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摘 要：本文介绍了探地雷达工作原理和探测方法，在工程实例的基础上，研究了公路路基岩溶的探地雷达信号特征及现场干扰信号的雷达图像特征，有助于提高探地雷达信号的解译水平，为探地雷达在路基岩溶探测工作积累了必要经验。
关键词：探地雷达；路基；溶洞
中图分类号：U412 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）06（b）-0000-00
中图分类号： 文献标识码：
The Application Study Of Detection With Ground Penetrating Radar About Highway Subgrade Karst Cave
ZHOU Ping1 HU Li-qing2
（1 Jiangxi Traffic Consulting Company， Nanchang， Jiangxi 330300，China）
（2 Jiangxi Nanchang Transport Management，Nanchang， Jiangxi 330300，China ）
Abstract：Working principle of ground penetrating radar and detection methods was introuduced. Based on engineering example， the characteristics of radar images about highway subgrade karst was studied， it is helpful to improve the translation level of ground penetrating radar signal ， it is also helpful to improve the experience in subgrade karst exploration work.
Key words：Ground penetrating radar； karst cave
1引言
我国近年来掀起的交通设施建设高潮使得交通状况日新月异，特别是公路通车里程屡被刷新。在大量的公路工程建设过程中，受限于工期、技术等因素，由公路路基岩溶引起基层和面层病害的情况时有发生。在这一背景下，如何对新建和运营的公路路基岩溶进行探测和解译便成了掌握和处治岩溶的关键技术。
2 探测原理与方法
2.1探测原理
我国的探地雷达无损检测技术起步于上世纪九十年代，探地雷达是一种用于确定地下介质分布情况的高频电磁技术，基于地下介质的电性差异，探地雷达通过一个天线发射高频电磁波，另一个天线接收地下介质反射的电磁波，并对接收到的信号进行处理、分析、解译。其详细工作过程是：由置于地面的天线向地下发射一高频电磁脉冲，当其在地下传播过程中遇到不同电性（主要是相对介电常数）目标时，电磁波发生反射返回地面，被接收天线接收，并由主机记录，雷达工作原理及其基本组成见图1。反射波从被发射天线发射到被接收天线接收的时间称为双程走时t，当求得地下介质的波速时，可根据测到的精确t值折半乘以波速求得目标体的位置或埋深，同时结合各反射波组的波幅与频率特征可以得到探地雷达的波形图像，从而了解场地内目标体的分布情况。
我国众多科技工作者分别从理论基础和工程应用的角度对探底雷达技术先后进行了大量的研究[1-5]，并取得了辉煌的成果。
图1 雷达工作原理及其基本组成示意图
2.2探测方法
根据现场探测深度和精度要求选择100M地面耦合型天线，探测方向沿路线方向布设，测线布置示意图如图2所示（黑点为测线剖面位置），采用连续测量模式或测距轮模式，时窗范围250ns，探测深度为10米左右。
图2 探地雷达测线布置示意图
3岩溶及其图像特征分析
当路基中存在岩溶时，其与岩土体电性差异较大，电磁波在二者界面处易形成强烈的反射波，根据雷达检测剖面图像轮廓和波形特征即可识别岩溶的空间特征。
3.1正常地段
正常的地段岩土体风化程度、含水率、软硬状态等较为均一，介电常数变化不大， 介质较为均匀，其雷达图像反射波较弱，同相轴连续。
