探地雷達技術(shù)用于
地下空洞塌陷災害普查探測的創(chuàng)新與實踐
王春和，崔海濤，趙翠榮，陳光
（中國電波傳播研究所，通訊方式010-57210257）
摘要：近年，我國城市道路塌陷事故愈演愈烈，引起了社會的廣泛關(guān)注。該文呼吁城市道路塌陷預防檢測要制度化常規(guī)化。分析了創(chuàng)新使用探地雷達技術(shù)的必要性。在分析道路結(jié)構(gòu)層下方的空洞分布規(guī)律基礎上，設計了多波段天線陣確保實現(xiàn)空洞的預防性探測，并完成了實用性車載預警雷達系統(tǒng)的研制，為普及道路病害探測提供了高效的專業(yè)工具。
關(guān)鍵詞：城市道路；道路塌陷；多波段天線陣列；道路災害預警雷達
1 概述
1.1 地陷事故高發(fā)趨勢亟需修訂普查檢測制度予以扼制
5月20日晚，在廣東省深圳市龍崗區(qū)橫崗街道一起突如其來的路面塌陷事故中，伴隨著一聲悶響，5條鮮活的生命剎那間消失在黑暗的地獄中。僅在一個月前，在深圳市福田區(qū)發(fā)生路面塌陷事故造成1人死亡。3月深圳市景洲大廈小區(qū)發(fā)生地陷致一名保安墜坑身亡。截至目前，深圳今年連發(fā)9起地陷致6死2傷，“城市陷阱”令人防不勝防，開始讓深圳市民有種“走路都不安全”的恐慌。由此聯(lián)想到去年8月份“夜幕下的哈爾濱”上演“步步驚心”的一幕，9天時間發(fā)生7起地陷事故，造成2死2傷2車墜坑的人間悲劇。就在昨天（2013年7月11日），太原永祚西街發(fā)生大面積塌陷，再次繃緊了當?shù)厥忻竦纳窠?jīng)；沈陽朝陽街東側(cè)路面突然塌陷形成20多平方米的大坑，也在刷新今年該市道路塌陷事故的次數(shù)。
從全國范圍內(nèi)來看，這一系列的地陷事故僅僅是各地近年來所發(fā)生的眾多地陷案例的“冰山一角”。統(tǒng)計結(jié)果證明，道路塌陷事故尤其在大城市呈高發(fā)趨勢。國土資源部、水利部于2012年3月印發(fā)的《全國地面沉降防治規(guī)劃（2011-2020年）》指出，目前全國遭受地面沉降災害的城市超過50個，分布于北京、天津、上海等20個省區(qū)市。北京市市政工程設計研究總院宋谷長在一篇論文中披露，2007年北京市發(fā)生路面坍塌事故54起，2008年94起，2009年129起。
地陷的具體原因并非完全相同，卻有其共性。中國工程院院士、北京交通大學隧道及地下工程試驗研究中心主任王夢恕甚至認為，地下十米以內(nèi)的施工，是頻頻出現(xiàn)的點狀地面塌陷的主要原因，是地陷禍首。國家注冊巖土工程師呂文龍將城市道路塌陷的人為原因梳理成幾類：路面荷載變化、施工擾動、地下管線滲漏。例如地鐵隧道施工也容易造成地層擾動，大量地下水滲出，使得上部或周圍疏松土層中的泥沙大量帶走，逐漸形成空洞；一些地下管線經(jīng)長久腐蝕容易形成穿孔、斷裂等滲漏現(xiàn)象，容易造成對土基沖刷，帶走周邊泥沙。北京市市政工程設計研究總院研究員宋谷長分析，地下管道的滲水、泄漏會造成對土基沖刷，帶走管道周邊泥沙，加上地下施工擾動、路面車輛震動等因素，很容易發(fā)生流沙或淘蝕現(xiàn)象，形成空洞和路面塌陷。
