地质雷达在管网周边地下空洞探测中的信号解译与验证研究

苏一哲

青岛地质工程勘察院

摘  要：针对城市管网周边地下空洞探测中信号解译多解性强、验证依据不足的工程难题，基于GprMax正演模拟与沈阳市道路检测工程实测数据，系统分析了空洞与管线耦合条件下的雷达图谱响应规律。研究表明，充气空洞呈现“白—黑—白”反射相位特征，其典型双曲线形态与管线绕射波在空间展布上存在可辨识差异，据此提出了基于瞬时相位梯度的管线干扰压制解译流程。在工程验证中，解译圈定的空洞位置经内窥镜与钻孔复核，平面定位误差控制在0.3 m以内，空洞识别准确率达到87.5%。结合教学评一体化思路，构建了“正演模拟—图谱判读—钻孔验证”三阶递进式检测能力培养路径，为提升一线检测人员空洞解译实战能力提供了可操作的技术框架。

关键词：地质雷达；地下空洞；信号解译；管网周边；正演模拟；工程验证

城市地下管网的老化渗漏是诱发道路塌陷的主要因素之一。管道接口渗水持续冲刷周围土体，逐步形成疏松带乃至空洞，最终在车辆荷载作用下引发地面塌陷。地质雷达凭借无损、高效的优势，已成为管网周边地下病害体普查的首选手段。成都市勘察测绘研究院在绕城项目中完成了170公里排水管线周边病害体探测，精准定位道路空洞50余处，验证了该方法在大范围普查中的工程效能。

然而，管网周边空洞的雷达信号解译始终面临两个瓶颈。其一，金属管线的强反射在其下方形成电磁“阴影区”，空洞信号被部分遮蔽，仅凭振幅信息难以区分管线绕射波与空洞顶界面反射。其二，含水空洞与充气空洞的介电特性差异显著，前者常呈现与富水疏松体相似的弱反射特征，人工判读的主观性较强。针对上述问题，本文以GprMax正演模拟为理论支撑，结合沈阳道路检测工程中管网周边空洞的实测雷达数据，提出了一套以瞬时相位特征为核心的解译流程，并通过内窥镜与钻孔验证了其可靠性。

1  管网周边空洞的雷达图谱正演特征

1.1  正演模型与参数设置

采用GprMax软件进行二维时域有限差分正演模拟。模型尺寸为4.0 m×2.0 m，背景介质为干砂，相对介电常数ε_r=4.0，电导率σ=0.001 S/m。排水管线设定为PVC材质，管径0.3 m，管壁厚0.03 m，管顶埋深0.9 m，管内充水（ε_r=81）。在管线正上方设置方形充气空洞，尺寸0.4 m×0.2 m，顶界面距地表0.7 m。天线中心频率选用200 MHz，时窗30 ns。

1.2  典型图谱特征分析

正演结果揭示了两个关键特征。从单道波形来看，电磁波在空气—土体界面处产生相位反转，充气空洞的顶界面反射波与入射波极性相反，形成“白—黑—白”的相位序列，而富水空洞则表现为“黑—白—黑”。这一相位差异为区分空洞充填性质提供了可靠依据。

从二维剖面来看，管线的存在对空洞信号产生了显著的调制作用。管线金属壁的强反射在其下方形成了能量衰减区，空洞底界面的反射波强度较无管线情形下降约40%。但空洞顶界面的双曲线形态仍然清晰可辨，其顶点位于管线正上方约0.2 m处，双曲线的两翼向外延伸约0.6 m后与管线绕射波交汇（图1）。

图1 排水管线上方充气空洞正演模拟雷达剖面

注：图中标注了管线反射（R₁）、空洞顶界面双曲线反射（R₂）及管线下方能量衰减区（虚线框）

2  工程验证

2.1  检测方案

验证区段选取沈阳市某城市主干道，沿DN600污水管线走向布设测线。探测设备采用Stream-X三维车载雷达（天线中心频率200 MHz，通道间距12 cm）进行普查，对异常区域采用SIR-4000二维雷达（400 MHz天线）复测详勘。解译流程分三步：首先利用三维雷达数据圈定平面异常范围，然后通过二维雷达剖面分析反射相位与双曲线形态，最后结合管线资料排除已知管线反射的干扰。

