廣州地區(qū)城市道路病害探測(cè)圖譜與優(yōu)化方法

牛富俊，陳銀城

1. 華南理工大學(xué) 土木與交通學(xué)院，廣東 廣州 510006

2. 廣州地下綜合管廊研究中心，廣東 廣州 510006

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外頻繁發(fā)生的城市路面塌陷事故引起社會(huì)廣泛關(guān)注。塌陷是我國(guó)主要的地質(zhì)災(zāi)害類型之一，路面塌陷是塌陷災(zāi)害的重要表現(xiàn)形式。隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的加快和人類活動(dòng)的加強(qiáng)，城市道路塌陷災(zāi)害頻繁發(fā)生，對(duì)城市建設(shè)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅，造成了巨大的社會(huì)影響和經(jīng)濟(jì)損失。根據(jù)不完全公開(kāi)報(bào)告統(tǒng)計(jì)，近10 年，我國(guó)城市路面塌陷時(shí)有發(fā)生，以秦嶺淮河一線為南北分界線，我國(guó)南方城市由于在降雨頻繁、氣候濕熱等多因素綜合作用下，出現(xiàn)路面塌陷災(zāi)害的次數(shù)略高于北方城市[1]，東南沿海城市路面塌陷問(wèn)題更為嚴(yán)重[2]，因此，對(duì)南方地區(qū)的城市道路進(jìn)行系統(tǒng)性的地下病害檢測(cè)更為迫切。

廣州地區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜[3]，工程施工面臨的問(wèn)題大多為：珠三角區(qū)域海相黏土的地基處理問(wèn)題、活動(dòng)斷層及地裂縫問(wèn)題、復(fù)雜多元地質(zhì)結(jié)構(gòu)難題；砂土層的開(kāi)挖穩(wěn)定性問(wèn)題；上軟下硬地層的開(kāi)挖與擾動(dòng)控制問(wèn)題；復(fù)雜多樣的巖溶地質(zhì)情況等。而城市道路作為線性工程，其穿越的地質(zhì)類型復(fù)雜多樣，上述地質(zhì)問(wèn)題往往會(huì)成為城市道路塌陷問(wèn)題的誘因。廣花一級(jí)公路是連接廣州城區(qū)與花都區(qū)之間的省道，南起黃石路口北至花都區(qū)新華鎮(zhèn)街口，全長(zhǎng)18.4 km，雙向6～8 車道，大部分地段無(wú)人行道，機(jī)動(dòng)車與非機(jī)動(dòng)車混行，交通擁堵嚴(yán)重，道路已運(yùn)營(yíng)20 多年，沿線有地下綜合管廊建設(shè)，道路沿線可能存在多種地質(zhì)災(zāi)害，綜合管廊的施工可能造成廣花一級(jí)公路道路塌陷，給安全運(yùn)營(yíng)帶來(lái)極大的潛在隱患，因此有必要對(duì)廣花一級(jí)公路進(jìn)行路面探測(cè)。

路面隱性病害的探測(cè)手段主要有人工觀察法、鉆探法和物探法。人工觀察法方便快捷，但人為主觀性強(qiáng)，誤差大。鉆探法會(huì)對(duì)道路形成破壞，效率低，會(huì)對(duì)交通形成影響，而且其檢測(cè)是通過(guò)隨機(jī)取樣的方法來(lái)選取樣本點(diǎn)，檢測(cè)結(jié)果偶然性大。物探方法主要有面波法、高密度電法和探地雷達(dá)法[4]，面波法直接測(cè)定地層的速度，有利于探測(cè)地下介質(zhì)的密實(shí)程度，但方法本身易受道路車輛、地鐵及人類活動(dòng)振動(dòng)干擾，且采集效率較低；高密度電法無(wú)法避免電極接地的要求，且其受地上地下電線及帶電管線干擾較大；探地雷達(dá)法具有檢測(cè)速度快、精度高、可無(wú)損連續(xù)檢測(cè)和自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)[5]。廣花一級(jí)公路的實(shí)際探測(cè)作業(yè)中，遇到了道路無(wú)法封閉、道路地下管線復(fù)雜等問(wèn)題，因此探地雷達(dá)法是比較適用于廣花一級(jí)公路的探測(cè)方法。