筆者認為，（1）城市地下空間資源短時間大規(guī)模開發(fā)利用是地陷事故發(fā)生的內(nèi)在原因。十六大以來，我國城鎮(zhèn)化發(fā)展迅速，2002年至2011年，我國城鎮(zhèn)化率以平均每年1.35個百分點的速度發(fā)展，城鎮(zhèn)人口平均每年增長2096萬人。2011年，城鎮(zhèn)人口比重達到51.27%，比2002年上升了12.18個百分點。城市規(guī)模的無限制擴大，城市人口的迅猛增長，對交通、通信、電力、給排水、燃氣等需求急劇增長，城市地下空間的開發(fā)利用無疑是滿足這些需要的有效途徑。這些地下工程改變了上億年形成的地質(zhì)平衡和水動力循環(huán)條件，造成地下水位下降、水土流失、地表沉降等現(xiàn)象，嚴重時對城市管網(wǎng)造成損壞，從而加快形成地下空洞的過程。（2）給排水管（函）不堪重負而滲漏爆裂是導致城市地陷的主要的直接原因。城區(qū)規(guī)模的擴大，原來的河流湖泊變成了馬路、小區(qū)和廣場，雨水原來就近集中滲漏排泄的渠道被封閉，城市排水集中到原本建設標準不高的管函中，隨著排水壓強和流速越來越大，造成管函破裂，泥沙流失，最終導致地面塌陷。老城區(qū)的給水管也隨著負擔日益加重，銹蝕日趨嚴重而導致破裂，水土流失，日積月累，逐漸形成大的空洞而釀成地面塌陷。
中國的城市化發(fā)展是大勢所趨，到2050年城市人口比重將達70%，和世界上許多發(fā)達地區(qū)的城市相比，中國的城市地下空間開發(fā)才剛起步，發(fā)展?jié)摿薮�。隨著城市地下空間資源開發(fā)規(guī)模力度的日益加大，引發(fā)地陷的因素不可逆轉(zhuǎn)的在增多，因此，城市地陷事故高企在所難免。可以預計，地陷將伴隨中國城市發(fā)展成為一個長期問題，那么探討如何解決問題，遏制塌陷事故的上升趨勢，最大限度減少、減輕災難，就變得現(xiàn)實而必要。
首先筆者贊成多名專家的建議，制定一部完整、權(quán)威的法律，來規(guī)范并解決開發(fā)權(quán)限、體制、標準與規(guī)程，建立協(xié)調(diào)管理結(jié)構(gòu)，解決我國城市地下空間存在多頭管理和立法空白問題，從而實現(xiàn)城市地下空間開發(fā)的統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一標準和統(tǒng)一管理，從根源上抑制地陷事故的發(fā)生。其次，筆者建議盡快修訂現(xiàn)有《城鎮(zhèn)道路養(yǎng)護技術(shù)規(guī)范》、《公路技術(shù)狀況評定標準》，把地下空洞的檢測作為道路普查的重要內(nèi)容，這是目前解決我國大中城市所面臨難題的有效途徑。我國現(xiàn)有的道路的標準和規(guī)范均是建立在表觀檢測數(shù)據(jù)基礎上進行量化評價，這些方法根本無法發(fā)現(xiàn)地面以下潛伏的災難性病害。對城市道路塌陷的防治目前基本上靠人工巡視，群眾舉報，其結(jié)果往往是防不勝防，難以湊效。采用先進的技術(shù)對城市道路進行常規(guī)普查巡檢，實現(xiàn)防患于未然是大勢所趨。
1.2 創(chuàng)新使用探地雷達技術(shù)，實現(xiàn)城市環(huán)境的道路空洞檢測
探地雷達通過發(fā)射天線向地下發(fā)射高頻電磁波，電磁波在地下介質(zhì)中傳播時遇到存在電性差異的分界面時發(fā)生反射或散射，通過接收天線接收反射或散射回地面的電磁波，根據(jù)接收到的電磁波的波形、振幅強度和時間的變化等特征推斷地下介質(zhì)的空間位置、結(jié)構(gòu)、形態(tài)和埋藏深度。探地雷達以高分辨、高效率、無損、結(jié)果直觀等特點在工程物探領(lǐng)域得到了廣泛的推廣應用。道路結(jié)構(gòu)層及土基和下方潛伏的充氣空洞、半氣半水空洞以及沖水空洞的介電常數(shù)差異較大，因此，探地雷達技術(shù)十分適合道路空洞的探測。