图3 正常段雷达波形图
3.2溶洞
溶洞内介质为空气或粘土夹杂碎石填充物，与灰岩的电性差异较大，因此，电磁波在其周边会产生很强的反射。图4中左侧异常区域为岩溶空洞，已经钻探验证，右侧异常区域为平行的两条圆管涵。溶洞和管涵的边界均会产生强反射，管涵的强反射界面在水平方向上沿管涵轴线基本对称，而溶洞的强反射界面则显得很杂乱。由于电磁波传播介质的变化，无法准确判断电磁波速，所以图中异常区竖向标高与实际几何特征存在差异。
图4 溶洞雷达波形图
3.3上跨桥梁
当测线下穿桥梁等结构物时，电磁波会经空气向上传播并在桥梁底面产生强反射，在水平方向上呈现明显的抛物线，其视速度为0.3m/ns左右。
图5 上跨桥梁雷达波形图
3.4上跨电缆
当测线下穿电缆时，同样会产生抛物线形强反射，其视速度也为0.3m/ns左右。
图6 上跨电缆雷达波形图
3.5隔离栅
在高速公路的路堑两侧边坡上常设置隔离栅，隔离栅随边坡高度起伏，当测线沿着路线方向前进时，天线距隔离栅的距离亦随之变化，从图7中可以看出，较强的隔离栅反射界面是连续的，反射界面双程走时从左至右呈现增大趋势，这说明天线与隔离栅的距离是增大的，路侧边坡是由低向高变化的。
图7 隔离栅雷达波形图
4结论
本研究通过探地雷达探测原理进行分析，针对探测对象优化了探测方法和探测参数，结合工程实测图像对正常段信号和常见的异常段信号进行了分析。得到了如下认识：
（1） 当介质电性差异较大时，反射波是很直观、强烈的，界面信号明显；
（2） 赋存于岩土体中的溶洞能够被准确的探测，但竖向尺寸存在误差；
（3） 准确掌握现场探测条件是进行岩溶探测的基础。
参考文献
[1] 李大兴.探地雷达方法与应用[M].北京：地质出版社，1994.
[2] 江玉乐，张楠.探地雷达在隧道工程检测中的应用[J].勘察科学技术，2008（1）：58-61.
[3] 郭立，崔喜红，陈晋.基于GprMax正演模拟的探地雷达根系探测敏感因素分析[J].地球物理学进展，2012，27（4）：1754-1763.
[4] 黄玲，曾昭发，王者江，等.钢筋混凝土缺陷的探地雷达检测模拟与成像效果[J].物探与化探，2007，31（2）：181-185.
[5] 谢雄耀，于超，赵永辉，等.山岭隧道空洞病害雷达探测图像影响因素的正演模拟研究[C]//2010年全国工程地质学术年会暨“工程地质与海西建设”学术大会论文集
.中国福建福州，2010：81-87.
关键词：探地雷达；路基；溶洞
中图分类号：U412 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）06（b）-0000-00
中图分类号： 文献标识码：
The Application Study Of Detection With Ground Penetrating Radar About Highway Subgrade Karst Cave
ZHOU Ping1 HU Li-qing2
（1 Jiangxi Traffic Consulting Company， Nanchang， Jiangxi 330300，China）
（2 Jiangxi Nanchang Transport Management，Nanchang， Jiangxi 330300，China ）
Abstract：Working principle of ground penetrating radar and detection methods was introuduced. Based on engineering example， the characteristics of radar images about highway subgrade karst was studied， it is helpful to improve the translation level of ground penetrating radar signal ， it is also helpful to improve the experience in subgrade karst exploration work.