但探地雷達(dá)目前仍存在許多關(guān)鍵技術(shù)需要解決。例如二維探地雷達(dá)探測(cè)速度慢、橫向分辨率低、探測(cè)準(zhǔn)確率低，三維探地雷達(dá)探測(cè)速度快、分辨率高、探測(cè)準(zhǔn)確性高，但探測(cè)深度有限。正確解釋探地雷達(dá)掃描圖像的基礎(chǔ)是合理選擇探測(cè)參數(shù)、處理數(shù)據(jù)得當(dāng)、足夠的模擬試驗(yàn)對(duì)比以及豐富的解釋經(jīng)驗(yàn)，雷達(dá)探測(cè)剖面通過(guò)對(duì)比前人探測(cè)地下管線以及地雷等障礙物方面模擬試驗(yàn)的成果對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行初步分類。郭士禮等[6]提出了探地雷達(dá)探測(cè)的重點(diǎn)區(qū)域及其測(cè)線布置原則，討論了采集參數(shù)設(shè)置及其數(shù)據(jù)采集質(zhì)量的評(píng)判方法，研究了正常道路、典型干擾源和典型道路隱性病害的地球物理特征及其對(duì)應(yīng)的探地雷達(dá)波組特征。劉敦文等[7]設(shè)計(jì)了一個(gè)由混凝土、礦粉和尾礦等材料制成的空腔試驗(yàn)?zāi)Ｐ?。模型預(yù)留空腔中分別充水、砂、泥和空氣進(jìn)行模擬試驗(yàn)。研究了探地雷達(dá)探測(cè)圖像中不同填充介質(zhì)的特征和差異，進(jìn)而識(shí)別出不同的填充介質(zhì)。Elkarmoty[8]和Diamanti 等[9]為了證明探地雷達(dá)波在粒狀物質(zhì)、干土和鹽漬物質(zhì)中的有效傳播，利用GPR 原位測(cè)定不均勻巖土體中介質(zhì)的介電常數(shù)，均取得了較好的結(jié)果。Capineri 等[10]針對(duì)地下地雷等障礙物進(jìn)行2 個(gè)室內(nèi)模擬試驗(yàn)。Onishi 等[11]利用GPR 區(qū)分濱海地區(qū)的淡水和鹽水的地下分界面。Paniagua 等[12]為了研究探地雷達(dá)對(duì)地下各種不規(guī)則障礙物的探測(cè)規(guī)律，將不同的材料和不同尺寸的材料埋在3 種介電常數(shù)不同的土層中進(jìn)行試驗(yàn)：得出了鐵桶、花崗巖墻體、砂層和板巖分界面、電纜、PVC 管以及金屬箱的探測(cè)圖譜。這些模擬試驗(yàn)均為研究者準(zhǔn)確識(shí)別探地雷達(dá)的探測(cè)目標(biāo)提供了幫助。但目前尚沒(méi)有完備的原位探測(cè)城市地下道路病害圖像的圖譜以幫助探測(cè)人員對(duì)城市道路探測(cè)結(jié)果的解譯。

為確保廣花一級(jí)公路安全運(yùn)營(yíng)以及其下部綜合管廊施工的順利進(jìn)行，需在道路改造前探明地下病害情況。本文以廣花一級(jí)公路地下綜合管廊及道路快捷化改造配套工程為例，闡述城市道路探地雷達(dá)檢測(cè)（GPR）的原理，并對(duì)檢測(cè)精度影響因素進(jìn)行了分析，通過(guò)實(shí)際檢測(cè)案例提出了正在運(yùn)營(yíng)的城市道路不封路條件下聯(lián)合二維和三維探地雷達(dá)的病害快速檢測(cè)優(yōu)化方法，建立了城市道路病害的檢測(cè)圖譜，以期為城市道路病害檢測(cè)工作提供參考。

