三維探地雷達(dá)技術(shù)在道路塌陷空洞探測(cè)中的應(yīng)用

1、三維探地雷達(dá)技術(shù)在道路塌陷空洞探測(cè)中的應(yīng)用摘要：近年來(lái)，隨著我國(guó)城市地下空間開(kāi)發(fā)利用強(qiáng)度不斷加大，城市淺層地質(zhì) 穩(wěn)定性造成一定程度的影響和破壞，導(dǎo)致我國(guó)許多城市道路地面塌陷事故不斷發(fā) 生，嚴(yán)重影響了人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全和城市運(yùn)行秩序。三維探地雷達(dá)是近年來(lái) 國(guó)外發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)新技術(shù)，在道路地下空洞檢測(cè)、地下管線探測(cè)、工程質(zhì)量檢 測(cè)、考古等領(lǐng)域應(yīng)用，取得了良好的效果。文章對(duì)三維探地雷達(dá)技術(shù)在道路塌陷 空洞探測(cè)中的應(yīng)用進(jìn)行了研究分析，以供參考。關(guān)鍵詞：三維；探地雷達(dá)技術(shù)；道路塌陷；空洞探測(cè)1刖言近年來(lái)，城市道路塌陷事件頻繁發(fā)生。北京、大連、哈爾濱、深圳、廣州、 南京、合肥、長(zhǎng)沙、南寧、太原等近年來(lái)都

2、出現(xiàn)過(guò)城區(qū)道路塌陷事件，輕則影響 交通，重則造成死傷，造成生命財(cái)產(chǎn)的重大損失。2三維探地雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)2.1工作原理探地雷達(dá)是通過(guò)發(fā)射天線（偵向下發(fā)射超高頻短脈沖電磁波，由接收天線（R）接收反射波，并根據(jù)其回波旅行時(shí)間t （又稱雙程走時(shí)）、幅度與波形資料， 經(jīng)過(guò)圖像處理和解譯，以確定地下界面或地下介質(zhì)的空間分布。2.2三維探地雷達(dá)三維探地雷達(dá)是近年來(lái)發(fā)展的新技術(shù)，它采用三維陣列天線，將發(fā)射天線與 接收天線分離，交錯(cuò)等距排列，發(fā)射和接收天線可任意組合，實(shí)現(xiàn)剖面間距接近 天線中心頻率的1/4波長(zhǎng)這一理想狀態(tài)。采集數(shù)據(jù)經(jīng)專門(mén)的處理軟件處理后可以 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無(wú)縫拼接，保證最終成果為一個(gè)完整的三維數(shù)據(jù)體。

3、該成果可以在任 意方向上切片以反映異常的形態(tài)。2.3三維探地雷達(dá)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)三維探地雷達(dá)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括雷達(dá)陣列天線（集成主機(jī)）、GPS精確定位 系統(tǒng)、控制中心、工程車等，將三維探地雷達(dá)圖像、圖像坐標(biāo)位置、地表特征物、 標(biāo)記等多種數(shù)據(jù)信息同步采集，融入到原始數(shù)據(jù)中。該系統(tǒng)可對(duì)城市道路進(jìn)行地 毯式、全覆蓋普查探測(cè)，得益于這種全新的數(shù)據(jù)采集模式，技術(shù)人員通過(guò)一幅幅 雷達(dá)剖面，和不同方向的“切片判斷分析地下異常的位置、形態(tài)以及危害程度， 并提出施工建議。3三維探地雷達(dá)異常識(shí)別3.1正常路面基層的標(biāo)準(zhǔn)雷達(dá)異常圖像由于路面為層狀結(jié)構(gòu)，每一層鋪筑的材料具有一定的介電性差異，因此，對(duì) 于正常路面基層的雷達(dá)異