Key words：Ground penetrating radar； karst cave
1引言
我国近年来掀起的交通设施建设高潮使得交通状况日新月异，特别是公路通车里程屡被刷新。在大量的公路工程建设过程中，受限于工期、技术等因素，由公路路基岩溶引起基层和面层病害的情况时有发生。在这一背景下，如何对新建和运营的公路路基岩溶进行探测和解译便成了掌握和处治岩溶的关键技术。
2 探测原理与方法
2.1探测原理
我国的探地雷达无损检测技术起步于上世纪九十年代，探地雷达是一种用于确定地下介质分布情况的高频电磁技术，基于地下介质的电性差异，探地雷达通过一个天线发射高频电磁波，另一个天线接收地下介质反射的电磁波，并对接收到的信号进行处理、分析、解译。其详细工作过程是：由置于地面的天线向地下发射一高频电磁脉冲，当其在地下传播过程中遇到不同电性（主要是相对介电常数）目标时，电磁波发生反射返回地面，被接收天线接收，并由主机记录，雷达工作原理及其基本组成见图1。反射波从被发射天线发射到被接收天线接收的时间称为双程走时t，当求得地下介质的波速时，可根据测到的精确t值折半乘以波速求得目标体的位置或埋深，同时结合各反射波组的波幅与频率特征可以得到探地雷达的波形图像，从而了解场地内目标体的分布情况。
我国众多科技工作者分别从理论基础和工程应用的角度对探底雷达技术先后进行了大量的研究[1-5]，并取得了辉煌的成果。
图1 雷达工作原理及其基本组成示意图
2.2探测方法
根据现场探测深度和精度要求选择100M地面耦合型天线，探测方向沿路线方向布设，测线布置示意图如图2所示（黑点为测线剖面位置），采用连续测量模式或测距轮模式，时窗范围250ns，探测深度为10米左右。
图2 探地雷达测线布置示意图
3岩溶及其图像特征分析
当路基中存在岩溶时，其与岩土体电性差异较大，电磁波在二者界面处易形成强烈的反射波，根据雷达检测剖面图像轮廓和波形特征即可识别岩溶的空间特征。
3.1正常地段
正常的地段岩土体风化程度、含水率、软硬状态等较为均一，介电常数变化不大， 介质较为均匀，其雷达图像反射波较弱，同相轴连续。
图3 正常段雷达波形图
3.2溶洞
溶洞内介质为空气或粘土夹杂碎石填充物，与灰岩的电性差异较大，因此，电磁波在其周边会产生很强的反射。图4中左侧异常区域为岩溶空洞，已经钻探验证，右侧异常区域为平行的两条圆管涵。溶洞和管涵的边界均会产生强反射，管涵的强反射界面在水平方向上沿管涵轴线基本对称，而溶洞的强反射界面则显得很杂乱。由于电磁波传播介质的变化，无法准确判断电磁波速，所以图中异常区竖向标高与实际几何特征存在差异。
图4 溶洞雷达波形图
3.3上跨桥梁
当测线下穿桥梁等结构物时，电磁波会经空气向上传播并在桥梁底面产生强反射，在水平方向上呈现明显的抛物线，其视速度为0.3m/ns左右。
图5 上跨桥梁雷达波形图
3.4上跨电缆
当测线下穿电缆时，同样会产生抛物线形强反射，其视速度也为0.3m/ns左右。
图6 上跨电缆雷达波形图
3.5隔离栅
在高速公路的路堑两侧边坡上常设置隔离栅，隔离栅随边坡高度起伏，当测线沿着路线方向前进时，天线距隔离栅的距离亦随之变化，从图7中可以看出，较强的隔离栅反射界面是连续的，反射界面双程走时从左至右呈现增大趋势，这说明天线与隔离栅的距离是增大的，路侧边坡是由低向高变化的。
图7 隔离栅雷达波形图
4结论
本研究通过探地雷达探测原理进行分析，针对探测对象优化了探测方法和探测参数，结合工程实测图像对正常段信号和常见的异常段信号进行了分析。得到了如下认识：
（1） 当介质电性差异较大时，反射波是很直观、强烈的，界面信号明显；
（2） 赋存于岩土体中的溶洞能够被准确的探测，但竖向尺寸存在误差；
（3） 准确掌握现场探测条件是进行岩溶探测的基础。
参考文献
[1] 李大兴.探地雷达方法与应用[M].北京：地质出版社，1994.
[2] 江玉乐，张楠.探地雷达在隧道工程检测中的应用[J].勘察科学技术，2008（1）：58-61.
[3] 郭立，崔喜红，陈晋.基于GprMax正演模拟的探地雷达根系探测敏感因素分析[J].地球物理学进展，2012，27（4）：1754-1763.
[4] 黄玲，曾昭发，王者江，等.钢筋混凝土缺陷的探地雷达检测模拟与成像效果[J].物探与化探，2007，31（2）：181-185.
[5] 谢雄耀，于超，赵永辉，等.山岭隧道空洞病害雷达探测图像影响因素的正演模拟研究[C]//2010年全国工程地质学术年会暨“工程地质与海西建设”学术大会论文集
.中国福建福州，2010：81-87.