1 探地雷達(dá)無(wú)損探測(cè)原理

GPR 采用非接地空氣耦合測(cè)量，可做快速連續(xù)檢測(cè)，檢測(cè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)一般為2～2.5 km，可以快速、直觀地表現(xiàn)檢測(cè)目標(biāo)。探地雷達(dá)技術(shù)成為地球物理勘探的重要方法之一，尤其是在正在運(yùn)營(yíng)且無(wú)法交通管制的城市道路病害檢測(cè)中得到廣泛的應(yīng)用。

在GPR 探測(cè)數(shù)據(jù)中，影響目標(biāo)體在城市道路下縱向定位精度的主要因素是雙向走時(shí)和電磁波速度。但在實(shí)際檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)，由目標(biāo)特性決定的雙行程時(shí)誤差很小，真正影響目標(biāo)定位精度的因素是波速。測(cè)定場(chǎng)電磁波速度的方法有很多，目前用于檢測(cè)中速度求解的方法主要?dú)w納為以下4 種[13]：

1）介電常數(shù)法

介電常數(shù)是物質(zhì)相對(duì)于真空來(lái)說(shuō)增加電容器電容能力的度量。介電常數(shù)ε與電磁波波速v的關(guān)系為

式中C為電磁波在真空中的傳播速度。

電磁波的反射系數(shù)計(jì)算公式為

式中：Ri為電磁波從介質(zhì)i-1 傳播到介質(zhì)i的反射系數(shù)；εi為介質(zhì)i的介電常數(shù)。如果Ri的絕對(duì)值大于零，表示2 種介質(zhì)之間存在介電特性差異，則邊界上將發(fā)生反射。

介電常數(shù)不僅可以決定電磁波的波速，還決定了邊界的反射特性。因此，正確分析GPR 探測(cè)數(shù)據(jù)需要對(duì)擬探測(cè)材料的介電常數(shù)進(jìn)行測(cè)定。通常，探地雷達(dá)的數(shù)據(jù)庫(kù)中儲(chǔ)存了各類典型介質(zhì)的介電常數(shù)，通過(guò)查找被測(cè)材料對(duì)應(yīng)的介電常數(shù)即可預(yù)測(cè)波速。但是查到的數(shù)據(jù)為被測(cè)材料的典型值，可能并不適用于當(dāng)?shù)禺?dāng)時(shí)的對(duì)象，尤其是材質(zhì)中水分的變化，往往對(duì)介電常數(shù)的大小影響很大。介電常數(shù)ε也可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定，但此方法需要足夠多的樣本，受實(shí)驗(yàn)室條件和設(shè)備的限制，具有一定的局限性。

2）幾何刻度法

該方法通過(guò)天線運(yùn)動(dòng)過(guò)程中來(lái)自地下目標(biāo)的電磁波的不同反射路徑得到電磁波在地下介質(zhì)中的傳播速度。幾何刻度法計(jì)算原理如圖1 所示。

圖1 幾何刻度法求取波速[13]

計(jì)算公式為

式中：t(x) 為當(dāng)前位置x到探測(cè)目標(biāo)體的雙程走時(shí)，t0為沿垂直路徑到探測(cè)目標(biāo)體的雙程走時(shí)，v為電磁波波速，W為反射路徑，H為目標(biāo)埋深。

3）共中心點(diǎn)(common depath point，CDP)法

共中心點(diǎn)法與幾何刻度法類似，原理如圖2所示。從發(fā)射到接收經(jīng)探測(cè)目標(biāo)體反射后的雙程走時(shí)為

圖2 CDP 法求取波速

式中：t(x)為偏移距x處的雙程走時(shí)，t0為零偏移距處的雙程走時(shí)。

可以看出，利用探地雷達(dá)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可反求出電磁波波速，但運(yùn)用的前提是已知目標(biāo)體的實(shí)際位置(如埋深等)，需要借助已有的城市道路管線物探資料等作為輔助計(jì)算參數(shù)。