4、常圖像的波相同相軸或色譜圖將呈現(xiàn)為近水平線型展布， 每一層內(nèi)的信號(hào)強(qiáng)度基本一致，反映在圖象上無(wú)明顯變化。3.2富水體富水體的相對(duì)介電常數(shù)大于周邊土體，隨著含水量的增大，相對(duì)介電常數(shù)差 異越大。雷達(dá)圖譜通常為頂面反射信號(hào)能量較強(qiáng)，下部信號(hào)衰減明顯，同相軸較 連續(xù)、頻率變化不明顯。3.3道路局部密實(shí)不均勻路面基層內(nèi)若存在局部密實(shí)不均（壓實(shí)度，離析，濕度）必然會(huì)導(dǎo)致介電常 數(shù)的不同，電磁波在此發(fā)生反射，地面可接收到相應(yīng)的雷達(dá)剖面異常圖像。這種 密實(shí)不均體界面處引起的異常幅度一般變大，判斷其邊界的定性方法為：依據(jù)在不均勻體邊界處有連續(xù)的反射波同相軸中斷或彎曲分布，其波長(zhǎng)變長(zhǎng)，波幅明顯 變化，波組特征也

5、發(fā)生明顯變化。3.4公路局部脫空或空洞從理論上講，在面層和基層結(jié)合密實(shí)區(qū)，層間反射弱，波形平緩、規(guī)則、無(wú) 雜亂反射存在。當(dāng)路面積水未及時(shí)排出時(shí)可能導(dǎo)致地表水下滲，使面層與基層之 間逐漸疏松，局部甚至脫空或空洞。脫空、空洞的相對(duì)介電常數(shù)為1，與土體的 相對(duì)介電常數(shù)（640）差異明顯此時(shí)，層間介質(zhì)的介電常數(shù)差異較大，依據(jù)雷 達(dá)波反射界面與波的傳播特性，反射界面明顯、傳播速度降低?？斩串惓^(qū)雷達(dá) 圖譜通常為反射信號(hào)能量強(qiáng)，反射信號(hào)的頻率、振幅、相位變化異常明顯，下部 多次反射波明顯，邊界可能伴隨繞射現(xiàn)象。4應(yīng)用實(shí)例分析4.1探地雷達(dá)數(shù)據(jù)采集為全面了解上海某道路下方塌陷空洞的三維空間分布，利用三維探地

6、雷達(dá)技 術(shù)對(duì)塌陷區(qū)進(jìn)行了三維探測(cè)。在道路表面布置了一個(gè)1.0mx0.5m的三維測(cè)網(wǎng)，平 行路面布置了 12條間距為0.5m的測(cè)線，垂直路面布置了 11條間距為1.0m的測(cè) 線，探測(cè)設(shè)備采用意大利IDS公司生產(chǎn)的RIS-K2型探地雷達(dá)系統(tǒng)；為兼顧探測(cè)深 度和分辨率，本次探測(cè)采用400MHz屏蔽天線，采樣點(diǎn)數(shù)為512個(gè)，時(shí)窗長(zhǎng)度為 100ns。為采集到高精度雷達(dá)數(shù)據(jù)，采用50m皮尺定點(diǎn)并采用自動(dòng)疊加、連續(xù)掃 描模式，每隔1m做一個(gè)標(biāo)記，以修正天線移動(dòng)速度不均勻引起的記錄道的位置 錯(cuò)位。4.2數(shù)據(jù)處理探地雷達(dá)數(shù)據(jù)處理是利用數(shù)學(xué)方法壓制雷達(dá)剖面的噪聲，提高電磁波信號(hào)的 信噪比，獲取與地下介質(zhì)有關(guān)的速度

7、、振幅、頻率和相位等特征信息，從而為雷 達(dá)剖面的地質(zhì)解譯提供高質(zhì)量的雷達(dá)剖面。野外采集的原始雷達(dá)數(shù)據(jù)中來(lái)自地下 塌陷位置的反射波非常微弱，加之采集現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的挖掘機(jī)、道路旁邊的高壓線使 得采集的GPR數(shù)據(jù)包含大量噪聲，因此需要經(jīng)過(guò)處理才能壓制噪聲，提高反射波 的信噪比，以利于雷達(dá)剖面的解釋。數(shù)據(jù)處理主要采用零時(shí)校正、直流濾波、帶 通濾波、自動(dòng)增益和時(shí)深轉(zhuǎn)換。其中，零時(shí)校正主要是消除天線離地和天線延時(shí) 的影響；直流濾波主要是切除電磁波中含有的直流成分；帶通濾波的主要目的是 消除地表環(huán)境如挖掘機(jī)、高壓線工作產(chǎn)生的噪聲影響；增益主要是補(bǔ)償電磁波在 地下介質(zhì)中傳播時(shí)衰減的能量；時(shí)深轉(zhuǎn)換主要是將時(shí)間剖面轉(zhuǎn)

