与其他道路相比，城市道路各种市政附属设施众多，尤其是带电的线缆或设备(如供电/通信电缆、交通信号灯、电子眼、电子屏、路灯等)和地下管线(如污水、雨水、供水、热力、燃气管线)等。带电的线缆或设备是典型的电磁干扰源，高密度电法、瞬变电磁法等电法勘探的抗电磁干扰能力较差，在复杂的城市道路环境中应用效果不甚理想;浅层地震法的作业时间较长、所需工作面较大，影响交通，实用性差。
探地雷达方法具有高精度、高效率、连续无损、实时成像和结果直观等优，在城市道路塌陷隐患探测中得到广泛应用。在城市道路塌陷隐患探测中，为尽量屏蔽外界电磁干扰，提高信号信噪比，需要采用屏蔽型探地雷达天线，但即便如此，城市道路周边的各种干扰源(如空中的电缆线和高架桥，地下的管线和窨井等)在探地雷达图像上也会形成与地下真实病害相同或相似的图像特征，影响探地雷达剖面解译的精度和准确性，容易造成道路地下真实病害的误判或漏判，对识别地下病害的类型带来了困难。
因此，河南工程学院资源与环境学院、陕西省交通建设集团公司和黄淮学院建筑工程学院的研究人员以空中干扰源和地下干扰源所处地球物理背景介质的电性差异为基础，分析了典型空中干扰源和地下干扰源双曲线的曲率大小和两翼陡缓长短等形态特征差异，为去伪存真，识别和剔除空中、地下典型异常干扰源提供依据和指导，有效减少病害现场复测验证工作量;以土体疏松、空洞和土体富水等道路典型隐性病害的地球物理特征差异为基础，详细分析了它们在探地雷达波组响应特征之间的差异，尤其是依据反射波与入射波的相位变化，可以快速识别道路深层隐性病害的类型，圈定其位置、埋深和范围，并依据其反射波的振幅强弱和波形杂乱程度来定性评价病害的严重等级，为辨证施治，采取针对性的处治排险措施提供指导。
道路塌陷诱因分析
近些年，道路塌陷事故在我国一些城市呈高发趋势，究其主要原因，一是因为城市地下空间工程大规模的建设施工，扰动破坏了道路地下空间原有的地质应力结构平衡，形成地层空洞，继而导致道路塌陷，其中以地铁施工影响尤甚;二是因为地下管线年久失修、老化，在地下长期腐蚀后形成破裂渗漏等现象，冲刷管线周围土基，造成水土流失，从而形成道路地下空洞，诱发道路塌陷，尤其与走水管线(如污水、雨水、供水、热力管线)密切相关，即所谓的“十塌九漏”;三是由于地下管线施工不规范，回填不密实，形成土体疏松，在地下水和车辆震动等多种因素影响下发生流砂淘蚀现象，形成路基空洞，最终造成道路塌陷。
探地雷达道路塌陷隐患探测
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现场踏勘和探地雷达测线布置
城市道路交通环境复杂、车流人流量大、交叉口红绿灯多、干扰源众多，在探地雷达探测前，必须对道路结构层厚度及其材料、地下管线分布情况、沿线电磁环境干扰等进行详细的调查和测量。依据城市道路“十塌九漏”的显著特点，地下走水管线(如污水、雨水、供水和热力管线)是现场踏勘和测线布置的重点区域，应明确测量出这些管线的埋设位置、埋藏深度和走向，并依据管线埋藏深度，合理选择不同中心频率的探地雷达天线。地铁沿线和地铁站出入通道上方路面受施工扰动影响较大，易出现土体疏松、沉降和塌陷，也是现场踏勘的重点区域。由于道路塌陷具有反复性，对道路以往塌陷区域也应重点关注，尤其是为了快速恢复路面通行，未找到诱发路面塌陷根源的区域。依据现场踏勘结果，绘制探测雷达测线布置示意图。通常而言，探地雷达测线应平行于车道行车方向，且应满足“全覆盖、无遗漏”的原则，即每个车道应至少布置一条探地雷达测线，且天线的覆盖区域有一定程度(10%)的重合。在地下走水管线上方区域、地铁沿线及出入口区域和以往塌陷区域应适当加密测线，进行重点检测。对于检测出的疑似病害，应回溯定位病害的现场位置，对其采用网格测线加密复测验证，判定疑似病害的类型，现场圈定疑似病害的区域范围。对于查明的严重空洞病害，应及时汇报相关责任人，进行紧急处治排险，预防道路塌陷事故。
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数据采集参数设置及数据采集质量评判