4）霍夫變換法

霍夫變換是圖像處理中從圖像中識(shí)別幾何形狀的基本方法之一。在計(jì)算電磁波傳播速度時(shí)，首先通過(guò)霍夫變換確定地下目標(biāo)的反射曲線輪廓，然后利用類似幾何比例法的原理自動(dòng)計(jì)算波速。

在探地雷達(dá)對(duì)城市道路病害的探測(cè)中，計(jì)算電磁波波速是確保探測(cè)精度的關(guān)鍵之一。根據(jù)大量實(shí)驗(yàn)和實(shí)際探測(cè)工程經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，采用介電常數(shù)法、幾何刻度法、霍夫變換法以及共中心點(diǎn)法求出波速是可以實(shí)現(xiàn)的[14-19]，但具體操作中存在一些問(wèn)題，如：加固或修補(bǔ)過(guò)的混凝土路面受到鋼筋網(wǎng)片的多次反射影響，其探測(cè)波速很難得出精確結(jié)果；城市道路埋設(shè)了錯(cuò)綜復(fù)雜的市政管線，管側(cè)的不密實(shí)情況較多，且廣州地區(qū)地質(zhì)條件富水、復(fù)雜，致使共中心點(diǎn)探測(cè)條件不理想。

除介電常數(shù)法外，其他3 個(gè)方法都只能給出單一探測(cè)頻率下的介電常數(shù)數(shù)值，對(duì)于其他探測(cè)頻率工程無(wú)法使用。探地雷達(dá)的基本原理即電磁波在地下傳播過(guò)程遇到不同介電常數(shù)、電導(dǎo)率以及磁導(dǎo)率的介質(zhì)時(shí)，電磁波的傳播路徑及波形特征會(huì)發(fā)生相應(yīng)改變，采取合理方法對(duì)比分析雷達(dá)反射波的相位、頻率和振幅等參數(shù)的差異，結(jié)合探測(cè)目標(biāo)和周圍介質(zhì)的介電差異，可分析探測(cè)目標(biāo)的位置、形態(tài)等特征。

2 城市道路病害探測(cè)

城市道路地下病害主要包括土體松散、富水區(qū)、脫空和空洞[20]。上述類型病害是誘發(fā)道路塌陷發(fā)生的直接原因。為解決城市道路病害探測(cè)，需要關(guān)注上述病害問(wèn)題的探測(cè)圖像發(fā)生的位置信息（深度、平面位置）、病害類型、發(fā)育情況，因此探測(cè)目標(biāo)明確。雖然廣州地區(qū)地層復(fù)雜，特別是地下常水位位于地面以下1 m 以內(nèi)，這對(duì)雷達(dá)探測(cè)圖像的解譯工作造成了一定的影響。本次探測(cè)中采用真三維雷達(dá)(200 MHz)疊加32 位二維雷達(dá)(70 MHz+300 MHz)同步探測(cè)，基本可以消除深度、平面位置等因素的影響。

常規(guī)的數(shù)據(jù)解譯工作包含數(shù)據(jù)處理（雷達(dá)檢測(cè)、定位測(cè)量和攝影測(cè)量等）、異常識(shí)別和數(shù)據(jù)解譯，其中數(shù)據(jù)解譯一般情況下需要經(jīng)驗(yàn)豐富的解譯工程師完成。為克服經(jīng)驗(yàn)帶來(lái)的主觀誤差及解譯精度問(wèn)題，本文提出通過(guò)三維雷達(dá)初判與二維雷達(dá)深化相結(jié)合的方法，實(shí)現(xiàn)病害精確定位。解譯具體步驟為：1）拼接三維雷達(dá)數(shù)據(jù)模型；2）通過(guò)沿城市道路深度方向每0.1 m 為一個(gè)橫剖面，逐步剖切；3）確定雷達(dá)探測(cè)圖像異常點(diǎn)并定位和記錄異常點(diǎn)位置；4）對(duì)應(yīng)三維雷達(dá)探測(cè)圖像中異常點(diǎn)位置進(jìn)行二維雷達(dá)探測(cè)，得到二維雷達(dá)探測(cè)圖像。通過(guò)對(duì)物探資料中明確的地下通道和橋梁等地下構(gòu)筑物進(jìn)行判定，并驗(yàn)證在GPR 探測(cè)作業(yè)中的全球定位系統(tǒng)（global positioning system，GPS）定位信息是否準(zhǔn)確。

