成润根
（中国煤炭地质总局水文物测队 河北 邯郸 056000）
摘要：为了探测粤港澳大湾区某城市道路地下空隙，保障人民生命财产安全，采用三维探地雷达和地震映像技术开展探测工作，研究了应用工程及效果，结果表明用上述技术在精确探测道路病害体方面有较好的效果。
关键字：三维探地雷达技术；地震映像技术；粤港澳大湾区；城市道路； 病害体探测。
1引言
近年来，随着粤港澳大湾区经济高速发展，地下空间不断开发使用，加之车辆激增，道路荷载加剧，道路下地层时常出现疏松体、空洞等病害，极易造成道路塌陷，对广大人民群众的安全出行和生命财产安全带来严重威胁，因此开展道路病害体探测，使事故后抢险救援和治理转变为提前探测预防具有非常重要的社会意义。
目前，道路病害体探测方法主要有多道面波法、地震映像法、探地雷达法、高密度电法等，不同方法具有不同的适应性和优势。道路病害体探测具有干扰因素多、施工环境复杂、探测精度要求高等特点，因此采用单一方法进行探测并不完全适应，相比之下采用多种方法进行综合探测可极大提高探测精度。本文以粤港澳大湾区某城市相关工程为例，采用三维探地雷达和地震映像技术进行道路空洞、脱空及其他道路地下病害检测，取得了良好的效果。
三维探地雷达是近年来国外发展起来的一项新技术，三维探地雷达数据采集系统包括雷达阵列天线（集成主机）、GPS精确定位系统、控制中心、工程车等，将三维探地雷达图像、图像坐标位置、地表特征物、标记等多种数据信息同步采集，融入到原始数据中。该系统可对城市道路进行地毯式、全覆盖普查探测，得益于这种全新的数据采集模式，物探技术员通过一幅雷达图像，利用不同方向的“切片”判断分析每个地下异常的位置、形态以及危害程度。
地震映像技术主要用于地面地质灾害与环境调查、水利工程病害调查、矿产资源勘查、工程地质勘察等领域，也可应用于隧道地质超前预测预报，隧道围岩等级划分等。
2工作原理
2.1三维特地雷达工作原理
探地雷达是向地下介质发射高频脉冲电磁波，通过电磁波在地下传播的规律对地下结构及介质特征等进行研究的探测方法。只有对电磁波在复杂的介质中传播规律进行了深入研究，才能得到地下有效信息。
探地雷达探测基本原理，发射天线向地下发射电磁波，接收天线在地表接收从地下传来的回波。因为，在介质中传播的电磁波，当遇到介电常数不同的两种介质或被测目标体，其一部分电磁波会反射回地面，并被探地雷达所接收，并加以分析、研究。由于介质形态不同，电磁波传播的路径、波形等就不同，所以根据电磁波传播的时间、波形、振幅等资料，就可以分析出地下目标体或者界面的空间位置。
2.2地震映像技术工作原理
地震映像法是基于反射波中的最佳偏移距技术发展起来的一种常用高效浅层地震勘探方法，这种方法可以利用多种波作为有效波来进行探测。地震映像法由激发震源、接收检波器、震动信号接收系统和处理系统组成。地震映像法采集时采用固定偏移距、小道距移动的方式，通常采用单道接收。因为每一测点的波形记录都采用相同的偏移距激发与接收，在该偏移距处接收到的有效波具有较好的信噪比和分辨率，能够反映出地质体沿垂直方向和水平方向的变化。
3技术优势
3.1三维探地雷技术优势
三维探地雷达技术快速数据快速采集优势。在道路条件允许的情况下，三维探地雷达设备可进行10-30公里/小时的速度进行车载扫描，数据采集效率极高；三维探地雷达工作过程中可与GPS或全站仪进行连接并实时传输测量数据，保证了物探探测点的测量数据精度，最佳测量精度可控制到厘米级；三维探地雷达数据采集中可采集海量成果数据，数据网格密度极高，数据网格通常为10cm×11cm或10cm×16cm。极高的数据采集网格，有效的保证了探地雷达探测的平面分辨率；探测成果三维显示功能。三维探地雷达探测成果可进行三维多剖面或简易三维地质建模显示，以多角度、不同方向展现勘探成果。
3.2地震映像技术优势
地震映像技术采集速度快，对场地的适应性较强；资料解释时可利用多种波的信息，可以是反射波、折射波或面波等；适用于探测目的层较单一、只需研究横向地质情况变化的情况；由于采用了共偏移距采集，地震记录上的时间变化主要为地下地质异常体的反映，资料解释比较方便，图示直观；资料处理过程中不需要进行动校正、叠加等处理，避开了动校正对浅层反射波的拉伸、畸变影响，可以全部保留反射波动力学特征。地震映像技术具有分辨率高、成果解释可靠、应用范围广泛、操作简便和自动化程度高的优点。对浅层地质调查，有着非常广泛的应用前景，如探测采空区、基岩面、覆盖层厚度、查找潜伏断层、破碎带、古溶洞、管道沟、涵洞等效果较好。