在正式采集数据前，应反复进行对比试验，优选各项采集参数，主要采集参数及其设置原则如下：(1) 天线，首先要选择合适频率的屏蔽型地面耦合天线，即在满足探测深度的前提下，尽量选择中心频率较高的天线，以同时兼顾探测深度和分辨率;也可以使用变频天线或者不同频率的天线对同一测线进行重复检测。(2) 时窗，时窗设置主要取决于最大探测深度与背景介质的电磁波波速，同时要为波速变化和目标体深度变化保留一定的余量。(3) 采样率，采样率的设置应满足奈奎斯特采样定律，即采样率应至少是反射波最高频率的2倍。为使记录波形更完整，成像更清晰，在不影响探地雷达数据存储速度的前提下，采样率应尽量大一些。(4) 道间距，在保持一定天线移动速度的前提下，只要探地雷达系统不丢道，道间距可以设置的尽可能小一些，以增加目标体的被扫描次数，使目标体成像更清晰。(5) 增益，调节增益的目的为了补偿雷达波因波前扩散和吸收衰减造成的能量损失，增强地下深层雷达反射波的振幅，使来自不同深度的雷达反射波振幅仅与反射系数有关。同时，雷达波振幅的最大值不应超过探地雷达测量系统的阈值，即避免削波造成的波形失真。由于探地雷达反射波信号的幅度与反映介质电性差异程度的反射系数直接相关，因此在探地雷达探测过程中，操作员要密切监视探地雷达信号的幅度，当信号幅度出现异常时，要认真判别信号幅度变化的原因，并观察周围是否有干扰源，并做好详细记录，以方便后期数据解译时排除虚假异常干扰。在探测过程中，不允许对雷达探测信号的幅度进行调整。对现场采集的数据应及时进行质量评判，评判原则：(1) 探测数据所包含的信息应能覆盖整个探测区域。(2) 探测数据的有效信号深度应包含探测目标体。(3) 探测数据的信噪比应满足数据处理解释的需要。(4) 相邻测线的数据应具有一定的一致性。(5) 重复观测的数据应具有较高的一致性。在数据质量评判过程中，发现问题必须立即采取补救措施。
典型波组特征分析
正确认识正常道路、典型干扰源和各种道路深层隐性病害在探地雷达剖面上的波组特征，是提高数据解译质量、精度和准确率的关键。
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正常道路波组特征分析
城市道路是典型的层状结构，从上至下依次为沥青混凝土面层、水泥稳定碎石基层和填土路基，其介电常数依次增大。由于正常道路的各结构层内部介质均匀，层间结合密实，故正常道路的波组特征表现为面层与基层、基层与路基之间分界面的雷达反射波极性与入射波极性相反，其同相轴连续、稳定，幅度均匀，反射波能量自上而下由强变弱。
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典型干扰源波组特征分析
在城市道路塌陷隐患探地雷达探测中，电缆线和高架桥是典型的空中干扰源，地下管线和窨井是典型的地下干扰源。道路结构层材料(如沥青混凝土、水泥稳定碎石等)及下方土体路基的相对介电常数通常在7~15之间，探地雷达波在其中的传播速度约为7.7~11.4 cm/ns，而空气的相对介电常数εa=1，探地雷达波在空气中的传播速度约为30 cm/ns。由于探地雷达波在空气中比在道路地下介质中的传播速度更快，则相邻两道雷达波在空气中的双程走时间相差更短，因此电缆线和高架桥绕射波双曲线的曲率较小，两翼平缓。另外，空气的电导率很小，近似为0，电磁波在其中传播时仅发生波前扩散，而无吸收衰减，故电磁波能量衰减很慢，致使电缆线(图1)和高架桥(图2)绕射波双曲线的两翼平缓而长，而道路地下介质的电导率明显大于空气的电导率，电磁波在地下有耗介质中传播时不仅存在波前扩散，还存在吸收衰减，故电磁波能量衰减很快，致使地下管线绕射波双曲线的两翼陡而短。因此，电缆线和高架桥等典型空中干扰源的探地雷达波组特征是其绕射波双曲线的曲率较小，两翼平缓而长，而地下管线(图1)绕射波双曲线的曲率大，两翼陡而短，且两者的绕射波双曲线均左右对称，形状规则，易于识别和剔除。
图1 空中电缆线和地下管线探地雷达波组特征
图2 高架桥探地雷达波组特征
