基于探地雷达的城市道路检测

程 甄

(安徽理工大学 地球与环境学院，安徽 淮南 232001)

1 引言

截至2019年第4季度，全国36个主要城市道路网总体平均密度为6.1 km/km2[1]。因为城市道路的大量铺设也产生了一个更大的难题，就是对城市道路的养护和治理。城市道路由于施工工艺、使用材料、车辆碾压，季节变化等原因，会出现各种病害，小的会影响居民的日常出行，严重的还会对居民的生命安全造成威胁。道路表面出现的各种病害如：拱起、掉角、错台、唧泥、裂缝等都能轻易看出，道路维修人员能及时修复。一些出现在道路内部的病害如：脱空、空洞、不密实等[2,3]难以发现，不能及时修复，久而久之就容易发生事故。

城市道路检测方法有很多如：人工地震法[4]、钻芯取样法、落锤式弯沉仪检测法[5]等。不过这些检测方法不仅成本高、效率低，还会对道路产生破坏，降低道路的使用年限。近年来出现的探地雷达法是通过向地下反射电磁波接收其反射回来的信号来推断地下结构和构造。这种方法相对传统方法效率高、成本低，而且还有精度高、结果直观等优点，最重要的是不会对道路产生破坏。

本文便是采用探地雷达法对合肥某地铁施工区上方道路进行检测，查明地下病害的位置和类型，为道路治理提供信息以及保障地铁施工的安全推进。

2 探地雷达原理

探地雷达是通过向地下所勘探的目标发射高频脉冲电磁来探测目标体的电磁波方法。电磁波在介质中传播时，其路径、电磁场强度、波形都会因介质的电性性质及几何形态发生变化。因此，根据接收到的地下介质界面的反射波的旅行时间、幅度与波形资料可以推断出介质的结构。探地雷达是研究电磁波在地下介质中传播规律的一种应用，电磁波的传播特征是探地雷达的理论基础[6,7]。

2.1 探地雷达的基本理论

麦克斯韦电磁理论表明了磁场的变化产生电场，而磁场的变化又伴随有电场的变化。电场和磁场随时间的变化可向周围空间扩散，形成电磁场由近向远传递，电磁场的变化符合波动理论。探地雷达是利用高频电磁波进行测量，而电磁波在介质中的传播规律遵循麦克斯韦方程组：

(1)

(2)

▽·B=0

(3)

▽·D=ρ

(4)

式(1)～(4)中：E为电场强度矢量(V/m);H为磁场强度矢量(A/m);D为电位移矢量(C/m2);B为磁感应强度矢量(T);J为电流密度矢量(A/m2);ρ为电荷密度(C/m2)。

2.2 雷达的工作原理

电磁波的传播取决于介质的电性，介质的电性主要有电导率μ和介电常数ε，前者主要影响电磁波的穿透(探测)深度，在电导率适中的情况下，后者决定电磁波在该物体中的传播速度，因此，所谓电性介面也就是电磁波传播的速度介面。不同的地质体(物体)具有不同的电性，因此，在不同电性的地质体的分界面上，都会产生回波。基本目标体探测原理如图1所示。

图1 探地雷达工作原理

由公式 ：

(5)

雷达根据测得的雷达波走时，自动求出反射物的深度z和范围。

3 工程实例

3.1 准备工作

本次作业在凌晨开始，此时车辆较少，并在作业开始和结束位置放置警示牌。检测工作使用的是瑞典MALA地球科学公司制造的探地雷达，根据本次项目的要求，使用的是中心频率为100MHz屏蔽式天线，探测地下3～10 m空间地下病害的位置及深度。采集参数设置为：采样频率为1270MHz；天线距离为0.5 m；时窗为1612；堆叠次数为8；测距方法为轮距测量。

本次作业测线沿道路方向布置，共4条测线，左右各两条，两边的测线间距为2 m。两边测线位置提前使用喷漆进行标记，标记间隔为20 m。

3.2 数据处理

探地雷达探测的数据以脉冲反射波的形式记录，显示为时距剖面图。探地雷达数据的解释分为两部分：数据处理和图像解释。探地雷达在探测时发射的电磁波因为受到地下介质的吸收以及介质的电性差异使接收到的反射波会出现较大变化，并且探测过程中还会受到周围环境的干扰。所以需要对数据进行适当的处理，为图像解释提供依据。

图像处理包括消除随机噪声、压制干扰，改善背景；进行自动时变增益或控制增益以补偿介质吸收和抑制杂波，进行滤波处理除去高频，突出目标体，降低背景噪声和余振影响。由于测线过长，在数据处理时将数据以100 m为1段进行处理，共20段。

3.3 图像解释

本次探测所得数据显示该路段主要病害为不密实，图2、图3为经数据处理后的成果图。

图2 处理后的剖面图(a)

上面两图中A和C两处分别位于第11段的4～20 m深4 m处和第19段20～26 m深7 m处。这两处的电磁波反射信号幅值较强，且同相轴不连续，错断，杂乱，经判断这两处为不密实区。

图中B和D两处异常为井盖，这两处在探测过程中已经在数据中打上标记。

图3 处理后的剖面图(b)

4 结论

(1)探地雷达的数据会受到周围环境的干扰，需要在探测过程中准确记录干扰源的位置和类型，在数据处理时能剔除干扰信号从而提取有效信息。

(2)使用探地雷达能精准地确定道路中病害的位置，从而为施工人员能及时排除隐患，为地铁的安全施工提供保障。