以城市化進程早于中國的日本為例，1987年至1988年間，東京、名古屋等城市也曾有過地陷多發(fā)期，原因與中國城市完全一樣。東京大規(guī)模地陷次數(shù)每年多達20-25次，造成了嚴重社會問題。1990年起，日本使用雷達探測技術(shù)在全國范圍內(nèi)進行地下空洞調(diào)查，對一些大的、危險的空洞進行工程填補。之后，日本在各城市重點區(qū)域定期探測、巡查，一旦發(fā)現(xiàn)塌陷隱患，立時填補，并啟動預案對周邊加強檢測。因此，最近20余年，東京每年僅有一至兩起大規(guī)模地陷，甚至數(shù)年未出現(xiàn)大規(guī)模地陷。
探地雷達技術(shù)在防治道路塌陷方面也普遍為國內(nèi)專家們認可。北京養(yǎng)護集團市政九處為了保障2008年奧運，采用探地雷達對戶外運動路線進行了安全檢測。此后，多次對重要的路線進行了普查，對有塌陷跡象的路段進行了重點探測，準確發(fā)現(xiàn)并處置了多處險情。哈爾濱、太原、深圳等城市也先后采用探地雷達對可疑路段或重點部位進行了勘查，取得了一定效果。
目前，在上述城市的探測實踐中，主要采用單通道或雙通道探地雷達人工拖動或車輛拖動的方式進行探測，這種方式顯然難以滿足城市道路空洞普查的需求。原因如下：（1）由于城市環(huán)境尤其是地下空間的復雜性，對雷達來講，既有來自空中的過街天橋、線纜、交通信號橫桿、廣告牌等干擾物，又有來自地下的人行橫道、管線、函溝，還有由于經(jīng)年翻修形成的多變的道路結(jié)構(gòu)等，它們都會產(chǎn)生雷達回波從而形成豐富的雷達圖像。由于空洞成因不同，演變機理多樣，在空洞形態(tài)上形成規(guī)模大小不一，形狀不規(guī)則，無明顯走向和延伸等特點。要從紛繁復雜的雷達圖像中找出空洞，排除人工設施干擾的話，最直接的方法就是從二者的走向和延伸形態(tài)上進行區(qū)分判別。目前人工單通道探地雷達技術(shù)要判斷目標的形態(tài)，必須對地面進行多測線掃描探測，工作量大幅度增加，耗時費力，在探測方法上還有許多技術(shù)要求。（2）由于分辨率和探測深度的矛盾，中心頻率高的天線能分辨小目標，但探測深度較�。恢行念l率低的天線探測深度大，但小目標容易被“忽略”。上述城市在探測中，多采用100MHz屏蔽天線進行探測，這極有可能把深度1m以內(nèi)的小空洞漏掉，從而失去采取預防措施的有利時機。（3）單通道天線有效的覆蓋寬度有限，而在同一車道上采用多條測線進行測試，形成多個雷達剖面，在技術(shù)上又難以實現(xiàn)，工作量也成倍增加。（4）表觀檢測和雷達檢測難以有機結(jié)合。利用空洞沉降引起的凹陷、裂縫等表觀反應是通過雷達圖像確認地下存在空洞的一個有利佐證。而現(xiàn)有手段，雷達圖像和表觀現(xiàn)象并不同步記錄。
綜上所述，探地雷達技術(shù)是解決城市道路塌陷災害的必然選擇，但針對城市道路環(huán)境的復雜性，在雷達技術(shù)的具體應用方法上還需要創(chuàng)新，既要處理好空洞大小和埋藏深淺矛盾，保證有效性；也要解決道路空洞隱患的綜合處理判斷方法，排除虛警，保證結(jié)果的準確性；還要提供操作容易，使用簡單的設備以及方便與施工部門銜接的結(jié)論，滿足實用性要求。
2 探地雷達技術(shù)應用創(chuàng)新-車載式道路災害預警雷達系統(tǒng)
