車載式城市道路塌陷災(zāi)害預(yù)警雷達(dá)系統(tǒng)工程案例介紹與分析

崔海濤，施興華

(中國(guó)電波傳播研究所，山東青島266000)

一、前 言

為預(yù)防和避免城市道路塌陷災(zāi)害事故的發(fā)生，采用先進(jìn)適用的高科技探測(cè)設(shè)備定期對(duì)城市道路進(jìn)行普查探測(cè)，提前發(fā)現(xiàn)隱伏在地下的空洞，提前預(yù)警，及時(shí)采取措施處治排險(xiǎn)，才能防患于未然，這已成為普遍共識(shí)。

然而，對(duì)城市道路下方隱伏的空洞進(jìn)行探測(cè)作業(yè)，由于交通繁忙，環(huán)境干擾大，常用的工程物探方法，如高密度電法、淺層地震法、瞬變電磁法等難于施展，應(yīng)用效果差，成本高，速度慢，難以大范圍應(yīng)用;而探地雷達(dá)具有現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施方便、抗外部環(huán)境干擾、作業(yè)快速便捷、探測(cè)效率高、分辨率高、實(shí)施成本低廉等優(yōu)勢(shì)，成為城市道路塌陷災(zāi)害普查探測(cè)的首選技術(shù)手段和唯一現(xiàn)實(shí)可行的方法。國(guó)內(nèi)外多年來(lái)的科學(xué)研究和工程應(yīng)用實(shí)踐，充分證明了探地雷達(dá)在城市地下空洞普查探測(cè)領(lǐng)域的良好性能和取得的顯著成效。

二、國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀

1.日本

城市化進(jìn)程早于中國(guó)的日本，約20年前，東京、名古屋等城市也曾有過(guò)地陷多發(fā)期。以東京為例，每年大規(guī)模地陷次數(shù)多達(dá)20～25次，但最近20余年，東京卻每年僅有1～2起大規(guī)模地陷，甚至數(shù)年未出現(xiàn)大規(guī)模地陷。1990年起，日本在全球率先使用雷達(dá)探測(cè)技術(shù)，在全國(guó)范圍內(nèi)進(jìn)行地下空洞調(diào)查，對(duì)一些大的、危險(xiǎn)的空洞進(jìn)行工程填補(bǔ)。之后，日本在各城市重點(diǎn)區(qū)域定期探測(cè)、巡查，一旦發(fā)現(xiàn)塌陷隱患，立時(shí)填補(bǔ)，并啟動(dòng)預(yù)案對(duì)周邊加強(qiáng)檢測(cè)。

2.北京市政管理養(yǎng)護(hù)集團(tuán)

2008年，為保證奧運(yùn)會(huì)相關(guān)道路的安全暢通，北京市政養(yǎng)護(hù)集團(tuán)首次使用地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)技術(shù)，應(yīng)用于路面下空洞檢測(cè)，并對(duì)奧運(yùn)自行車比賽線路、奧運(yùn)馬拉松比賽線路、奧運(yùn)火炬?zhèn)鬟f線路和奧運(yùn)場(chǎng)館周邊道路等進(jìn)行了全面檢測(cè)。

2009年國(guó)慶大閱兵之前，北京市政養(yǎng)護(hù)管理集團(tuán)使用探地雷達(dá)探測(cè)顯示東單路口土質(zhì)疏松，通過(guò)提前發(fā)現(xiàn)和及時(shí)處理，此處路面沒(méi)有發(fā)生沉降。2011年發(fā)現(xiàn)中關(guān)村南大街路面有沉降，探地雷達(dá)應(yīng)急探測(cè)后發(fā)現(xiàn)一直徑1.75m，深5 m的空洞，及時(shí)處理后避免事故發(fā)生。

3.太原市市政公共設(shè)施管理處

2012年9月太原市市政公共設(shè)施管理處要求國(guó)內(nèi)甲級(jí)資質(zhì)的探測(cè)企業(yè)在太原市雙塔西街采用高密度電法、淺層地震和探地雷達(dá)等方法，作了一次綜合物探方法探測(cè)空洞的試驗(yàn)段。2012年12月26日雙塔街和并州路口大規(guī)模塌陷發(fā)生后，又引進(jìn)北京一家公司用探地雷達(dá)探測(cè)空洞，同時(shí)，管理處也自行裝備了雷達(dá)工程檢測(cè)車進(jìn)行探測(cè)。

4.貴港市國(guó)土資源局

2013年5、6月間，廣西貴港市接連發(fā)生16處道路塌陷，主要因素是地下溶洞塌落。貴港市國(guó)土資源局受市政府委托，采用探地雷達(dá)，以人工作業(yè)對(duì)塌陷周邊區(qū)域進(jìn)行了應(yīng)急探測(cè)。后繼將進(jìn)行全市范圍的普查探測(cè)。中科院巖溶地質(zhì)所也在進(jìn)行巖溶地區(qū)城市地陷的研究，其探測(cè)手段采用的仍然是探地雷達(dá)。

