻帶范圍之內(nèi)有多天線頻率可選，因此可操作性強、靈活性好。因此，三維探地雷達與二維探地雷達可取長補短，協(xié)同實現(xiàn)淺地表地質(zhì)病害探測。

從探測目標方面來看：對空洞、脫空、疏松體等淺地表地質(zhì)病害，其相同點是均與周圍填土層存在地球物理參數(shù)的差異性，不同之處是差異值大小不同、地球物理特性不同，除此之外，在探地雷達結(jié)果解譯的過程中，容易受到干擾信號的影響。因此，在探測過程中，除根據(jù)周邊環(huán)境因素來加強干擾信號的甄別之外，還要結(jié)合空洞、脫空、疏松體的特點，輔助進行探測目標解譯，最重要的是，為增強探測結(jié)果的準確性，必要時需采用鉆探方法對推斷結(jié)果進行驗證。