窨井是地下管线在地面出入口，其上覆盖有窨井盖，由于窨井盖下方就是空气，因此，其探地雷达波组特征表现为反射波同相轴能量非常强，直达波以下多次反射波开始明显发育，且持续时间较长，能量几乎不衰减，如图3所示。
图3 窨井的探地雷达波组特征
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典型道路地下病害波组特征分析
土体疏松、空洞和土体富水是可能诱发道路塌陷的主要道路深层隐性病害，其地球物理特征和对应的探地雷达波组特征如下：土体疏松
土体疏松是指在含水量相同的情况下，比周边土体的空隙率大、密实度小的土体。土体疏松会降低土粒之间的黏结力，使土体更松散，易导致土体坍塌，形成地下空洞。疏松土体是土和空气的混合物，其等效介电常数可用复折射率模型：
松土体的等效介电常数与土、空气的介电常数及其体积含量百分比相关。由于空气的相对介电常数εa=1，因此疏松土体的介电常数要小于周边密实土体的介电常数，当电磁波由上层密实土体进入疏松土体时，其反射系数为正，土体疏松上界面的反射波与入射波同相。且土体越疏松，其空隙率越大，介电常数越小，介质内部越不均匀，导致反射波振幅愈强，同相轴不连续和波组杂乱程度加剧，其上覆地层反射波同相轴还可能出现向下凹陷变形，如图4所示。
图4 土体疏松探地雷达波组特征
空 洞空洞是城市道路塌陷的直接诱因，是道路塌陷隐患探测的重点对象。由于道路结构层下方或路基中空洞内部充填的介质为空气，而空气的介电常数明显小于周边土体介质，因此，电磁波由介电常数大的基层或路基进入介电常数小的空气时，其反射系数为正，即空洞顶面的反射波与入射波同相，反射波振幅很强。电磁波在空洞内会发生多次反射，致使空洞的雷达波三振相特征明显，多次反射波明显发育，同时空洞边缘还可能伴随绕射现象。图5为典型的空洞探地雷达波组特征，图6为采用内窥镜拍摄的空洞内部图像。
图5 地下空洞探地雷达波组特征
图6 地下空洞内部影像：(a) 空洞1;(b) 空洞2
土体富水土体富水是指某区域土体中的含水量高于周边土体，富水土体是土和水的混合物，由于水的相对介电常数为81，因此富水土体的介电常数要大于周边土体的介电常数，且土体的含水量越高，其等效相对介电常数越大，与周围土体的电性差异就越大。电磁波由介电常数小的基层或路基进入介电常数大的富水土体时，其反射系数为负，即富水土体上界面的反射波与入射波极性相反，反射波振幅很强，且电磁波能量在富水土体中迅速衰减，通常而言，土体中含水量越大，其电导率越高，电磁波能量衰减也越快。图7为典型的土体富水探地雷达波组特征。土体富水钻探验证情况如图8。
图7 土体富水探地雷达波组特征
图8土体富水钻探验证结果
结论
(1) 电缆线、高架桥等空中干扰源的绕射波双曲线曲率小，两翼缓而长，地下管线的绕射波双曲线曲率大，两翼陡而短，且两者的绕射波双曲线形状规则，左右对称，易于识别和剔除，能有效避免真实道路地下病害的误判和漏判，减少疑似病害现场复测验证工作量。
(2) 土体疏松、空洞和土体富水是诱发道路塌陷的典型深层隐性病害。疏松土体的介电常数小于周边土体，其反射系数为正，反射波与入射波同相，且土体越疏松，其等效介电常数越小，土体内部越不均匀，反射波振幅越强，同相轴越不连续，波形愈杂乱、不规则;空洞内空气的介电常数远小于周边介质，其反射系数为正，反射波与入射波同相，反射波振幅很强，三振相特征明显，多次反射波明显发育，边缘还可能伴随绕射现象;富水土体的介电常数大于周边土体，其反射系数为负，反射波与入射波反相，反射波同相轴较连续，且含水量越高，其等效介电常数越大，反射波振幅越强，能量衰减越快。
(3) 依据探地雷达波运动学和动力学特征(如时间、波形、振幅、相位等)，可以快速、准确识别道路深层隐性病害的类型，圈定其位置、埋深和范围，评定其风险等级，为辨证施治，制定针对性的处治排险措施提供依据和指导。
表1 基于探地雷达波特征的地下病害的识别(作者：许晓莹和陈斌，来源：市政技术)
表2 探地雷达识别的病害类型分级与处理建议表(作者：许晓莹和陈斌，来源：市政技术)
