地質(zhì)雷達(dá)在城市道路塌陷災(zāi)害中的應(yīng)用

陳晨

摘 要：針對(duì)各種原因?qū)е碌某鞘械缆匪轂?zāi)害日益增多的現(xiàn)狀，本文依托1-2兩個(gè)現(xiàn)場(chǎng)使用的實(shí)例，重點(diǎn)介紹了LTD-60 探地雷達(dá)綜合檢測(cè)系統(tǒng)這一國(guó)內(nèi)較為先進(jìn)的雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)，在詳細(xì)敘述其組成、工作原理和操作方法的基礎(chǔ)上，指出了地質(zhì)雷達(dá)在城市道路塌陷災(zāi)害中的應(yīng)用這一個(gè)充滿發(fā)展前景的方向。

關(guān)鍵詞：城市道路;塌陷災(zāi)害;地質(zhì)雷達(dá)

Abstract：In view of the increasing number of urban collapse disasters caused by various reasons，this paper relies on two examples which are used on the spot in 1-2，the LTD-60 Ground Penetrating Radar Integrated Detection System，a more advanced radar detection system in China，is emphasized.Based on the detailed description of its composition，working principle and operation method，the application of geological radar in urban road collapse disaster is pointed out，which is full of development prospect.

Key words：urban road;collapse disaster;geological radar

一、緒論

隨著我國(guó)城市化程度逐漸加深，城市道路建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，我國(guó)城市的地下管線、地下管廊、人防工程、地下商場(chǎng)建設(shè)，尤其是愈演愈烈的地鐵建設(shè)，使得城市地下空間資源開發(fā)規(guī)模和力度日益增大，隨之伴生的地下疏松、地層擾動(dòng)、支撐應(yīng)力變化、水土流失等地質(zhì)災(zāi)害不斷累加，進(jìn)而引發(fā)建筑物破損、道路塌陷等城市災(zāi)害事故，各種原因?qū)е碌某鞘械缆匪轂?zāi)害逐漸增多。2018年6月5日，河南省鄭州市突發(fā)一陣強(qiáng)降雨后市區(qū)一處主干道發(fā)生大面積塌陷，5名過(guò)路行人不幸掉入坑中;2018年8月15日陜西省西安市洪門子小吃街街口出現(xiàn)二三十平方米的塌陷;一輛轎車掉入其中，司機(jī)受傷;2018年8月23日15時(shí)許，蘭州市勝利路一處路面在毫無(wú)征兆的情況下，突然塌陷，數(shù)名行人墜入坑內(nèi)，坑洞內(nèi)還出現(xiàn)嚴(yán)重積水，步行街地下一層的商鋪，也因塌陷事件而全部停止?fàn)I業(yè)。2018年8月6日，江蘇省徐州市區(qū)發(fā)生路面塌陷，長(zhǎng)約9米，最寬處約3米;據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前全國(guó)遭受地陷沉降災(zāi)害的城市超過(guò)60個(gè)，分布于華北、東北、東南和西南等23個(gè)省、市、自治區(qū)。

城市道路塌陷災(zāi)害具有形成隱蔽時(shí)間長(zhǎng)、發(fā)生突然無(wú)預(yù)警、影響破壞范圍廣、防治治理難度大、災(zāi)害發(fā)生后難以恢復(fù)等特點(diǎn)，已成為影響我國(guó)現(xiàn)代化城市建設(shè)發(fā)展的主要災(zāi)害?？梢灶A(yù)計(jì)，地陷將伴隨中國(guó)城市發(fā)展成為一個(gè)長(zhǎng)期問(wèn)題，因此，探討如何解決、遏制塌陷事故的上升趨勢(shì)，最大限度減少、減輕災(zāi)難，及時(shí)引入先進(jìn)的探查預(yù)測(cè)設(shè)備和手段，及時(shí)準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)隱伏的城市道路塌陷災(zāi)害區(qū)段，是城市防災(zāi)減災(zāi)的重中之重。

二、LTD-60探地雷達(dá)綜合檢測(cè)系統(tǒng)