以本次探測(cè)出的某處病害為例，首先進(jìn)行三維探地雷達(dá)探測(cè)，找到異常點(diǎn)位置，拼接得到三維探地雷達(dá)探測(cè)出的圖像如圖3 所示。

圖3 深度為0.8～1.0 m 的三維雷達(dá)圖像

橫剖面位于地面以下0.8～1.0 m 時(shí)，圖像表現(xiàn)為弱反射特征，兩側(cè)為傾斜的水平狀反射波和不規(guī)則的散射波，頂界面強(qiáng)反射，界面底部呈連續(xù)水平狀反射波等特征，初判該位置存在道路病害；再對(duì)該異常點(diǎn)進(jìn)行二維雷達(dá)深入探測(cè)，得到該位置對(duì)應(yīng)的二維雷達(dá)探測(cè)圖像（圖4），對(duì)應(yīng)測(cè)線位置顯示出空洞的病害圖像特征，因此可快速地判斷該處存在空洞病害，并經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證。

圖4 深度為0.8～1.0 m 的二維雷達(dá)圖像

3 案例分析

3.1 檢測(cè)方案

本工程主要采用的MALA MIRA 200 MHz 8 通道三維雷達(dá)，其有效測(cè)幅寬度為0.91 m；廣花一級(jí)公路每條行車車道寬度約為3.75 m。由于GPR 探測(cè)作業(yè)中無(wú)法進(jìn)行交通管制，考慮到不能因探測(cè)工作造成廣花路繁忙交通狀況增添新的擁堵負(fù)擔(dān)，實(shí)際工作中在每條車道主體車轍位置布置測(cè)線，因此每個(gè)車道設(shè)置2 條測(cè)線。對(duì)于2 條測(cè)線之間的間隔采用Crossover CO730（70 MHz+300 MHz）雷達(dá)進(jìn)行檢測(cè)，基本可以對(duì)行車道全覆蓋。詳細(xì)測(cè)線布置示意圖如圖5 所示。

圖5 雷達(dá)測(cè)線布置

本檢測(cè)中雷達(dá)的布設(shè)盡量實(shí)現(xiàn)完整性和連續(xù)性要求；現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)狀況如圖6 所示。

圖6 GPR 現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)作業(yè)

3.2 檢測(cè)過(guò)程

二維及三維雷達(dá)檢測(cè)過(guò)程數(shù)據(jù)采集均采用車載式，由工程車輛牽引行進(jìn)，后方設(shè)置保護(hù)車。三維雷達(dá)定位系統(tǒng)采用RTK 實(shí)時(shí)定位方式，二維雷達(dá)采用內(nèi)置GPS 定位系統(tǒng)，測(cè)區(qū)周邊較為空曠，高大建筑物較少，基本無(wú)山體及樹(shù)木遮擋，GPS信號(hào)較為穩(wěn)定。檢測(cè)作業(yè)過(guò)程中通過(guò)奧維互動(dòng)地圖對(duì)每道測(cè)試數(shù)據(jù)的起終點(diǎn)進(jìn)行定位點(diǎn)布置。運(yùn)用這種方法可以高效地將雷達(dá)檢測(cè)結(jié)果與里程樁號(hào)進(jìn)行對(duì)應(yīng)，并將外置GPS 數(shù)據(jù)與奧維互動(dòng)地圖的數(shù)據(jù)相互校核。需要指出的是：檢測(cè)范圍中K0+000～K2+200 位于機(jī)場(chǎng)高速高架橋下方，影響GPS 信號(hào)，采用奧維互動(dòng)地圖設(shè)置定位點(diǎn)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)里程信息在檢測(cè)采集軟件中進(jìn)行了標(biāo)記，以實(shí)現(xiàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)與施工里程樁號(hào)的一一對(duì)應(yīng)。

