地质雷达法探测地下土体空洞初步探讨

1 空洞探测的物性基础
       在城市工程建设中，空洞是一种常见的地下病害体，一般为地基土体受到扰动后经沉降、流失所致。空洞的规模大小不一，其上下界面一般均不平整，对上部土体或结构具有失稳风险。30m深度内的地下空洞很容易在短期内产生危害。
       空洞与周边土体相比具有明显的地球物理性质差异。(1)充满空气的空洞，介电特征表现为相对介电常数低，电磁波速度高；电性特征表现为电阻率大于周边土体，呈明显的高阻异常；弹性特征表现为弹性波速度低、波阻抗低。(2)充满水的空洞，介电特征则表现为相对介电常数高，电磁波速度低；电阻率特征表现为电阻率小于周边土体，呈明显的低阻异常；弹性特征表现为弹性波速度高。基于上述物性差异，可采用地质雷达法、高密度电阻率法、瞬态面波法、地震影像法、瞬变电磁法等物探方法来探测空洞。在实际工作中，尤以地质雷达法最为常用。

       地质雷达法是以探测对象中介质的介电常数差异为物性前提，通过观测与研究电磁波反射信号的规律来解决工程地质问题。应用地质雷达法探测土体空洞，涉及到的介质主要有空气、水和各种土体，从这些介质的介电常数和电磁波传播速度表(表1.1)可以看出，空气的相对介电常数最小为1，淡水的相对介电常数最大为81，无论是充气还是充水空洞，与周围土体相比均有明显的介电性差异，应用地质雷达探测土体空洞具有良好的物性前提。
2 空洞雷达反射波信号正演
       地质雷达反射波信号的正演有数值模拟和物理模拟两种方法。
       数值模拟是以时域差分法(FDTD)为基础，利用计算机对构建的地电模型求出雷达反射波信号分布的数值解。时域有限差分法是Kane S.Yee于1966年所提出，他对电磁场的E和H分量在空间和时间上采取交替抽样的离散方式，将含时间变量的Maxwell旋度方程组转化为一组差分方程，并在时间轴上逐步推进求解出空间电磁场。基于时域有限差分算法和理想匹配层吸收边界条件，英国爱丁堡大学推出了GPR Max 2D/3D模拟软件，对地质雷达的传播规律进行正演研究，软件的正演数值模拟结果可采用MATLAB软件编程进行数值分析和图形绘制，并通过去直达波、统一色标等手段对图像进行处理。
       物理模拟则是根据相似原理在土槽中模拟地下介质的分布，用物理方法观测出一定条件下地电断面雷达反射波信号的分布。
2.1 数值模拟
       利用GPR Max软件数值模拟了圆形空洞和方形空洞的雷达反射波信号。在GPR Max程序中设定介质环境为单一均匀性。正演范围长度2.0m，深 1.0m，其中上部 0.1m 是空气。圆形空洞直径 0.3m，埋于地下 0.5m 处。方形空洞长宽均为0.4m，顶面埋深0.3m。设置发射源在地表上面 0.02m 的位置，为了接近真实情况，收发天线的偏移距设为 0.16m。模拟结果见图2.1。

       圆形空洞：电磁波向下传播时经过空气和土层交界处(A)、土层和空洞顶面交界处(B)、空洞底面和土层交界处(C)三个分界面，形成a、b、c三处分界面反射波，a为连续界面反射信号，b和c为两条明显的抛物线。反射波强弱依次为a>b>c。b和c之间出现有空洞顶面多次波，c下出现空洞底面多次波。空洞的雷达反射波形清晰可见且在出现有多次波。
       方形空洞：反射波形与圆形空洞类似，不同点在于方形空洞上表面是层面体结构，上部反射波形中没有双曲线形状，而是一段近似水平状的曲线，且方形空洞两侧有明显的绕射弧线。
2.2 物理模拟
       采用土槽法物理模拟了充气空洞、充水空洞、管线干扰下空洞的雷达反射波信号。土槽长1.8m，宽1.2m，高1.3m，内置相对介电常数εr=2～6的干砂土壤。空洞用厚度1.0mm的薄膜袋来模拟。
       (1)充气空洞：将气袋充满气，上下脱空距离为0.2m，埋在土下0.18m 的位置。测得的雷达反射波形见图2.2左。可以看到，土槽法模拟的空洞反射波信号和数值模拟一样存在三次反射：第1次为雷达波经天线发射传播至地表时发生的反射，为直达波或首波，反射波能量较强；第2次为土层与空洞顶面分界处的反射，雷达波经过土层时产生了衰减，反射波能量有所减弱；第3次为空洞底面与土层交界处的反射，反射波能量再次减弱。
       空洞的垂向深度，可以通过查看反射波的单道波形，利用相位识别判定。如图2.2右，A为直达波。B为空洞顶面反射，雷达波从土壤(εr=2-6)入射到空气(εr=1)，反射系数为正，反射波和入射波相位相同。C为空洞底面反射，雷达波从空气进入土壤，反射系数为负数，反射波和入射波相位相反。

