探地雷達(dá)技術(shù)用于地下空洞塌陷災(zāi)害探測的創(chuàng)新與實(shí)踐

王春和，胡通海，崔海濤，趙翠榮，陳 光

(中國電波傳播研究所，山東 青島266107)

一、引 言

中國的城市化發(fā)展是大勢所趨，到2050年城鎮(zhèn)居民比重將達(dá)70%，和世界上發(fā)達(dá)地區(qū)的許多城市相比，中國城市地下空間開發(fā)才剛起步，發(fā)展?jié)摿薮蟆ｋS著城市地下空間資源開發(fā)規(guī)模日益加大，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(yù)計(jì)，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(zāi)難，就變得現(xiàn)實(shí)而必要［1-2］。

我國現(xiàn)有的道路的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范均是建立在表觀檢測數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上進(jìn)行量化評價(jià)，這些方法根本無法發(fā)現(xiàn)地面以下潛伏的災(zāi)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(bào)，其結(jié)果往往是防不勝防，難以奏效。采用先進(jìn)的技術(shù)對城市道路進(jìn)行常規(guī)普查巡檢，實(shí)現(xiàn)防患于未然是大勢所趨。

探地雷達(dá)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(qiáng)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(dá)以高分辨、高效率、無損、結(jié)果直觀等特點(diǎn)在工程物探領(lǐng)域得到了廣泛的推廣應(yīng)用。道路結(jié)構(gòu)層及土基和下方潛伏的充氣空洞、半氣半水空洞及沖水空洞的介電常數(shù)差異較大，因此，探地雷達(dá)技術(shù)十分適合道路空洞的探測。

綜上所述，探地雷達(dá)技術(shù)是解決城市道路塌陷災(zāi)害的必然選擇，但針對城市道路環(huán)境的復(fù)雜性，在雷達(dá)技術(shù)的具體應(yīng)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(zhǔn)確性;還要提供操作容易，使用簡單的設(shè)備及方便與施工部門銜接的結(jié)論，滿足實(shí)用性要求。

二、探地雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用創(chuàng)新——車載式道路災(zāi)害預(yù)警雷達(dá)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，筆者所在單位開展了關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，研發(fā)了RDFD-V01車載式道路災(zāi)害預(yù)警雷達(dá)系統(tǒng)。該系統(tǒng)以完全自主知識產(chǎn)權(quán)的探地雷達(dá)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(jì)定位技術(shù)，以機(jī)動車輛為平臺，在巡航車速下對道路進(jìn)行深度“CT”掃描，實(shí)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(yù)警道路塌陷災(zāi)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。

1.多波段天線陣列設(shè)計(jì)滿足道路空洞探測需求

(1)道路空洞的分布特點(diǎn)

交通部公路工程檢測中心的專項(xiàng)研究報(bào)告指出，道路表面下方3 m以內(nèi)是路基載荷分布區(qū)，當(dāng)空洞等病害進(jìn)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)具有現(xiàn)實(shí)塌陷危險(xiǎn)的空洞，洞頂至道路表面距離均小于3 m。這與城市道路塌陷災(zāi)害現(xiàn)場調(diào)查的情況普遍一致。

北京市近3年塌陷深度的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見表1，從中可歸納道路空洞的如下分布特點(diǎn):

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%?？梢姡菖c人工設(shè)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(yán)重的管線次生災(zāi)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5 m，肯定下面至少有5 m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3年數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì))

為了驗(yàn)證上述結(jié)論，委托哈爾濱工業(yè)大學(xué)城市交通和道路巖土力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室采用有限元法對道路空洞的極限承載力進(jìn)行了仿真計(jì)算。首先根據(jù)結(jié)構(gòu)和材料特點(diǎn)建立了道路的數(shù)值模型，見表2。

表2 道路模型的物理與力學(xué)參數(shù)

判斷道路下方既有孔洞發(fā)生塌陷的評價(jià)指標(biāo):

1)自重應(yīng)力+交通荷載作用下，按莫爾－庫倫強(qiáng)度準(zhǔn)則計(jì)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(biāo)準(zhǔn)軸載作用下，基層底部水平應(yīng)力大于其抗拉強(qiáng)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。可以看出:①不同規(guī)模的地下空洞向上發(fā)展到相應(yīng)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(fēng)險(xiǎn);②空洞規(guī)模越小，其塌陷臨界頂板厚度越薄;③在塌陷臨界狀態(tài)，洞頂部的脫空范圍會明顯增大。

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(dá)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)榭斩大w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。

表3 空洞尺寸及塌陷臨界時頂板厚度和脫空范圍

(2)天線陣構(gòu)成單元的深度和分辨能力的設(shè)計(jì)

城市道路塌陷防治要預(yù)防為主，這就要求預(yù)警雷達(dá)系統(tǒng)由空洞演變成塌陷災(zāi)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。在筆者所在單位研制的10余種天線中，選擇中心頻率400 MHz、270 MHz和100 MHz單體屏蔽天線構(gòu)成預(yù)警雷達(dá)系統(tǒng)的多波段天線陣(主要性能見表4)。原因在于:①首先它們都是屏蔽天線，能有效地抑制來自道路上空人工設(shè)施的干擾，適用于復(fù)雜的城市環(huán)境;②400 MHz和270 MHz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(yù)先探測到接近塌陷臨界點(diǎn)的空洞，同時又能探測到3 m以內(nèi)不具塌陷風(fēng)險(xiǎn)的小空洞，以便在道路日常養(yǎng)護(hù)中及時消除隱患;③100 MHz天線主要用于發(fā)現(xiàn)潛伏在道路深層、不具現(xiàn)實(shí)威脅的規(guī)模較大的空洞。可見，從天線陣構(gòu)成單元性能上，既保證了具備塌陷風(fēng)險(xiǎn)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(yù)警作用。