針對近年來我國城市道路坍塌事故高發(fā)的趨勢，在“十一五”期間，我所開展了關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，研發(fā)了RDFD-V01車載式道路災害預警雷達系統(tǒng)。該系統(tǒng)以完全自主知識產(chǎn)權(quán)的探地雷達陣列檢測技術(shù)為核心，融合高清晰線掃描圖像檢測技術(shù)和視頻景象記錄，輔以DGPS和里程計定位技術(shù)，以機動車輛為平臺，在巡航車速下對道路進行深度“CT”掃描，實現(xiàn)“由表及里、由淺入深”的高速精確探測，提前發(fā)現(xiàn)道路下方隱伏的空洞，并精確確定它們的位置、深度和范圍等信息，提前預警道路塌陷災害，為市政道路管理部門及時排除隱患提供有力的技術(shù)手段。
2.1多波段天線陣列設計滿足道路空洞探測需求
2.1.1道路空洞的分布特點
交通部公路工程檢測中心的專項研究報告[3]指出，道路表面下方3m以內(nèi)是路基載荷分布區(qū)，當空洞等病害進入這個深度范圍內(nèi)時，才會影響道路結(jié)構(gòu)和受力。因此，除極少數(shù)特別巨大的空洞外，絕大多數(shù)的具有現(xiàn)實塌陷危險的空洞，洞頂至道路表面距離均小于3m。這與城市道路塌陷災害現(xiàn)場調(diào)查的情況普遍一致。
北京市近三年塌陷深度的統(tǒng)計數(shù)據(jù)[1]如表1所示，從中可歸納道路空洞的如下分布特點：
（1）引發(fā)道路塌陷的病源深度集中12 m之內(nèi)，其中0~5 m范圍內(nèi)占80%（表1）�？梢姡菖c人工設施擾動是密切相關(guān)的，管網(wǎng)密集分布的深度范圍恰是塌陷病源的集中區(qū)域，絕大多數(shù)引起城市道路塌陷的空洞均與地下管線相伴生，是最嚴重的管線次生災害。
（2）塌陷發(fā)生時，空洞頂板的厚度已經(jīng)很小。比如，如果塌陷深度是5m，肯定下面至少有5m深的泥土流失，而這些泥土肯定主要是病源所在深度以上的，可推知，塌陷前洞頂厚度很有可能僅剩余道路自身的結(jié)構(gòu)層。
表1 路面塌陷深度分布表（北京市近三年數(shù)據(jù)統(tǒng)計）
為了驗證上述結(jié)論，我們委托哈爾濱工業(yè)大學依據(jù)城市交通和道路巖土力學工程研究成果，采用有限元法對道路空洞的極限承載力進行了仿真計算。首先根據(jù)結(jié)構(gòu)的和材料特點建立了道路的數(shù)值模型，如表2所示。
判斷道路下方既有孔洞發(fā)生塌陷的評價指標：
（1）自重應力+交通荷載作用下，按莫爾-庫倫強度準則計算的洞頂上方的破壞區(qū)或屈服區(qū)貫通至基層底部；
（2）標準軸載作用下，基層底部水平應力大于其抗拉強度，出現(xiàn)拉破壞。
表3列舉了若干尺寸的空洞臨界塌陷時空洞頂板的厚度及其脫空范圍�？梢钥闯觯海�1）不同規(guī)模的地下空洞向上發(fā)展到相應深度才具有塌陷的可能，即只有規(guī)模足夠大且距離道路地表足夠近的空洞才具塌陷風險；（2）空洞規(guī)模越小，其塌陷臨界頂板厚度越��；（3）在塌陷臨界狀態(tài)，洞頂部的脫空范圍會明顯增大。
表3 空洞尺寸及塌陷臨界時頂板厚度和脫空范圍
綜上所述，道路空洞發(fā)生、演化的結(jié)果十分有利于發(fā)揮探地雷達技術(shù)的優(yōu)點，因為空洞體積越大，頂板厚度越小，越有利于采用分辨率高的天線清晰地探測到空洞。
2.1.2天線陣構(gòu)成單元的深度和分辨能力的設計
