0 引言

随着城市现代化建设的快速发展，修建地铁、管廊及土建等工程活动日益增多，车辆运行和人文活动也不断增加，由此带来了城市道路的脱空、疏松、空洞等灾害隐患，尤其是在洪涝浸泡、暴雨冲刷、车辆载荷、冻土消融等因素的影响下更容易产生进一步的填土流失、道路塌陷、地下空洞等城市地下灾害，这些都严重威胁着城市道路安全（朱能发等，2014；吕祥锋等，2017）。地质雷达探测作为一种高效率、高分辨率的地下空间无损探测技术，已被广泛应用于道路塌陷（Gómez-Ortiz et al，2012；汤金峰等，2022）、考古发掘（Deiana et al，2018；Gaber et al，2021）、地质体调查（马传浩等，2019；张迪等，2019）、岩溶探测（Lan et al，2022；孙茂锐等，2023）、管线勘测（周鸿流等，2014；陈阳标等，2022）等工程检测、勘察领域。

在实际应用过程中，传统地质雷达探测也存在着硬件内部干扰多、有效信号信噪比低、地层反射信号弱、多解性大等问题（杨峰等，2010）。本研究采用的瑞典ImpulseRadar公司新一代三维探地雷达Raptor45，具有同频率双稳态固定偏移、采集间隔固定、高精度RTK定位、实时快速采样、高动态范围探测等优势（Verdonck et al，2023），能有效加快检测效率及提高采集质量、分辨率。基于二维、三维地质雷达探测方法，在湖南长沙某道路开展了城市地下灾害快速探测。研究结果表明，联合探测方法能快速有效分辨出多种地下结构物和城市道路隐患，新一代三维地质雷达在快速探测地下灾害（道路塌陷、地下空洞、地面疏松等）方面具有重要应用价值。

1 研究方法 1.1 二维、三维地质雷达工作原理

地质雷达方法（ground penetrating radar）是利用地质雷达发射天线向目标体发射高频脉冲电磁波，基于目标体与地下其他介质的物理性质（介电常数、电阻率）差异，电磁脉冲遇到不同电性介质的分界面时会发生反射和折射，并被接收天线接收和记录，进而探测目标体空间位置和分布的一种地球物理探测方法（Knight，2001；杨峰等，2010）。实际上，该方法是利用目标体及周围介质的电磁波反射特性，对目标体内部的构造和缺陷（或其他不均匀体）进行探测。地质雷达野外探测示意图见图 1。

根据杨峰等（2010）的方法，脉冲波的近似行程时间为

$ t = \sqrt {\frac{{4{z^2} + {x^2}}}{v}} $

(1)

探地雷达探测目的层深度的计算公式为

$ z = \sqrt {\frac{{{{\left({vt} \right)}^2} - {x^2}}}{2}} $

(2)

如果发射天线和接收天线之间的距离满足x≤z，那么式（1）、（2）就可以简化为

$ t = \frac{z}{v} $

(3)

$ z = \frac{{vt}}{2} $

(4)

三维地质雷达是在二维地质雷达的基础上，经过几十年的技术积累研制出来的基于电磁波探测技术的三维采集及成像技术。三维地质雷达在单位空间内排布了极多的发射天线，可向被测物体内同时发射多束电磁波，从而形成一堵电磁波墙，对被测物进行有效的照射，并将回波反射记录下来。同时，通过相对运动的方式，三维地质雷达可完成对大面积被测物体的完全扫描，并最终形成连续的、全空间的三维成像（Grasmueck et al，2004；Zhu et al，2014）。

1.2 数据采集

探测使用二维探地雷达CO1760和三维探地雷达Raptor45对湖南长沙雨花区某道路内侧路段进行测试。采集情况：二维地质雷达探测采用CO1760一体化双频天线进行探测，其内置170 MHz、600 MHz双天线，其中，600 MHz天线可对浅部进行高分辨率探测，170 MHz天线可对深部信号进行探测，探测时双天线同时开启，采集参数为600 MHz道间距0.02 m，采样点323，时窗深度范围60 ns，叠加512次；170 MHz道间距0.02 m，采样点323，时窗深度范围200 ns，叠加512次；测距轮触发探测方式，手机APP无线采集数据。二维雷达共采集3条测线（图 2）。

