與其他道路相比，城市道路各種市政附屬設施眾多，尤其是帶電的線纜或設備(如供電/通信電纜、交通信號燈、電子眼、電子屏、路燈等)和地下管線(如污水、雨水、供水、熱力、燃氣管線)等。帶電的線纜或設備是典型的電磁干擾源，高密度電法、瞬變電磁法等電法勘探的抗電磁干擾能力較差，在復雜的城市道路環(huán)境中應用效果不甚理想;淺層地震法的作業(yè)時間較長、所需工作面較大，影響交通，實用性差。
探地雷達方法具有高精度、高效率、連續(xù)無損、實時成像和結果直觀等優(yōu)，在城市道路塌陷隱患探測中得到廣泛應用。在城市道路塌陷隱患探測中，為盡量屏蔽外界電磁干擾，提高信號信噪比，需要采用屏蔽型探地雷達天線，但即便如此，城市道路周邊的各種干擾源(如空中的電纜線和高架橋，地下的管線和窨井等)在探地雷達圖像上也會形成與地下真實病害相同或相似的圖像特征，影響探地雷達剖面解譯的精度和準確性，容易造成道路地下真實病害的誤判或漏判，對識別地下病害的類型帶來了困難。
因此，河南工程學院資源與環(huán)境學院、陜西省交通建設集團公司和黃淮學院建筑工程學院的研究人員以空中干擾源和地下干擾源所處地球物理背景介質的電性差異為基礎，分析了典型空中干擾源和地下干擾源雙曲線的曲率大小和兩翼陡緩長短等形態(tài)特征差異，為去偽存真，識別和剔除空中、地下典型異常干擾源提供依據(jù)和指導，有效減少病害現(xiàn)場復測驗證工作量;以土體疏松、空洞和土體富水等道路典型隱性病害的地球物理特征差異為基礎，詳細分析了它們在探地雷達波組響應特征之間的差異，尤其是依據(jù)反射波與入射波的相位變化，可以快速識別道路深層隱性病害的類型，圈定其位置、埋深和范圍，并依據(jù)其反射波的振幅強弱和波形雜亂程度來定性評價病害的嚴重等級，為辨證施治，采取針對性的處治排險措施提供指導。
道路塌陷誘因分析
近些年，道路塌陷事故在我國一些城市呈高發(fā)趨勢，究其主要原因，一是因為城市地下空間工程大規(guī)模的建設施工，擾動破壞了道路地下空間原有的地質應力結構平衡，形成地層空洞，繼而導致道路塌陷，其中以地鐵施工影響尤甚;二是因為地下管線年久失修、老化，在地下長期腐蝕后形成破裂滲漏等現(xiàn)象，沖刷管線周圍土基，造成水土流失，從而形成道路地下空洞，誘發(fā)道路塌陷，尤其與走水管線(如污水、雨水、供水、熱力管線)密切相關，即所謂的“十塌九漏”;三是由于地下管線施工不規(guī)范，回填不密實，形成土體疏松，在地下水和車輛震動等多種因素影響下發(fā)生流砂淘蝕現(xiàn)象，形成路基空洞，最終造成道路塌陷。
探地雷達道路塌陷隱患探測
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現(xiàn)場踏勘和探地雷達測線布置
城市道路交通環(huán)境復雜、車流人流量大、交叉口紅綠燈多、干擾源眾多，在探地雷達探測前，必須對道路結構層厚度及其材料、地下管線分布情況、沿線電磁環(huán)境干擾等進行詳細的調查和測量。依據(jù)城市道路“十塌九漏”的顯著特點，地下走水管線(如污水、雨水、供水和熱力管線)是現(xiàn)場踏勘和測線布置的重點區(qū)域，應明確測量出這些管線的埋設位置、埋藏深度和走向，并依據(jù)管線埋藏深度，合理選擇不同中心頻率的探地雷達天線。地鐵沿線和地鐵站出入通道上方路面受施工擾動影響較大，易出現(xiàn)土體疏松、沉降和塌陷，也是現(xiàn)場踏勘的重點區(qū)域。