城市道路塌陷防治要預防為主，這就要求預警雷達系統(tǒng)由空洞演變成塌陷災害的前期就能發(fā)現(xiàn)它，因此,選擇天線的深度探測能力與分辨能力時要留有余量。在我所研制的10余種天線中，我們選擇中心頻率400MHz、270MHz和100MHz單體屏蔽天線構(gòu)成預警雷達系統(tǒng)的多波段天線陣（主要性能見表4）。原因在于：（1）首先他們都是屏蔽天線，能有效地抑制來自道路上空人工設施的干擾，適用于復雜的城市環(huán)境；（2）400MHz和270MHz天線既有適中的穿透能力又有小空洞分辨能力，二者結(jié)合基本上保證100%預先探測到接近塌陷臨界點的空洞，同時又能探測到3m以內(nèi)不具塌陷風險的小空洞，以便在道路日常養(yǎng)護中及時消除隱患；（3）100MHz天線主要用于發(fā)現(xiàn)潛伏在道路深層、不具現(xiàn)實威脅的規(guī)模較大的空洞�？梢�，從天線陣構(gòu)成單元性能上，既保證了具備塌陷風險空洞的探測能力，又在分辨率和探測深度上留足了余量，爭取早期發(fā)現(xiàn)空洞隱患，真正起到預警作用。
表4 不同頻率天線的分辨率和參考探測深度
說明：上表中探測深度與探測區(qū)域土壤的衰減系數(shù)有關(guān)。
2.1.3天線陣排列方式設計
天線陣列具有探測效率高，數(shù)據(jù)豐富的優(yōu)點，但采用天線陣的方式進行探測，不可避免的要遇到天線振子單元之間的互耦與通道串擾問題，因此需要結(jié)合探測方式對天線單元的分布進行合理的設計。為保證探測的準確性，不存在探測盲區(qū)，天線單元之間的間距應盡量小，即在有效的寬度內(nèi)排列更多的單元，但過小的間距又會帶來天線單元之間的耦合和干擾增加，降低系統(tǒng)信噪比，因此需要對天線單元之間的間距進行合理的設計，并進行充分的試驗，以實現(xiàn)探測無遺漏，全面覆蓋的要求。
圖1 天線方向圖
探地雷達天線一般采用VV極化的工作方式進行探測，即收發(fā)天線振子皆垂直于行進方向水平放置，易于對道面以下的管線、電纜等目標進行識別。圖1為單個天線振子的輻射方向圖，左圖為天線在其行進方向上，即H面的方向圖；右圖為行進垂直方向上，即E面的方向圖。由天線方向圖可以看出，天線在地面以下的輻射能量分布大致為橢圓形，并且在其正下方即垂線方向的輻射能量最大，即探測能量最強，越偏離垂線方向，輻射能量越小。根據(jù)計算與測試，天線對地輻射信號經(jīng)過地下介質(zhì)的衰減與傳播后，其有效探測區(qū)域基本局限在其1.5倍天線口徑內(nèi)的正下方，大致呈矩形分布。
由圖1中天線E面方向圖可以看出，天線向下輻射的能量主要集中在±30°的角度內(nèi)，設天線單元之間的間距為d，探測目標深度為h，則：
（1）
實際天線單元間距應小于上式計算值，而且d必須要大于天線振子長度，同時天線間距d又不能過小，以免引起單元之間的互耦。為保證陣列整體的緊湊和天線陣列所允許的最大寬度，針對公路病害深度探測需求，通過式（1）進行計算并結(jié)合實驗驗證，可得到天線單元之間的間距d。
本系統(tǒng)天線陣排列方式如圖2所示，共使用6副天線，中心頻率100MHz、270MHz和400MHz各2副。100MHz天線間距為d3=98.6cm，400MHz天線和270MHz天線間距為d2=47.5cm，400MHz天線間距為d1=40.5cm。
圖2 天線陣排列示意圖
天線陣實體總寬度185cm，不會對旁邊車道行駛的車輛造成阻礙，且具備遇阻力自提升功能，提高了雷達檢車的機動性，并保證了行駛的安全性。100MHz天線形成的輻射場與270/400MHz天線形成的輻射場寬度相當，可實現(xiàn)在2.3m寬度內(nèi)無盲區(qū)檢測。圖3圓角矩形區(qū)域為天線有效探測區(qū)域。
圖3 天線陣輻射場覆蓋區(qū)域示意圖