       (2)充水空洞：将一个注满水的薄膜袋和注满空气的薄膜袋同时埋入土下0.16m 处，测得的反射波形如图2.3所示。

       图中左边为充水空洞，右边为充气空洞。从反射波形看，充水空洞与充气空洞相比有三个不同点：A、顶面反射波强。水的εr=81，空气的εr=1，介质交界处两边的相对介电常数差异越大，反射系数绝对值就越大，反射强度也越强。B、底面反射波弱(白色虚线框内)。空气的电导率小而水的电导率较大，电磁波在空气中传播能量衰减慢，在水中衰减快，所以充水空洞的底面反射波能量较弱。C、底面反射波双程走时远大于充气空洞底面双程走时。根据公式可知，电磁波在水中的传播速度仅为空气中的 1/9，所以天线需要花更多时间才能接收到底面回波信号。
       (3)管线干扰空洞：将空洞埋入土下0.36m处，再将一个直径为90mm的塑料管埋在空洞边缘的上方0.10m 处，测到反射波形如图2.4所示。可以看出空洞的反射波仍较明显，管线位于空洞右上方并呈现典型的抛物线反射波，但是管线下方对应的空洞右边界反射波明显减弱，这对于判断空洞的大小有一定影响。
3 探测实例
3.1 深圳市地铁16号线坪山围站
       16号线坪山围地铁站正在施工建设中，在坪山大道围挡东侧地面局部出现塌陷。为查明地下土体病害情况，深圳市新通物探工程有限公司于2019年4月1日开展了地质雷达探测工作。雷达主机采用MALA公司生产的CUII型，250MHz屏蔽天线，沿围挡墙方向布设了4条测线(图3.1)。

       探测结果显示，塌陷区处LD4测线雷达信号表现为土体脱空的信号特征(图3.2左)，其波组形态顶部呈连续的同向性反射波组，形似平板状，多次波明显；信号振幅整体较强；频率高于背景场。塌陷区北东和南西两侧还分布有2处脱空引起的雷达异常信号(TK1和TK2)。根据顶部反射波与入射波同向、底部反射波与入射波反向的相位特征关系圈出了脱空范围。
       在塌陷区北东侧LD1测线 (图3.2右)，水平距离12.6～14.5m、埋深0.9～2.1m之间(KD1)和水平距离18.2～19.3m、埋深1.0～2.3m之间(KD2)，分布有2处空洞信号，其波组特征表现为近规整的倒悬双曲线形态、绕射波明显、多次波明显；整体振幅强，频率高于背景场，推断为空洞引起。根据顶部和底部反射波与入射波的相位特征关系圈出了空洞的范围。上述推断经甲方开挖验证所证实。
3.2 深圳市南山区TCL科学园国际E城
       深圳市南山区TCL电子大厦南侧草坪于2019年3月12日出现塌陷空洞。为判断草坪塌陷区周围是否还存有隐伏空洞及其它病害土体，深圳市新通物探工程有限公司开展了地质雷达探测工作。仪器采用MALA公司生产的CUII型雷达探测仪，250MHz屏蔽天线，根据现场实际情况布设了3条测线(图3.3)。

       在LD3线水平距离1.3-2.7m、埋深0.9-1.4m之间发现1处反射信号异常，波组形态表现为近规整的倒悬双曲线、绕射波和多次波明显，整体振幅强，频率高于背景场，推断为管线C周边的空洞(KD1)引起(图3.4)。在其它测线还发现有疏松、富水等病害土体。为后期工程治理提供了参考资料。
3.3 深圳市南山区英达钰龙园裙楼东南侧基坑
       正在施工建设中的南山区英达钰龙园裙楼东南侧某基坑，周边路面局部出现沉降。为判断地下土体情况，深圳市新通物探工程有限公司于2019年2月28日开展了地质雷达探测工作。根据现场实际情况，在基坑北侧和西侧里面布设了4条雷达测线(图)。仪器采用MALA公司生产的CUII型雷达探测仪， 100MHz屏蔽天线。

       在基坑西侧L4线水平距离0-7.4m、埋深8m以上发现大面积分布的一般疏松体(YB1)，疏松区内部有2处疑似空洞信号，波组形态表现为近规整的倒悬双曲线、绕射波和多次波明显，整体振幅强，频率高于背景场，推断为空洞(KD1和KD2)引起(图3.5)，为工程治理提供了参考资料。
4 结论
       (1)正演模拟和探测实例表明，空洞的雷达反射波信号一般具有以下特征：
       波形：似球形空洞反射波组表现为倒悬的双曲线形态，似方形空洞反射波表现为正向连续平板状形态；绕射波明显；多次波明显。振幅：整体振幅强。频谱：频率高于背景场。相位:充气空洞顶部反射波与入射波同向、底部反射波与入射波反向；充水空洞与充气空洞相位特征正相反。这些特征可作为识别空洞雷达反射波信号的依据。
       (2)与其它物探方法相比，地质雷达法具有无损、轻便、快速、对场地要求条件较少、探测成果色彩直观、分辨率高、精度高等诸多优点。实践表明，利用地质雷达法寻找空洞、脱空、疏松体、富水体等病害土体具有良好的探测效果。
       (3)工作中测线要根据场地实际情况灵活布置。天线中心频率可根据探测深度要求选用250MHz或100MHz天线。经验表明，在深圳市区探测深度在5m以内时宜采用250MHz天线，在5m～10m时宜采用100MHz天线。