三维探地雷达图谱识别技术在城市道路塌陷隐患检测中的应用

三维探地雷达图谱识别技术在城市道路塌陷隐患检测中的应用

廖亮1, 郑福龙2

1.四川省地质矿产勘查开发局113地质队   2.四川省地质矿产勘查开发局物探队

摘要：城市地下病害体诱发的塌陷事故频繁发生，造成巨大的经济损失和不良社会影响。地下病害体具有隐蔽性、突发性、难以提前预测等特点，为了提前发现、及时处置地下病害体，传统的路面结构病害检测属于破损性检测，耗费人力多、周期长、恢复交通慢。本文应用三维雷达在检测路段的检测结果，分析三维雷达检测图谱中特征波形对应的病害类型，发现探地雷达方法对道路浅层隐蔽性病害体识别应用效果好，为相关部门制定针对性的处理措施提供依据和城市道路安全运行提供有力支撑。

1 探测方法技术

地质雷达（GPR）是通过发射天线向探测体内发射电磁波，利用接收天线接收来自目标体界面的反射波（图1）。根据电磁波传播理论，电磁波在穿过层状介质时，遇到上下不同介质层，电磁波产生折射与反射，由接收天线接收介质反射的回波信息，经计算机对接收的信号及信息进行分析处理。电磁波在介质传播过程中，其传播速度V主要是由介质的介电常数决定，当碰到与周围介电常数不同的目标体边界时，将产生反射波，并由接收天线接收，从而达到探测目的。

图1  探地雷达原理示意图

2 数据处理、解译

为突出有效波，提高雷达记录的信噪比和分辨率，提供和显示记录中包含的与地下目标体的位置、形态、结构和属性等有关的信息，通常采用的数据处理方法有：去除直达波、时间滤波、背景去除、时间增益、通过对处理后的雷达数据体进行针对性的切割，即可得到地下异常体或目标体的轮廓、位置等多种地下信息，取得可靠的检测成果。

3 地下病害体分类及地质雷达图谱特征

地下病害体主要有脱空、空洞、疏松体和富水体等类型，不同的地下病害在地质雷达剖面上有不同的特征，具体图谱特征见表1。

表1地下病害体的地质雷达图谱特征

（1）正常路面基层的标准雷达异常图像

由于路面为层状结构，每一层铺筑的材料具有一定的介电性差异，因此，对于正常路面基层的雷达异常图像的波相同相轴或色谱图将呈现为近水平线型展布，每一层内的信号强度基本一致，反映在图像上无明显变化。

（2）富水体

富水体的相对介电常数大于周边土体，随着含水量的增大，相对介电常数差异越大。雷达图谱通常为顶面反射信号能量较强，下部信号衰减明显，同相轴较连续、频率变化不明显（图2）。

图2  地下富水体地质雷达剖面显示

（3）地下局部密实不均匀

路面基层内若存在局部密实不均（压实度，离析，湿度）必然会导致介电常数的不同，电磁波在此发生反射，地面可接收到相应的雷达剖面异常图像。这种密实不均体界面处引起的异常幅度一般变大，判断其边界的定性方法为：依据在不均匀体边界处有连续的反射波同相轴中断或弯曲分布，其波长变长，波幅明显变化，波组特征也发生明显变化（图3）。

图3地下路基疏松（不密实）地质雷达剖面显示

（4）空洞

空洞的相对介电常数为1，与土体的相对介电常数（6～40）差异明显此时，层间介质的介电常数差异较大，依据雷达波反射界面与波的传播特性，反射界面明显、传播速度降低。空洞异常区雷达图谱通常为反射信号能量强，反射信号的频率、振幅、相位变化异常明显，下部多次反射波明显，边界可能伴随绕射现象（图4）。

图4地下空洞地质雷达图谱

5 结论

通过分析三维雷达检测图谱中特征波形及其对应的病害类型，发现探地雷达方法对道路浅层隐蔽性病害体识别应用效果好，为相关部门制定针对性的处理措施提供依据和城市道路安全运行提供有力支撑。