三、RDFR-V01車載式道路塌陷災(zāi)害預(yù)警雷達(dá)系統(tǒng)

RDFR-V01車載式道路塌陷災(zāi)害預(yù)警雷達(dá)系統(tǒng)，是筆者所在單位國(guó)家科技攻關(guān)項(xiàng)目最新技術(shù)創(chuàng)新成果，系統(tǒng)以國(guó)際領(lǐng)先的多通道大型雷達(dá)天線陣列為核心，集成了RTK精確坐標(biāo)定位系統(tǒng)和高清視頻、圖像采集系統(tǒng)，可快速高效地實(shí)現(xiàn)對(duì)城市道路的全覆蓋地毯式普查探測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)地下隱伏空洞，預(yù)報(bào)、預(yù)警塌陷災(zāi)害(如圖1所示)。多個(gè)城市的工程實(shí)踐應(yīng)用表明，RDFR-V01車載式道路塌陷災(zāi)害預(yù)警雷達(dá)系統(tǒng)探測(cè)性能優(yōu)異并取得良好實(shí)效，是道路塌陷災(zāi)害普查探測(cè)的首選技術(shù)設(shè)備。

圖1 RDFR-V01車載式道路塌陷災(zāi)害預(yù)警雷達(dá)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

RDFR-V01車載式道路塌陷預(yù)警雷達(dá)系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)歷時(shí)3年的研發(fā)定型、嚴(yán)格系統(tǒng)測(cè)試和大里程探測(cè)磨合作業(yè)后，于2012年9月首次應(yīng)用于哈爾濱市道路塌陷災(zāi)害普查探測(cè)項(xiàng)目。按照政府主管部門的要求，快速高效地完成了地鐵沿線和重點(diǎn)地區(qū)街路的普查探測(cè)工作，提交了翔實(shí)可靠的探測(cè)成果報(bào)告，為防范和治理塌陷災(zāi)害提供了數(shù)據(jù)支持和決策依據(jù)，受到政府主管部門的高度評(píng)價(jià)。

此后，RDFR-V01塌陷預(yù)警雷達(dá)系統(tǒng)先后應(yīng)用于大連市2013年夏季達(dá)沃斯論壇和全運(yùn)會(huì)重點(diǎn)街路的道路病害和塌陷災(zāi)害的普查探測(cè)項(xiàng)目、西安市環(huán)城路災(zāi)害、病害普查探測(cè)項(xiàng)目、青島流亭機(jī)場(chǎng)普查探測(cè)項(xiàng)目、太原市重點(diǎn)區(qū)域道路塌陷災(zāi)害專項(xiàng)普查探測(cè)項(xiàng)目、福州市重點(diǎn)區(qū)域道路塌陷災(zāi)害專項(xiàng)普查探測(cè)項(xiàng)目。目前，RDFR-V01車載式道路塌陷預(yù)警雷達(dá)系統(tǒng)累計(jì)完成多座城市道路普查探測(cè)里程近2000 km。

四、工程案例

1.哈爾濱市

2012年9月哈爾濱市集中爆發(fā)道路塌陷，高峰時(shí)7天內(nèi)塌陷8處，死亡2人，傷2人，兩車墜坑。哈爾濱市道路塌陷主要原因是大量地下老舊人防洞室集中垮塌、地鐵施工擾動(dòng)造成排水管線破壞泄漏，水流沖刷流土，形成大量地下空洞。筆者所在單位應(yīng)哈爾濱市主管部門邀請(qǐng)前往遂行地下空洞普查探測(cè)任務(wù)，進(jìn)場(chǎng)后，利用RDFR-V01車載式道路塌陷預(yù)警雷達(dá)系統(tǒng)一周時(shí)間內(nèi)完成了哈爾濱市地鐵沿線和重點(diǎn)區(qū)域的大直街、中山路、長(zhǎng)江路、花園街、北京街、嵩山路、郵政街、民益街20余條重點(diǎn)危險(xiǎn)街路的普查探測(cè)，提交了翔實(shí)的探測(cè)成果報(bào)告，為防控和處治塌陷災(zāi)害提供了可靠的數(shù)據(jù)支持和決策支持，扭轉(zhuǎn)了被動(dòng)局面，受到政府部門的肯定和好評(píng)。