現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)中三維探地雷達(dá)采用MIRASOFT采集軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集作業(yè)。

3.3 檢測(cè)結(jié)果

依據(jù)前述方法對(duì)本工程進(jìn)行了探測(cè)，快速有效地評(píng)估了本工程的道路病害。本次探測(cè)共檢測(cè)出55 處疑似病害區(qū)，包含溶洞、脫空、裂隙、土體松散、富水區(qū)等。圖7 為本次檢測(cè)的部分（里程K4+526～K4+650）雷達(dá)探測(cè)現(xiàn)場(chǎng)及部分解譯圖。

圖7 雷達(dá)探測(cè)現(xiàn)場(chǎng)及解譯圖

3.4 檢測(cè)圖譜

通過(guò)大量的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)作業(yè)，依據(jù)雷達(dá)圖像的解譯結(jié)果及相關(guān)規(guī)范和文獻(xiàn)對(duì)照，建立了廣州地區(qū)城市道路病害檢測(cè)圖譜，如圖8 所示。道路病害檢測(cè)圖譜包含：1）健康道路雷達(dá)圖像；2）5 種城市道路病害雷達(dá)圖像-土體不密實(shí)/富水區(qū)、松散、脫空、空洞、裂隙；3）地下基礎(chǔ)設(shè)施雷達(dá)圖像-金屬管線、井蓋、混凝土管道、箱涵等；4）特殊地質(zhì)情況雷達(dá)圖像-溶洞等。其圖譜特征如表1所示。

表1 城市道路病害圖譜

圖8 城市道路病害檢測(cè)圖譜

與規(guī)范《道路塌陷隱患雷達(dá)檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》（T/CMEA2—2018）中的檢測(cè)圖譜相比，用上述優(yōu)化方法建立的檢測(cè)圖譜圖像更加清晰，對(duì)其他道路病害檢測(cè)后的解譯工作也更有有參考價(jià)值，進(jìn)行解譯工作時(shí)，能更快速地分辨出異常點(diǎn)的準(zhǔn)確位置和病害類型，有利于道路病害的及時(shí)處理和復(fù)測(cè)。

4 結(jié)論

本文對(duì)正在進(jìn)行快捷化改造施工的廣花一級(jí)公路（里程K0+000～K18+400）道路進(jìn)行探地雷達(dá)探查，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)探地雷達(dá)檢測(cè)作業(yè)；并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、分析及解譯，得出以下結(jié)論。

1）提出了正在運(yùn)營(yíng)的城市道路不封路條件下，聯(lián)合二維和三維探地雷達(dá)的病害快速檢測(cè)優(yōu)化方法，以三維雷達(dá)圖像定位異常點(diǎn)位置，進(jìn)行病害初判，二維雷達(dá)深入檢測(cè)，根據(jù)得到的二維雷達(dá)圖像特征，判斷道路病害類型，實(shí)現(xiàn)道路病害的精確解譯。該優(yōu)化方法可以不阻斷交通，適用于核心城區(qū)的城市道路檢測(cè)。

2）依據(jù)雷達(dá)圖像的解譯結(jié)果及相關(guān)規(guī)范和文獻(xiàn)對(duì)照建立了廣州地區(qū)城市道路病害的檢測(cè)圖譜，相比于規(guī)范中的圖譜，本文建立的檢測(cè)圖譜圖像更加清晰，更有利于其他道路病害檢測(cè)后的解譯工作，以及道路病害的及時(shí)處理和復(fù)測(cè)。