該系統(tǒng)是中國(guó)電科 22所基于軍工探雷技術(shù)自主研發(fā)成功的一套國(guó)內(nèi)先進(jìn)的探地雷達(dá)綜合檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)集成了陣列雷達(dá)系統(tǒng)、線掃描照相機(jī)、激光補(bǔ)光系統(tǒng)、高清晰視頻采集系統(tǒng)、激光斷面儀（提供車轍、平整度和構(gòu)造深度參數(shù)）等傳感器，輔以差分 GPS和車載 DMI定位技術(shù)，以機(jī)動(dòng)車輛為平臺(tái)，在正常車速下對(duì)地鐵沿線及重點(diǎn)道路的路面質(zhì)量、道路結(jié)構(gòu)層病害、路下裂隙和空洞、道路兩側(cè)的路況進(jìn)行全方位“CT”掃描，完成“由表及里、由淺入深”的高速精確探測(cè)，提前發(fā)現(xiàn)道路下方隱蔽的空洞，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，實(shí)現(xiàn)對(duì)城市路況的綜合評(píng)價(jià)和應(yīng)急保障，為市政道路管理部門及時(shí)排除隱患提供有力的技術(shù)手段。

同時(shí)將“路上病害、路下病灶”信息貫入到 GIS地理信息系統(tǒng)，城市道路管理部門籍此平臺(tái)可實(shí)時(shí)查詢、分析城市道路的全方位信息，并可配合應(yīng)用部門實(shí)現(xiàn)與“數(shù)字道路、智慧城市”平臺(tái)的對(duì)接。

（一）LTD-60探地雷達(dá)綜合檢測(cè)系統(tǒng)工作原理

探地雷達(dá)綜合檢測(cè)系統(tǒng)配置了六通道陣列雷達(dá)，由探地雷達(dá)主機(jī)、GC100MHz、GC270MHz、GC400MHz、GC900MHz 和 AL1.5GHz 五種頻率共十付天線組成。探地雷達(dá)工作時(shí)，向地下介質(zhì)發(fā)射一定強(qiáng)度的高頻電磁脈沖（幾十兆赫至幾千兆赫），電磁脈沖遇到不同電性介質(zhì)的分界面時(shí)即產(chǎn)生反射或散射，探地雷達(dá)系統(tǒng)接收并記錄這些信號(hào)，再通過(guò)進(jìn)一步的信號(hào)處理和解釋即可獲取地下空洞的大小、深度及方位信息（圖 2）。

（二）LTD-60探地雷達(dá)綜合檢測(cè)系統(tǒng)的組成

LTD-60探地雷達(dá)綜合檢測(cè)系統(tǒng)共有11個(gè)子系統(tǒng)組成：

（1）車載平臺(tái)：全順 17 座車（改造）承載雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行快速檢測(cè)。

（2）控制及顯示平臺(tái)及供電系統(tǒng)：LED液晶顯示器;控制整體系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、顯示和處理工作的2*2 組合系統(tǒng);綜合電源一臺(tái)，提供整體系統(tǒng)工作電源供應(yīng)及充電管理免維護(hù) 300AH24V蓄電池組。

（3）警示設(shè)備：警示燈及提示條，提醒行人規(guī)避，保證行車安全。

（4）系統(tǒng)控制及數(shù)據(jù)處理中心及決策平臺(tái)：系統(tǒng)控制、數(shù)據(jù)采集、同步融合、顯示、存儲(chǔ)及分析軟件，基于 GIS地理信息系統(tǒng)的查詢、數(shù)據(jù)同步、采集、顯示、處理、存儲(chǔ)、查詢及決策軟件，是整個(gè)系統(tǒng)的大腦。

（5）定位子系統(tǒng)：高精度GPS系統(tǒng)含定位設(shè)備和系統(tǒng)接口軟件，精度達(dá)到厘米級(jí)，作為系統(tǒng)工作觸發(fā)源（編碼器），并為系統(tǒng)檢測(cè)提供距離和時(shí)間標(biāo)定，用于缺陷及病害定位并可貫入到 GIS 系統(tǒng)。

（6）雙路光電編碼器。

（7）具備同步觸發(fā)和距離計(jì)量功能的道路塌陷災(zāi)害預(yù)警雷達(dá)子系統(tǒng)。

（8）雷達(dá)控制及六通道雷達(dá)主機(jī)。

雷達(dá)控制及同步單元：一套本系統(tǒng)提供多通道探地雷達(dá)系統(tǒng)，配置不同頻率陣列天線組合，可對(duì)路下由淺至深 0-5米范圍內(nèi)（視探測(cè)目的和介質(zhì)特性而定）的結(jié)構(gòu)層病害、地下坍塌、管線等隱蔽設(shè)施進(jìn)行探測(cè)、定位和預(yù)警，達(dá)到防患于未然的目的。