三维地质雷达探测采用瑞典ImpulseRadar（脉冲雷达）Raptor-45，天线主频为450 MHz，通道数16。该设备可用车载模式或推车模式进行探测，也可根据需求自行改装。标准车载模式下，450 MHz最高可支持到18通道；推车模式下最多可支持到8通道。通道数无上限，可根据工程需求灵活配置。三维雷达以水平切片展示探测成果，也可以任意方向的切片、动画视频或局部三维立体展示，结果直观准确，打破了二维雷达只能以剖面图展示成果的传统，改变了人们的读图习惯和思维方式，减少了对人为经验的依赖，提高了判图的准确率。检测采用车载模式，该模式检测效率较高，适合较大的工作量（图 3）。三维雷达共采集2幅数据体（图 2）。

1.3 数据处理

二维地质雷达探测的雷达图形以脉冲反射波波形的形式记录，以波形或灰度显示探地雷达垂直剖面图。探地雷达探测资料的解释包括2部分内容：一为数据处理，二为图像解释。由于地下介质相当于一个复杂的滤波器，介质对波的不同程度的吸收以及介质的不均匀性质，使得脉冲到达接收天线时波幅减小，波形变得与原始发射波形间有较大差异。另外，不同程度的各种随机噪声和干扰，也影响实测数据。因此，必须对接收信号实施适当的处理，以改善资料的信噪比，为进一步解释提供清晰可辨的图像，识别现场探测中遇到的有限目标体引起的异常现象，为各类图像的解释提供依据。

二维地质雷达图像处理包括消除随机噪声、压制干扰、改善背景；进行自动时变增益或控制增益以补偿介质吸收和抑制杂波，进行滤波处理除去高频，突出目标体，降低背景噪声和余振影响。图像解释和识别异常是经验积累的过程，一方面基于探地雷达图像的正演结果，另一方面由工程实践成果获得。只有获得高质量的探地雷达图像并能正确地判别异常，才能获得可靠、准确的探测解释结果。识别干扰波及目标体的探地雷达图像特征是进行探地雷达图像解释的核心内容。探地雷达在接收有效信号的同时，也不可避免地接收到各种干扰信号。产生干扰信号的原因很多，干扰波一般都有特殊形状，在分析中要加以辨别和确认。

对三维地质雷达数据需进行预处理、后处理、再处理。预处理可选滤波算法：①DC removal（去除信号“零漂”）；②Dewow（去除信号直流成分）；③Bandpass Filtering巴特沃斯带通滤波（去除信号低频干扰与高频噪声）；④ timecut（确定零深度点）。三维地质雷达数据后处理可选滤波算法：①Muting（噪声抑制，即抑制幅值较大、较小的信号）；②Amplitude correction[按AGC（automatic gain control，自动增益控制）增益或按指数衰减函数进行信号增益]；③AntennaRingdown Removal（消除振铃信号）；④Bandpass Filtering（再次根据需求去除信号低频干扰与高频噪声）；⑤Interpolation（用数学函数对信号进行三维差值运算，可使图像更加平滑）；⑥Migration偏移（对信号进行三维偏移运算）；⑦Ampitude Envelope振幅包络（使振相不一致的信号更容易识别）。

2 研究区地质概况

研究区位于湖南长沙雨花区某道路内侧路段，地面海拔高度约为65.61—66.80 m，地貌单元属于湘江河流高级阶地。主要地层有全新统、中更新统、下更新统、白垩系，自上而下介绍如下。