8、換為深度剖面。4.3三維探測(cè)結(jié)果與分析Y方向所有測(cè)線上的雷達(dá)剖面組成的三維雷達(dá)切片圖。在深度1.02.0m內(nèi)有 近似水平的反射波組，同相軸清晰、連續(xù)，推斷為回填土層與地基層的分界面； 深度約0.3m處出現(xiàn)近似水平的反射波組，局部位置出現(xiàn)雜亂反射波，推斷為混 凝土層與回填土層的電磁波，混凝土層局部發(fā)生脫落現(xiàn)象；在深度約為0.5m處， X=0m，0.5m，1.0m，1.5m，2.0m，2.5m和3.0m處的測(cè)線上的雷達(dá)剖面上，水 平位置05.0m處大都出現(xiàn)強(qiáng)烈的反射波且兩端出現(xiàn)強(qiáng)烈繞射現(xiàn)象，反射波出現(xiàn) 范圍隨X方向距離的增大而減少，說(shuō)明塌陷空間范圍隨X方向距離的增大而減小; 在深度約為0.5m處，

9、水平位置7.59.0m出現(xiàn)強(qiáng)烈的反射波，反射波從X=0m的 測(cè)線一直延伸至X=3.0m處的測(cè)線。X=3.5m，4.0m，4.5m和5.0m時(shí)，測(cè)線上的 雷達(dá)剖面上未見(jiàn)明顯的起伏反射波出現(xiàn)，說(shuō)明測(cè)線下方未出現(xiàn)塌陷現(xiàn)象；此外， 在X=3.0m，3.5m，4.5m和5.0m處的雷達(dá)剖面上出現(xiàn)能量較強(qiáng)的水平反射波，且 在整個(gè)深度上得到延伸，這是由于探地雷達(dá)天線受道路上的金屬井蓋產(chǎn)生的電磁波干擾所致。X方向所有測(cè)線上的雷達(dá)剖面組成的三維雷達(dá)切片圖。由圖9可見(jiàn)，在深度 約為0.5m處，Y=0m，1.0m，2.0m，3.0m，4.0m和5.0m處的測(cè)線上的雷達(dá)剖面 上，水平位置03.0m處大都出現(xiàn)強(qiáng)烈的反射

10、波且端點(diǎn)處出現(xiàn)強(qiáng)烈繞射現(xiàn)象，反 射波出現(xiàn)范圍隨Y方向距離的增大而減少，說(shuō)明塌陷空間范圍隨Y方向距離增大 而減??；水平位置3.05.0m處未見(jiàn)明顯的反射波出現(xiàn)，道路下方未發(fā)生塌陷現(xiàn) 象。Y=6.0m，7.0m，8.0m，9.0m和10.0m處的測(cè)線上的雷達(dá)剖面上，水平位置 03.0m未見(jiàn)強(qiáng)烈反射波出現(xiàn)，而在水平位置3.54.5m處出現(xiàn)強(qiáng)烈的雙曲線反 射波，反射波能量隨Y方向距離的增大而增大，說(shuō)明該處出現(xiàn)了塌陷現(xiàn)象。此外， 在Y=2.0m和6.0m的測(cè)線上的雷達(dá)剖面上出現(xiàn)能量較強(qiáng)的水平反射波，如黃色框 所示，且在整個(gè)深度上延伸。這是由于探地雷達(dá)天線受到道路上的金屬井蓋產(chǎn)生 的電磁波干擾所致。5結(jié)束語(yǔ)由此可見(jiàn)，探地雷達(dá)三維探測(cè)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)道路塌陷空洞三維探測(cè)的可視化和 定