雷達(dá)控制及同步單元：一套（與⑧ 一起放到 LTD-60E 機(jī)箱）本系統(tǒng)提供多通道探地雷達(dá)系統(tǒng)，配置不同頻率陣列天線組合，可對(duì)路下由淺至深 0-2米范圍內(nèi)（視探測(cè)目的和介質(zhì)特性而定）的結(jié)構(gòu)層厚度及裂隙、脫空等病害進(jìn)行探測(cè)和定位，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)綜合探測(cè)車只是對(duì)道路表面路況進(jìn)行檢測(cè)的不足，真正實(shí)現(xiàn)了道路質(zhì)量綜合檢測(cè)評(píng)價(jià)。

（9）低頻陣列天線。地面耦合天線：GC400MHz兩副（含支架）GC270MHz兩副（含支架）GC100MHz兩副（含支架）。

（10）雷達(dá)系統(tǒng)軟件。探地雷達(dá)數(shù)據(jù)采集、顯示、處理及病害識(shí)別軟件及道路質(zhì)量綜合檢測(cè)評(píng)價(jià)子系統(tǒng)。

三、LTD-60探地雷達(dá)綜合檢測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)例

（一）在石家莊城市街道的應(yīng)用

進(jìn)入雨季以來(lái)，石家莊市區(qū)在多條主要的城市道路上，先后發(fā)生了多起城市道路塌陷的的地質(zhì)災(zāi)害，造成了較大的損失，相關(guān)部門雖然采取了各種措施，但由于城市道路塌陷所具有的特殊性，總是難以快速、準(zhǔn)確地探查明了那些隱伏潛在的再好危險(xiǎn)區(qū)段。

本項(xiàng)目針對(duì)石家莊市內(nèi)中山路的使用現(xiàn)狀，采用全路面精細(xì)覆蓋，配合差分 GPS進(jìn)行精確定位，全面評(píng)價(jià)平安大街青園街的路面路基情況，得到以下主要結(jié)論：

檢測(cè)路段存在的病害情況主要以層位錯(cuò)斷為主，有疑似空洞兩處，明顯空洞一處。下圖為探測(cè)成果圖的詳細(xì)解釋。

①114.49730834° 38.04266333° 2.50 0.74 2.24 疑似空洞

②114.50941336° 38.04229500° 5.60 0.44 2.10 層位錯(cuò)斷

③114.49731988° 38.04268238° 3.20 0.67 2.32 疑似空洞

④114.49571270° 38.04261753° 6.30 0.78 3.00 空洞

⑤114.50883001° 38.04236333° 3.50 0.60 1.18 層位錯(cuò)斷

（二）在廣州機(jī)場(chǎng)高速道路的應(yīng)用

利用綜合探測(cè)車對(duì)廣州機(jī)場(chǎng)高速長(zhǎng) 31.8km，雙向 8 車道的道路進(jìn)行了全覆蓋檢測(cè)，根據(jù)道路綜合評(píng)價(jià)規(guī)范要求，對(duì)道路面基層厚度、路面損壞狀況、路面平整度、路面車轍、構(gòu)造深度、路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、路基狀況、沿線設(shè)施狀況、路基脫空及水穩(wěn)層完整性等道路指標(biāo)進(jìn)行了自動(dòng)化記錄和調(diào)查，同時(shí)記錄了探測(cè)過(guò)程中的 GPS坐標(biāo)信息。

通過(guò)雷達(dá)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，機(jī)場(chǎng)高速部分路段破碎情況比較多，且大多以瀝青層下方水穩(wěn)層破碎為主，表面有大量的修補(bǔ)裂縫，有部分裂縫已經(jīng)對(duì)道路下方產(chǎn)生影響。通多對(duì)多處路下含水區(qū)域病害的分析，給出養(yǎng)護(hù)建議：查找水源、整治路基，防止涌水對(duì)瀝青結(jié)構(gòu)層的破壞，達(dá)到根治該處病害的目的。

四、結(jié)論

（1）隨著我國(guó)城市道路建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，隨之各種原因?qū)е碌某鞘械缆匪轂?zāi)害逐漸增多，城市道路塌陷災(zāi)害具有形成隱蔽時(shí)間長(zhǎng)、發(fā)生突然無(wú)預(yù)警、影響破壞范圍廣、防治治理難度大、災(zāi)害發(fā)生后難以恢復(fù)等特點(diǎn)，已成為影響我國(guó)現(xiàn)代化城市建設(shè)發(fā)展的主要災(zāi)害。

（2）LTD-60探地雷達(dá)綜合檢測(cè)系統(tǒng)為市政道路管理部門提前發(fā)現(xiàn)道路下方隱蔽的空洞，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，實(shí)現(xiàn)對(duì)城市路況的綜合評(píng)價(jià)和應(yīng)急保障，為及時(shí)排除隱患提供有力的技術(shù)手段。

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