全新统（Q4^ml）：黄红色杂填土，由粘性土、碎石、砂砾石等建筑垃圾组成，含少许植物根茎。

中更新统（Q2^ol）：第1层为黄红、褐黄色粉质粘土，具网纹状构造，含黑色铁锰质氧化物，底部含较多砾石。第2层为灰白、黄色圆砾，成分以石英质为主，磨圆度较好，分选性差，一般粒径5—20 mm，混有粘性土胶结卵石。第3层为黄色、红色中细砂，成分为石英质，中砂为主，含云母，混有泥质胶结砾石。

下更新统（Q1^el）：褐红色残积粉质粘土，有黑色铁锰质氧化物，含粉细砂。

白垩系（K）：紫红色、灰绿—灰黑色泥岩，泥状结构，断口呈贝壳状，厚层状构造，夹有灰白、灰绿色中粗砂，成分为石英质，含少许粘性土。

3 探测结果与分析

在接收有效信号的同时，探地雷达也不可避免地接收到各种干扰信号，这些干扰波一般都有特殊形状，在分析中要加以辨别和确认。主要判定特征：①密实。界面反射信号幅值较弱，波形均匀，甚至没有界面反射信号。②回填不密实。界面反射信号为强反射，同相轴不连续，错断，杂乱，一般区域化分布。③空洞。界面反射信号强，呈典型的孤立体相位特征，通常为规整或不规整的双曲线波形特征，三振相明显，在其下部仍有强反射界面信号，2组信号时程差较大。④脱空。界面反射信号强，呈带状长条形，三振相明显，通常有多次反射信号。⑤钢筋网。有规律的连续小月牙形强反射信号，月牙波幅较窄。⑥管线。一般以抛物线的形式存在，张口向下，振幅较强。

3.1 二维探测结果

图 4、5、6为测线1、2、3的600 MHz探测成果，从上到下依次为测线1、2、3。由图 4可见，测线2、3约7—9 m处覆盖空洞上方，此处呈现较为显著的强界面反射信号，表现为孤立体相位特征，三振相明显，下部仍有强反射界面信号，而测线1已过空洞界限。由图 5可见，3条测线约39—80 m处均出现反射信号杂乱的疏松区特征其中，测线2、3约69—76 m处及测线3约38—42 m、57—60 m处较严重。对比3条测线的600 MHz成果可见，测线2、3约96—102 m处均出现反射信号杂乱的疏松区特征（图 6），其同相轴较连续，振幅较大，疏松程度较严重。测线约108—112 m处同样为严重疏松，测线2、3在该位置还存在脱空（图 6）。

从测线1、2、3的170 MHz成果（图 7）来看，不密实区均发育至深度2.5 m左右，且该深度左右存在一地层信号，推测其为上覆回填土与下部原状土分界，上部回填土在测线1约38—58 m处，测线2、3约38—78 m处回填压实性较弱，形成疏松区域（图 7）。

从二维地质雷达CO1760探测结果可见，道路隐患探测时，采用双频天线通过600 MHz对浅部2—3 m以内可得到高分辨率的结果，可清晰识别各种结构物和道路病害特征；通过170 MHz可对5 m以内信号进行较深的探测。2种频率结合即可兼顾测深又可兼顾分辨率，其硬件上又采用了WIFI通讯，手机采集，因此双频天线一体化设计在道路隐患排查工作中兼顾了探测效果和探测效率。

3.2 三维探测结果

在二维地质雷达探测结果基础上，利用三维地质雷达探测结果进行对比分析。对于空洞病害，对比二维成果约12—17 m处的空洞（图 4），三维探测成果的空洞能更加清晰全面展现空洞的空间分布特征[图 8（a）、8（b）]。三维剖面上时间深度约8.00 ns处，测试电磁脉冲传播速度约为10 cm/ns，对应深度约为0.4 m，此处界面反射信号强，表现为典型的孤立体相位特征；在8.59 ns时间深度的平面切片上呈现高振幅异常特征，解释为空洞。该空洞位置为28.115 942 812 7°N、113.006 658 6514°E，平面尺寸约为4.5 m×2.0 m，顶部深度约为0.4 m[图 8（a）、8（b）]。