4重难点分析及应对措施
4.1重难点分析
工作区内道路密集多，人流量较大，车流量较大，车速过快等不利因素给施工造成较大影响；部分路段高楼林立，GPS定位多以伪距、浮动采集状态，且部分路段为单点状态，影响了测量精度；探测过程中地上和地下存在多种干扰源，这些干扰源在探地雷达图像上往往形成与地下病害相同或相似的图像特征，或在很大程度上影响数据的信噪比和分辨率，容易造成真实地下病害的漏判或误判，为探地雷达剖面的解释造成很大困难；部分地段停放大量车辆，导致测线较短，不利于数据整体解释。
4.2应对措施
在人文、车辆活动较丰富的地段，随机干扰较强，施工中采用专人负责监控车流量，在夜间车辆少、干扰小，并采用分时段、分车流施工的措施；针对GPS测量精度无法满足施工要求时，或在GPS信号不固定的情况下，采用根据现场地标打点、描绘草图结合地理信息等方式采集，满足了探测的准确度；遵照因地制宜、灵活多变的方针，首先对道路进行现场踏勘，提前画出测线草图，利用计算机辅助设计技术，计算好测线分布图，优化采集方案；在处理解释雷达数据时，并根据以往施工经验、周边环境、管网资料进行分析，排除外部干扰，对于不能确定的异常，通过测量实地定位，现场复测等方式排除干扰。
5数据采集
5.1数据采集方案
由原理可知，利用上述技术开展道路空洞及其他不良隐患检测应具备的物理前提条件是：路面基层与上下介质之间和缺陷异常体与周围介质之间的电性（特别是介电性）存在着一定的差异，而介质的介电常数又决定于材料本身的物质成分与结构，孔隙度和含水量等主要因素。
公路路面基层一般为水泥稳定土、水泥稳定粒料、石灰稳定土、石灰稳定粒料、石灰粉煤稳定土、水泥粉煤稳定土等铺筑材料，基层的相对介电常数将随所采用的材料不同而不同，一般层内湿度较大，且采用土、砾石、粉煤灰、石灰等介电常数相对较大的集料；位于其上的面层一般采用2种材料—沥青混合料和水泥混凝土，其湿度较小，介电常数相对较小；基层下部垫层材料常为石灰土、二灰土、碎砾石，石灰粉煤土等，孔隙度更大，含水量更高；空洞及缺陷异常体相对周围介质孔隙度将变大，含水量也明显不同，这些均为开展检测路面奠定了工作基础。
探测工作对工作区域进行三维探地雷达全覆盖扫描探测，数据采集过程中，采用GPS定位定位的方式，采用以车载雷达为主，人工拖拽为辅的工作方法。三维探地雷达复测完成定位后，由测量人员固定好卷尺，并标好测点位置，进行地震映像数据采集工作。
5.2数据采集参数
有效数据质量是开展病害探测的基础，也是现场采集的关键，所以数据采集前进行现场一致性试验，主要包括设备的稳定性、充分性、灵敏度，其结果满足道路探测要求。本次检测工作的主要目的为探测地下空隙。根据任务要求，制定了三维探地雷达技术和地震映像技术的采集参数。三维探地雷达技术采集参数主要包括：采样点参数、中心频率参数、采样间隔参数、采集时窗等。地震映像技术参数主要包括：偏移距、记录时间、采样点数、采样率、点距、检波器频率等。
6资料处理
6.1三维探地雷达资料处理
三维探地雷达系统处理解释软件为GRED HD软件。它可以对三维雷达数据进行预处理、地形校正、属性处理等操作。通过对处理后的三维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。
6.2地震映像资料处理
地震映像法数据处理，主要包括坐标参数编辑、预处理、能量均衡、频率滤波、时深转换。其中，为保留多种地震波及其动力学特征，必要时仅对地震映像剖面做频率滤波、能量均衡。
7资料解释
7.1病害体类型
根据地下病害体的形态、工程特征及对地下安全危害程度的不同，可对地下病害体进行分类。
脱空：埋置深度较浅，水平影响范围相对较大。
空洞：规模尺度较大，空洞的上下界面一般均不平整。
疏松体：具有不均匀、密实度低、湿陷性、强度低、高压缩性等特点；强度会随土颗粒彼此间的孔隙增大而降低；疏松土体范围逐渐扩大到一定程度，土颗粒间的孔隙不断增大直至土颗粒骨架丧失其承载力，内部土体发生坍塌，疏松区域演变为空洞，在路基与基层之间、基层和面层之间会出现脱空病害。