由于道路塌陷具有反復性，對道路以往塌陷區(qū)域也應重點關注，尤其是為了快速恢復路面通行，未找到誘發(fā)路面塌陷根源的區(qū)域。依據(jù)現(xiàn)場踏勘結果，繪制探測雷達測線布置示意圖。通常而言，探地雷達測線應平行于車道行車方向，且應滿足“全覆蓋、無遺漏”的原則，即每個車道應至少布置一條探地雷達測線，且天線的覆蓋區(qū)域有一定程度(10%)的重合。在地下走水管線上方區(qū)域、地鐵沿線及出入口區(qū)域和以往塌陷區(qū)域應適當加密測線，進行重點檢測。對于檢測出的疑似病害，應回溯定位病害的現(xiàn)場位置，對其采用網(wǎng)格測線加密復測驗證，判定疑似病害的類型，現(xiàn)場圈定疑似病害的區(qū)域范圍。對于查明的嚴重空洞病害，應及時匯報相關責任人，進行緊急處治排險，預防道路塌陷事故。
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數(shù)據(jù)采集參數(shù)設置及數(shù)據(jù)采集質量評判
在正式采集數(shù)據(jù)前，應反復進行對比試驗，優(yōu)選各項采集參數(shù)，主要采集參數(shù)及其設置原則如下：(1) 天線，首先要選擇合適頻率的屏蔽型地面耦合天線，即在滿足探測深度的前提下，盡量選擇中心頻率較高的天線，以同時兼顧探測深度和分辨率;也可以使用變頻天線或者不同頻率的天線對同一測線進行重復檢測。(2) 時窗，時窗設置主要取決于最大探測深度與背景介質的電磁波波速，同時要為波速變化和目標體深度變化保留一定的余量。(3) 采樣率，采樣率的設置應滿足奈奎斯特采樣定律，即采樣率應至少是反射波最高頻率的2倍。為使記錄波形更完整，成像更清晰，在不影響探地雷達數(shù)據(jù)存儲速度的前提下，采樣率應盡量大一些。(4) 道間距，在保持一定天線移動速度的前提下，只要探地雷達系統(tǒng)不丟道，道間距可以設置的盡可能小一些，以增加目標體的被掃描次數(shù)，使目標體成像更清晰。(5) 增益，調節(jié)增益的目的為了補償雷達波因波前擴散和吸收衰減造成的能量損失，增強地下深層雷達反射波的振幅，使來自不同深度的雷達反射波振幅僅與反射系數(shù)有關。同時，雷達波振幅的最大值不應超過探地雷達測量系統(tǒng)的閾值，即避免削波造成的波形失真。由于探地雷達反射波信號的幅度與反映介質電性差異程度的反射系數(shù)直接相關，因此在探地雷達探測過程中，操作員要密切監(jiān)視探地雷達信號的幅度，當信號幅度出現(xiàn)異常時，要認真判別信號幅度變化的原因，并觀察周圍是否有干擾源，并做好詳細記錄，以方便后期數(shù)據(jù)解譯時排除虛假異常干擾。在探測過程中，不允許對雷達探測信號的幅度進行調整。對現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)應及時進行質量評判，評判原則：(1) 探測數(shù)據(jù)所包含的信息應能覆蓋整個探測區(qū)域。(2) 探測數(shù)據(jù)的有效信號深度應包含探測目標體。(3) 探測數(shù)據(jù)的信噪比應滿足數(shù)據(jù)處理解釋的需要。(4) 相鄰測線的數(shù)據(jù)應具有一定的一致性。(5) 重復觀測的數(shù)據(jù)應具有較高的一致性。在數(shù)據(jù)質量評判過程中，發(fā)現(xiàn)問題必須立即采取補救措施。