(3)天線陣排列方式設(shè)計(jì)

天線陣列具有探測效率高、數(shù)據(jù)豐富的優(yōu)點(diǎn)，但采用天線陣的方式進(jìn)行探測，不可避免地要遇到天線振子單元之間的互耦與通道串?dāng)_問題，因此需要結(jié)合探測方式對天線單元的分布進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)。為保證探測的準(zhǔn)確性，不存在探測盲區(qū)，天線單元之間的間距應(yīng)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(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，并進(jìn)行充分地試驗(yàn)，以實(shí)現(xiàn)探測無遺漏、全面覆蓋的要求。

探地雷達(dá)天線一般采用VV極化的工作方式進(jìn)行探測，即收發(fā)天線振子皆垂直于行進(jìn)方向水平放置，易于對道面以下的管線、電纜等目標(biāo)進(jìn)行識別。圖1為單個天線振子的輻射方向圖，圖(a)為天線在其行進(jìn)方向上，即H面的方向圖;圖(b)為行進(jìn)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(qiáng)，越偏離垂線方向，輻射能量越小。根據(jù)計(jì)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。

圖1 天線方向圖

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(shè)天線單元之間的間距為d，探測目標(biāo)深度為h，則有

實(shí)際天線單元間距應(yīng)小于式(1)計(jì)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(jìn)行計(jì)算并結(jié)合試驗(yàn)驗(yàn)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100 MHz、270 MHz和400 MHz各2副。100 MHz天線間距為d3=98.6 cm，400 MHz天線和270 MHz天線間距為d2=47.5 cm，400 MHz天線間距為d1=40.5 cm。

圖2 天線陣排列示意圖

天線陣實(shí)體總寬度185 cm，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(dá)檢車的機(jī)動性，并保證了行駛的安全性。100 MHz天線形成的輻射場與270/400 MHz天線形成的輻射場寬度相當(dāng)，可實(shí)現(xiàn)在2.3 m寬度內(nèi)無盲區(qū)檢測。圖3圓角矩形區(qū)域?yàn)樘炀€有效探測區(qū)域。

圖3 天線陣輻射場覆蓋區(qū)域示意圖

2.實(shí)用化設(shè)計(jì)成就道路災(zāi)害預(yù)警利器

(1)情景再現(xiàn)功能

當(dāng)RDFR道路災(zāi)害預(yù)警雷達(dá)進(jìn)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(dá)、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(jìn)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3種圖像之間實(shí)現(xiàn)相互檢索(如圖4所示)。這就是情景再現(xiàn)功能，通過這種功能可以對異常雷達(dá)圖像進(jìn)行綜合分析判斷，排除周圍設(shè)施、來往車輛的干擾，查看地表的表觀反應(yīng)等，進(jìn)而確認(rèn)病害的性質(zhì)。同時也可以輔助現(xiàn)場定位。

圖4 車載式道路災(zāi)害預(yù)警雷達(dá)系統(tǒng)的信息流

(2)全天時工作能力

針對城市道路擁擠堵塞的現(xiàn)實(shí)情況，夜晚出來進(jìn)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(zāi)害預(yù)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。

(3)病害定位城市坐標(biāo)化

道路災(zāi)害預(yù)警車采用RTK差分GPS系統(tǒng)對行車路線進(jìn)行了記錄，定位誤差不大于10 cm。在提交的檢測成果報(bào)告中，病害的位置均采用GPS坐標(biāo)予以描述，極大地方便了施工人員的現(xiàn)場定位。

(4)病害信息分析管理直觀化

在對道路病害種類進(jìn)行分析后，制定了雷達(dá)圖像解釋的結(jié)論符號規(guī)則，即用特定的符號對雷達(dá)圖像的異常區(qū)域進(jìn)行標(biāo)注后，處理軟件會自動把病害的種類、位置、深度等信息進(jìn)行記錄，每條測線對應(yīng)一個病害記錄報(bào)表。這些報(bào)表可以導(dǎo)入GIS分析平臺中，分析軟件可以對對應(yīng)路段的多條檢測結(jié)果進(jìn)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(jià)結(jié)果，同時也可以點(diǎn)擊病害標(biāo)示符查詢病害的具體屬性信息。

三、結(jié) 論

本文在分析城市道路空洞分布特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，論述了道路災(zāi)害預(yù)警雷達(dá)系統(tǒng)的核心技術(shù)——多波段探地雷達(dá)天線陣列設(shè)計(jì)，并對系統(tǒng)的特色功能進(jìn)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(fēng)險(xiǎn)的空洞，又充分預(yù)留了淺層小孔洞和深層大空洞的探測能力，能夠?yàn)榉乐沟缆匪菔鹿侍峁╊A(yù)警預(yù)報(bào)。

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(jī)動性和安全性。

3)針對城市道路空洞隱患探測的復(fù)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(shí)用性。

4)系統(tǒng)適時地提供了一種高效的實(shí)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(zāi)害預(yù)警雷達(dá)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(zāi)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。

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