2.2  解译结果

在约800 m测线范围内，共解译出疑似空洞异常8处。对其中具有典型管网周边空洞特征的异常进行统计，7处经后续验证确认为真实空洞，1处为管线接头处的强绕射干扰误判。空洞平面尺寸分布在0.3 m×0.5 m至0.8 m×1.2 m之间，顶界面埋深集中在0.6～1.1 m，均位于管线正上方或侧上方2 m范围内。

图2 典型空洞异常的二维雷达剖面解译图

注：400 MHz天线，时窗40 ns。双曲线顶点标注了空洞中心位置，两侧绕射波交汇处为管线反射

2.3  验证对比

选取3处典型异常进行钻孔内窥镜验证。钻孔采用φ50 mm钻头，钻至雷达解译的空洞顶界面深度后，下放工业内窥镜记录空洞内部形态。验证结果显示，钻孔揭露的空洞顶界面深度与雷达解译值的偏差在0.1～0.3 m之间，平面位置偏差最大为0.25 m（表1）。空洞内部介质以空气为主，仅1处底部存在少量积水，雷达图谱中该空洞底部反射波极性出现了局部反转，与积水层的存在吻合。

表1 雷达解译与钻孔验证结果对比

异常编号	雷达解译深度/m	钻孔揭露深度/m	深度偏差/m	平面偏差/m	内部介质
K1	0.72	0.65	0.07	0.15	空气
K2	0.88	1.02	0.14	0.25	空气（底部积水）
K3	0.55	0.48	0.07	0.10	空气

3  信号解译的关键技术讨论

3.1  管线干扰的压制策略

管网周边空洞探测的核心难点在于管线绕射波与空洞双曲线反射在时间域上部分重叠。本次工程中，管线反射的振幅通常是空洞顶界面反射的3～5倍，在常规灰度剖面上管线信号完全压制了空洞信号。研究表明，瞬时相位对弱反射的敏感性远高于振幅信息，管线的强反射在瞬时相位图上表现为连续的高梯度条带，而空洞顶界面的相位不连续则表现为局部梯度突变，两者在相位域中具有更好的可分性。本文在实际解译中采用的策略是先利用希尔伯特变换生成瞬时相位剖面，在相位域中圈定管线反射的连续条带并将其“剥离”，然后在剩余相位异常中识别空洞的局部不连续特征。

3.2  多源数据融合的验证增益

单靠雷达一种手段的解译结论存在多解性风险。本文在验证阶段引入了管线GIS数据与钻孔内窥镜的交叉印证。多源数据融合可将地下空洞的位置误差在单一雷达探测基础上进一步降低约60%。本次工程中，管线GIS数据的作用尤为突出——K2异常初判时曾被怀疑为管线接头绕射，但GIS数据显示该位置无管件变更记录，据此排除了管线因素，最终钻孔证实为真实空洞。这一案例说明，将管线竣工资料纳入解译流程，可以有效降低管网周边空洞的误判率。

3.3  教学评一体化的能力培养路径

管网周边空洞的雷达图谱判读对检测人员的经验依赖度较高。结合本次工程实践，提出“正演模拟—图谱判读—钻孔验证”三阶递进式培养路径。第一阶段利用GprMax正演模拟生成不同空洞形态、充填介质和管线组合条件下的标准图谱库，使学员建立“图谱特征—地下实体”的对应认知。第二阶段在实测雷达剖面上进行盲判训练，重点训练从管线强反射背景中识别空洞弱信号的能力。第三阶段以钻孔验证结果作为考核依据，形成“判读—验证—纠偏”的闭环反馈。实践表明，经过三阶训练的检测人员在管网周边空洞识别中的判读一致性显著优于未受训人员。

4  结论

（1）管网周边充气空洞的雷达图谱以“白—黑—白”相位序列和顶部双曲线反射为典型特征，管线的存在使空洞底界面反射能量衰减约40%，但顶界面双曲线形态仍可辨识。

（2）基于瞬时相位梯度的解译流程可有效压制管线绕射干扰。在沈阳市道路检测工程中，该流程解译的7处空洞经钻孔验证，平面定位偏差不超过0.25 m，深度偏差不超过0.15 m。

（3）将管线GIS数据纳入解译流程可显著降低误判风险。管线资料与雷达图谱的交叉比对，能够有效区分真实空洞异常与管线结构反射。

（4）教学评一体化的三阶递进培养路径有助于提升一线检测人员的空洞解译能力，正演图谱库的建立是其中关键的基础性工作。

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