典型波組特征分析
正確認識正常道路、典型干擾源和各種道路深層隱性病害在探地雷達剖面上的波組特征，是提高數(shù)據(jù)解譯質量、精度和準確率的關鍵。
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正常道路波組特征分析
城市道路是典型的層狀結構，從上至下依次為瀝青混凝土面層、水泥穩(wěn)定碎石基層和填土路基，其介電常數(shù)依次增大。由于正常道路的各結構層內部介質均勻，層間結合密實，故正常道路的波組特征表現(xiàn)為面層與基層、基層與路基之間分界面的雷達反射波極性與入射波極性相反，其同相軸連續(xù)、穩(wěn)定，幅度均勻，反射波能量自上而下由強變弱。
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典型干擾源波組特征分析
在城市道路塌陷隱患探地雷達探測中，電纜線和高架橋是典型的空中干擾源，地下管線和窨井是典型的地下干擾源。道路結構層材料(如瀝青混凝土、水泥穩(wěn)定碎石等)及下方土體路基的相對介電常數(shù)通常在7~15之間，探地雷達波在其中的傳播速度約為7.7~11.4 cm/ns，而空氣的相對介電常數(shù)εa=1，探地雷達波在空氣中的傳播速度約為30 cm/ns。由于探地雷達波在空氣中比在道路地下介質中的傳播速度更快，則相鄰兩道雷達波在空氣中的雙程走時間相差更短，因此電纜線和高架橋繞射波雙曲線的曲率較小，兩翼平緩。另外，空氣的電導率很小，近似為0，電磁波在其中傳播時僅發(fā)生波前擴散，而無吸收衰減，故電磁波能量衰減很慢，致使電纜線(圖1)和高架橋(圖2)繞射波雙曲線的兩翼平緩而長，而道路地下介質的電導率明顯大于空氣的電導率，電磁波在地下有耗介質中傳播時不僅存在波前擴散，還存在吸收衰減，故電磁波能量衰減很快，致使地下管線繞射波雙曲線的兩翼陡而短。因此，電纜線和高架橋等典型空中干擾源的探地雷達波組特征是其繞射波雙曲線的曲率較小，兩翼平緩而長，而地下管線(圖1)繞射波雙曲線的曲率大，兩翼陡而短，且兩者的繞射波雙曲線均左右對稱，形狀規(guī)則，易于識別和剔除。
圖1 空中電纜線和地下管線探地雷達波組特征
圖2 高架橋探地雷達波組特征
窨井是地下管線在地面出入口，其上覆蓋有窨井蓋，由于窨井蓋下方就是空氣，因此，其探地雷達波組特征表現(xiàn)為反射波同相軸能量非常強，直達波以下多次反射波開始明顯發(fā)育，且持續(xù)時間較長，能量幾乎不衰減，如圖3所示。
圖3 窨井的探地雷達波組特征
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典型道路地下病害波組特征分析
土體疏松、空洞和土體富水是可能誘發(fā)道路塌陷的主要道路深層隱性病害，其地球物理特征和對應的探地雷達波組特征如下：土體疏松
土體疏松是指在含水量相同的情況下，比周邊土體的空隙率大、密實度小的土體。土體疏松會降低土粒之間的黏結力，使土體更松散，易導致土體坍塌，形成地下空洞。疏松土體是土和空氣的混合物，其等效介電常數(shù)可用復折射率模型：