圖4 天線陣排列及懸掛方式結(jié)構(gòu)設計
2.2實用化設計成就道路災害預警利器
2.2.1 情景再現(xiàn)功能
圖5 車載式道路災害預警雷達系統(tǒng)的信息流
當RDFR道路災害預警雷達進行探測工作時，在距離測量器（DMI）的觸發(fā)下，控制處理中心對6路探地雷達、2路路況視頻、1路路面高清圖像和差分GPS信號同步完成了數(shù)據(jù)采集。在進行內(nèi)業(yè)時，分析員可以選擇同步回放上述所有圖像信息，也可以在三種圖像之間實現(xiàn)相互檢索。這就是情景再現(xiàn)功能，通過這種功能可以對異常雷達圖像進行綜合分析判斷，排除周圍設施、來往車輛的干擾，查看地表的表觀反應等，進而確認病害的性質(zhì)。同時，也可以輔助現(xiàn)場定位。
2.2.2全天時工作能力
針對城市道路擁擠堵塞的現(xiàn)實情況，夜晚出來進行探測作業(yè)既不影響交通，又能盡量保持平直的探測路線，還能避免來往車輛的干擾，道路災害預警車均采用了紅外照明的圖像采集子系統(tǒng)，具備了全天時工作能力，極大地提高了系統(tǒng)的探測效率。
2.2.3病害定位城市坐標化
道路災害預警車采用RTK差分GPS系統(tǒng)對行車路線進行了記錄，定位誤差不大于10cm。在提交的檢測成果報告中，病害的位置均采用GPS坐標予以描述，極大地方便了施工人員的現(xiàn)場定位。
2.2.4 病害信息分析管理直觀化
在對道路病害種類進行分析后，我們制定雷達圖像解釋的結(jié)論符號規(guī)則，即用特定的符號對雷達圖像的異常區(qū)域進行標注后，處理軟件會自動把病害的種類、位置、深度等信息進行記錄，每條測線對應一個病害記錄報表。這些報表可以導入GIS分析平臺中，分析軟件可以對對應路段的多條檢測結(jié)果進行聚類分析，并以病害的種類和密集度以彩色曲線的形式表示出優(yōu)良中差的評價結(jié)果，同時也可以點擊病害標示符查詢病害的具體屬性信息。
3 結(jié)論
本文在分析城市道路空洞分布特點的基礎上，論述了道路災害預警雷達系統(tǒng)的核心技術(shù)-多波段探地雷達天線陣列設計，并對系統(tǒng)的特色功能進行了簡要介紹，由此得出如下結(jié)論：
（1）多波段天線陣的分辨能力和穿透能力既能保證探測發(fā)現(xiàn)具有塌陷風險的空洞，又充分預留了淺層小孔洞和深層大空洞的探測能力，能夠為防止道路塌陷事故提供預警預報。
（2）多波段天線陣加大了測線的覆蓋寬度，提高了探測效率，同時保證了在城市道路上行駛的機動性和安全性。
（3）針對城市道路空洞隱患探測的復雜性，提供了多方位的專業(yè)特色功能，貫穿了探測作業(yè)、綜合分析、結(jié)論管理全過程，提高了系統(tǒng)的實用性。
（4）系統(tǒng)適時地提供了一種高效的實用的防治城市道路塌陷的解決方案。
總之，RDFD-V01車載式道路災害預警雷達系統(tǒng)探測速度快、探測深度大、探測幅面寬、探測定位精度高，是城市道路下方空洞等道路災害全面快速普查的專用裝備。該系統(tǒng)將能夠輔助政府主管部門，為市民安全出行提供保障。
最后建議，采用探地雷達技術(shù)進行空洞探測應該選擇在秋冬季節(jié)開展探測作業(yè)。因為秋冬季節(jié)雨水少，地下水位低，土壤干燥，對雷達電磁波的衰減相對較小，對保證探測深度和效果十分有利，同時也可在雨季來臨之前發(fā)現(xiàn)并消除隱患，防止最終釀成災害性事故。
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