富水体：具有均匀性较差、含水量高、呈流塑状态、灵敏度较高，强度很低、孔隙比较大、压缩系数较大等特点；富水病害体中的固体成分均被冲蚀后形成“水囊”。
7.2三维探地雷达资料解释
7.2.1三维探地雷达图谱特征
当道路下方结构完整无任何病害体时，雷达的反射波同相轴连续，振幅、相位和频率无明显变化，没有明显异常的强反射波组，表明道路下方结构层连续，周围土体介质均一。
道路下方土层中存在的空洞、脱空及土体疏松是本次病害体探测的首要目标。尽管空洞、脱空的形态各异、规模大小不同，但它们与周围土层之间存在明显的电性差异，在雷达剖面上产生相似的图谱特征，如表现为双曲弧形的多次反射特征、反射波能量（振幅）的明显增强、或者反射波同相轴明显错乱、绕射等。
7.2.2三维探地雷达资料解释
在雷达剖面的解释中，采用对比的方法来识别反射波的特征。如波组形态的变化，包含反射波的波峰或波谷沿测线上的波形、连续性，有无绕射波、多次波，振幅强弱变化，反射波的相位特征（顶部界面的正负相位变化），频率变化等。根据上述的雷达图谱特征变化，首先可以确定道路下方有无异常；再根据异常形态雷达图谱的不同来识别不同类型的病害体。
1、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。
.png)
图1 道路下富水体探地雷达剖面显示
2、道路局部密实不均匀
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。
.png)
图2 道路路基疏松（不密实）探地雷达剖面显示
3、局部脱空或空洞
脱空、空洞的相对介电常数与土体的相对介电常数差异明显。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。
.png)
图3 道路局部脱空、空洞探地雷达剖面显示（左图：脱空，右图：空洞）
7.3地震映像技术资料解释
地震资料的解释依据地震时间剖面。在了解工作区工程概况及地质资料的基础上，去除地表干扰信号,利用地震波同相轴错断、绕射波、波频率和振幅变化等现象，进行定性解释，推断异常体的发育情况，最终确定空洞、脱空、疏松、湿性土等的位置。
地震时间剖面图中，用同相轴表示振幅和相位变化情况，横坐标为距离测线起始点距离（单位：m），纵坐标为弹性波旅行时（单位：ms）。
地下空洞位置引起地震反射波波形变得不规则、紊乱甚至产生畸变、绕射波组发育。周围正常地层则由于岩层相对完整而变化不明显。原有地层遭受破坏后，地震时间剖面必然反映出反射波组的突显，当遇到地层空腔时，在边界会产生绕射波，这些规律可以作为识别空洞及地层破坏是否存在的标志。
1、脱空
同相轴消失或分叉，频率低于背景场。
2、空洞
地震映像剖面同相轴下凹、明显错断，低频信号增强，波长变长，局部伴有散射现象。
3、疏松体
波形结构变化较大，同相轴上凸或下凹现象较明显，地震波历时延长，频率低于背景场。
.png)
图4 病害体在地震映像剖面图的反应（上左图：空洞，上右图：脱空，下图：疏松体）
8效果分析
本次探测工作使用三维探地雷达与地震映像技术对工作区道路进行全覆盖扫描探测。发现道路病害体6处，其中空洞4处，疏松体1处、富水体1处，并全部得到了验证。
.png)
图8 病害体体平面位置示意图
9结论
本文对三维探地雷达和地震映像技术原理、外业数据采集、数据处理和资料解释等依托实例较为详细的介绍，实际应用效果证明，通过三维探地雷达与地震映像技术综合探测，把好各环节质量关，可确保获得客观可靠的道路病害体赋存成果，可满足对城市道路病害体探测的精度要求。
参考文献：
[1]王海宁，三维探地雷达在道路病害体探测中的应用[J],中国煤炭地质,2018,08：70-74.
[2]王秀荣、冷广昇、牛鹏程，三维探地雷达数据拟地震处理技术研究[J],中国煤炭地质,2017，10:70-75.
[3]占文峰、习铁宏、王强，地质雷达探测技术在地基空洞探测中的应用[J],中国煤炭地质,2015,11:70-73.
[4]何鎏，道路沉陷探测中高密度地震映像应用研究[J],低碳世界,2019，02:69-70.
[作者简介]成润根（1980-），籍贯河北省赵县，中国煤炭地质总局水文物测队总工程师，研究方向主要为地球物理勘探。