松土體的等效介電常數(shù)與土、空氣的介電常數(shù)及其體積含量百分比相關。由于空氣的相對介電常數(shù)εa=1，因此疏松土體的介電常數(shù)要小于周邊密實土體的介電常數(shù)，當電磁波由上層密實土體進入疏松土體時，其反射系數(shù)為正，土體疏松上界面的反射波與入射波同相。且土體越疏松，其空隙率越大，介電常數(shù)越小，介質內部越不均勻，導致反射波振幅愈強，同相軸不連續(xù)和波組雜亂程度加劇，其上覆地層反射波同相軸還可能出現(xiàn)向下凹陷變形，如圖4所示。
圖4 土體疏松探地雷達波組特征
空 洞空洞是城市道路塌陷的直接誘因，是道路塌陷隱患探測的重點對象。由于道路結構層下方或路基中空洞內部充填的介質為空氣，而空氣的介電常數(shù)明顯小于周邊土體介質，因此，電磁波由介電常數(shù)大的基層或路基進入介電常數(shù)小的空氣時，其反射系數(shù)為正，即空洞頂面的反射波與入射波同相，反射波振幅很強。電磁波在空洞內會發(fā)生多次反射，致使空洞的雷達波三振相特征明顯，多次反射波明顯發(fā)育，同時空洞邊緣還可能伴隨繞射現(xiàn)象。圖5為典型的空洞探地雷達波組特征，圖6為采用內窺鏡拍攝的空洞內部圖像。
圖5 地下空洞探地雷達波組特征
圖6 地下空洞內部影像：(a) 空洞1;(b) 空洞2
土體富水土體富水是指某區(qū)域土體中的含水量高于周邊土體，富水土體是土和水的混合物，由于水的相對介電常數(shù)為81，因此富水土體的介電常數(shù)要大于周邊土體的介電常數(shù)，且土體的含水量越高，其等效相對介電常數(shù)越大，與周圍土體的電性差異就越大。電磁波由介電常數(shù)小的基層或路基進入介電常數(shù)大的富水土體時，其反射系數(shù)為負，即富水土體上界面的反射波與入射波極性相反，反射波振幅很強，且電磁波能量在富水土體中迅速衰減，通常而言，土體中含水量越大，其電導率越高，電磁波能量衰減也越快。圖7為典型的土體富水探地雷達波組特征。土體富水鉆探驗證情況如圖8。
圖7 土體富水探地雷達波組特征
圖8土體富水鉆探驗證結果
結論
(1) 電纜線、高架橋等空中干擾源的繞射波雙曲線曲率小，兩翼緩而長，地下管線的繞射波雙曲線曲率大，兩翼陡而短，且兩者的繞射波雙曲線形狀規(guī)則，左右對稱，易于識別和剔除，能有效避免真實道路地下病害的誤判和漏判，減少疑似病害現(xiàn)場復測驗證工作量。
(2) 土體疏松、空洞和土體富水是誘發(fā)道路塌陷的典型深層隱性病害。疏松土體的介電常數(shù)小于周邊土體，其反射系數(shù)為正，反射波與入射波同相，且土體越疏松，其等效介電常數(shù)越小，土體內部越不均勻，反射波振幅越強，同相軸越不連續(xù)，波形愈雜亂、不規(guī)則;空洞內空氣的介電常數(shù)遠小于周邊介質，其反射系數(shù)為正，反射波與入射波同相，反射波振幅很強，三振相特征明顯，多次反射波明顯發(fā)育，邊緣還可能伴隨繞射現(xiàn)象;富水土體的介電常數(shù)大于周邊土體，其反射系數(shù)為負，反射波與入射波反相，反射波同相軸較連續(xù)，且含水量越高，其等效介電常數(shù)越大，反射波振幅越強，能量衰減越快。
(3) 依據(jù)探地雷達波運動學和動力學特征(如時間、波形、振幅、相位等)，可以快速、準確識別道路深層隱性病害的類型，圈定其位置、埋深和范圍，評定其風險等級，為辨證施治，制定針對性的處治排險措施提供依據(jù)和指導。
表1 基于探地雷達波特征的地下病害的識別(作者：許曉瑩和陳斌，來源：市政技術)
表2 探地雷達識別的病害類型分級與處理建議表(作者：許曉瑩和陳斌，來源：市政技術)