2.大連市

2013年夏季達(dá)沃斯論壇將在大連市召開(kāi)，同時(shí)十二屆全運(yùn)會(huì)分賽場(chǎng)屆時(shí)也設(shè)在大連，因此，為保障這兩項(xiàng)重大活動(dòng)順利舉辦，2012年10月，大連市市政工程處擬對(duì)人民路、中山路、五一路、長(zhǎng)春路、疏港路等5條景觀路和主干路進(jìn)行整修改建，邀請(qǐng)筆者所在單位采用探地雷達(dá)普查探測(cè)，探明道路結(jié)構(gòu)病害和道路下方的空洞隱患，為道路整修設(shè)計(jì)和塌陷災(zāi)害預(yù)防處治提供科學(xué)數(shù)據(jù)支持。大連市市區(qū)地下主要為灰?guī)r地層，基巖質(zhì)量較好，道路塌陷災(zāi)害主要由地鐵施工擾動(dòng)上部第四紀(jì)沉積物，破壞管線產(chǎn)生滲漏沖刷和流土，形成空洞。進(jìn)場(chǎng)后，筆者所在單位根據(jù)市政處要求，采用RDFR-V01雷達(dá)車對(duì)項(xiàng)目路段進(jìn)行了全面普查探測(cè)，詳細(xì)查明了各類道路結(jié)構(gòu)病害和地下隱伏空洞災(zāi)害的坐標(biāo)位置、深度和范圍，為整修改進(jìn)設(shè)計(jì)方案的制定和塌陷災(zāi)害防控治理提供了數(shù)據(jù)支撐，取得良好效果。探測(cè)成果與大連市市政交通設(shè)計(jì)院的鉆孔數(shù)據(jù)高度吻合，后繼開(kāi)挖回填處理地下空洞工作，進(jìn)一步驗(yàn)證了普查探測(cè)成果的可靠性。

3.太原市

太原市近年來(lái)發(fā)生了多起道路塌陷災(zāi)害。太原市區(qū)地下為濕陷性黃土地層，同時(shí)市區(qū)主要干道下方密布的老舊人防工事，近年來(lái)開(kāi)始進(jìn)入集中垮塌期，地下人防洞室垮塌造成上部土體擾動(dòng)并為流土提供通道和空間，使管線破壞滲漏，泄漏出的水使?jié)裣菪渣S土發(fā)生塌落，加速流土和空洞的形成，造成地表塌陷事故。2013年6月底7月初，筆者所在單位與太原市市政公共設(shè)施管理處檢測(cè)中心共同對(duì)太原市雙塔西街南沙河以東路段、青年?yáng)|街、濱河西路長(zhǎng)風(fēng)橋段、并州東街、建設(shè)路進(jìn)行了道路塌陷災(zāi)害的普查探測(cè)，發(fā)現(xiàn)多處空洞異常反應(yīng)，并將經(jīng)復(fù)核檢測(cè)確定的異常點(diǎn)位提交給市政設(shè)施管理處。

五、結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)總結(jié)和分析國(guó)內(nèi)外的工程實(shí)踐和筆者所在單位承擔(dān)的多個(gè)城市道路災(zāi)害普查探測(cè)項(xiàng)目，得出以下幾點(diǎn)體會(huì)和認(rèn)識(shí):

1)探地雷達(dá)是城市道路塌陷災(zāi)害普查探測(cè)的首選技術(shù)手段，也是唯一在國(guó)內(nèi)外城市道路塌陷普查探測(cè)的工程實(shí)踐中大量應(yīng)用取得成功的工程物探方法。

2)傳統(tǒng)的、普通的人工或機(jī)動(dòng)車拖曳的單天線探地雷達(dá)，由于速度慢、效率低、探測(cè)斷面窄，因此不能有效地覆蓋普查探測(cè)道路，容易漏失地下空洞目標(biāo);同時(shí)，由于其采集信息量有限，不利于對(duì)異常反應(yīng)的判讀，主觀性、隨意性較大，探測(cè)成果質(zhì)量較差。

3)RDFR-V01型車載式道路塌陷災(zāi)害預(yù)警雷達(dá)系統(tǒng)采用最先進(jìn)的大型雷達(dá)天線陣列技術(shù)，有效探測(cè)寬度3.75 m，探測(cè)巡航速度10～20 km/h，專為針對(duì)道路塌陷災(zāi)害進(jìn)行地毯式全覆蓋普查探測(cè)而設(shè)計(jì)，可對(duì)地下隱伏空洞進(jìn)行多天線的多點(diǎn)同步聯(lián)合掃描和測(cè)量，最大限度地捕獲目標(biāo)體空間信息和特種信息，極大地提高了雷達(dá)探測(cè)和識(shí)別的質(zhì)量、效率。同時(shí)，天線陣列的多點(diǎn)探測(cè)、多點(diǎn)識(shí)別優(yōu)勢(shì)，使得雷達(dá)數(shù)據(jù)和圖像的判讀更加準(zhǔn)確可靠。

［1］中華人民共和國(guó)建設(shè)部.CJJ 7—2007城市工程地球物理探測(cè)規(guī)范［S］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2007.