对于疏松区病害，与二维探测成果约38—43 m处疏松区（图 4）相比，三维剖面上时间深度约10.0 ns处出现强反射界面反射信号，同相轴不连续且错断而杂乱；在15.6 ns时间深度平面切片上呈现大片连续、区域化的高振幅异常区，三维探测成果疏松区平面尺寸约为5.0 m×1.5 m[图 8（c）、8（d）]，深度约为0.5—1.5 m[图 8（c）、8（d）]。与二维探测成果约94—102 m处疏松区[图 6（b）、6（c）]相比，三维探测成果疏松区剖面上同样呈现强反射界面反射信号，同相轴不连续且错断而杂乱，在9.77 ns时间深度平面切片上呈现为大片区域化连续分布的高振幅异常区，平面尺寸约为14.0 m×2.9 m[图 8（e）、8（f）]，深度约为0.4—1.7 m[图 8（e）、8（f）]。与二探测维成果约108—114 m处疏松区（图 6）相比，三维探测成果疏松区在剖面上出现杂乱不连续、强反射界面信号，在9.77 ns时间深度平面切片上也表现为大片连续和区域分布的高振幅异常特征，平面尺寸约为6.0 m×2.8 m[图 8（e）、8（f）]，深度约为0.4—1.6 m[图 8（e）、8（f）]。

同时，与地下井、管线的二维探测成果相比（图 4、5、6），三维探测成果结果更直观可靠，清晰展现了地表井盖分布[图 9（a）]、地下井平面位置[图 9（b）]、地下井管线形态[图 9（c）]。在0.78 ns时间深度平面切片上，此次测试电磁脉冲传播速度约为10 cm/ns，对应深度约为0.04 m，该近地表深度在平面11.5 m、18.5 m、31.0 m处出现3个典型的圆形高振幅异常区[图 9（a）]，尺寸大小一致，均为直径1.0 m[图 9（a）]，解释为地表井盖；在3.91 ns时间深度的平面切片上，对应探测深度约为0.20 m，可以在平面0.5 m处发现圆筒状高振幅异常区[图 9（b）]，长度约为3.0 m，直径约为0.2 m，解释为穿越道路的管线，而在平面11.5 m、18.5 m、31.0 m处地表出现井盖的正下方出现了3个圆形高振幅异常[图 9（b）]，尺寸与井盖一致，可解释为地下井。在3.91 ns时间深度的平面切片上，对应探测深度约为0.20 m，在平面55 m处也发现了与平面0.5 m处相似的圆筒状高振幅异常区[图 9（c）]，长度约为3.0 m，直径约为0.2 m[图 9（c）]，因此也解释为穿越道路的管线。

从测试结果来看，利用三维探地雷达可以直观识别地表井盖、人工构造物、地下管线等地表地下结构物，对测试区域存在的疏松体、脱空、空洞等城市道路隐患均有明显有效的反映。由于此次探测测区面积较小，存在的地下异常类型较少，未来将开展进一步的研究和探测以提高准确性。

4 结论

采用新一代三维探地雷达Raptor45并结合二维探地雷达CO1760对湖南长沙雨花区某道路内侧路段进行了城市道路地下灾害检测。二维探地雷达测试中采用600 MHz、170 MHz两种频率分别对浅部2—3 m以内和较深部5 m以内进行探测，这既兼顾了测深又兼顾了分辨率，可清晰识别出各种井、管线等结构物和空洞、疏松区、脱空等道路病害特征。三维探地雷达测试结果相比于二维结果更加清晰直观，既可快速识别出地表井盖、地下井、管线等地表地下结构物，又可快速全面展现出空洞、疏松体等道路地下灾害隐患的空间几何形态。研究表明，采用新一代三维地质雷达能快速探测城市管网分布、管道周边地质状况、城市地下空洞、路基层间脱空、路基破损、回填密实性等，其测试效率、效果是传统二维雷达探测所无法比拟的，在现代化城市海量大数据的道路塌陷、地下空洞、地面疏松等地下灾害探测方面三维探测会有更广阔的发展空间。