基于探地雷達(dá)對(duì)化工廠道路路基病害隱患探測(cè)建模分析

郭 勇，寧興園，劉吉雷

(山東正元地球物理信息技術(shù)有限公司，山東 濟(jì)南 250101)

化工廠道路塌陷頻發(fā)嚴(yán)重威脅著人們的出行安全，對(duì)社會(huì)的影響極其惡劣。預(yù)防道路塌陷，成為了城市建設(shè)的一項(xiàng)重任。道路塌陷具有突發(fā)性、隱蔽性的特點(diǎn)，傳統(tǒng)的預(yù)防化工廠道路塌陷的方法主要通過(guò)人工巡視或者群眾舉報(bào)的方式發(fā)現(xiàn)，無(wú)法提前對(duì)道路下方潛伏的土地進(jìn)行預(yù)防，其結(jié)果總是無(wú)法預(yù)防?；S道路中涉及到的市政附屬設(shè)備較多，帶點(diǎn)線纜屬于電磁干擾源，如果使用高密度電法或者瞬變電磁法進(jìn)行抗電磁干擾干預(yù)，并不會(huì)起到理想的效果。探地雷達(dá)罰精度高、成像及時(shí)，在化工廠道路塌陷隱患探測(cè)中應(yīng)用效果較好。在城市的道路塌陷隱患探測(cè)中，為了提高信號(hào)信噪比，需要使用屏蔽型的探地雷達(dá)，即使使用此種天線，對(duì)化工廠道路周邊還是會(huì)造成一定的干擾，影響探地雷達(dá)的精度和準(zhǔn)確性，從而無(wú)法準(zhǔn)確的探測(cè)地下真實(shí)病害。因此，設(shè)計(jì)一款基于探地雷達(dá)的化工廠道路塌陷隱患探測(cè)模型，對(duì)于道路病害的準(zhǔn)確性探測(cè)具有十分重要的意義。

1 道路塌陷誘因

道路塌陷事故頻發(fā)，究其原因，可能是因?yàn)槌鞘械牡叵驴臻g工程建設(shè)較多，破壞了地下空間原有的平衡，讓地下出現(xiàn)了底層空洞，從而導(dǎo)致道路塌陷；也可能是因?yàn)榈叵鹿芫€年久老化，在經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的腐蝕后出現(xiàn)破裂，造成周圍土基的水土流失，從而導(dǎo)致道路塌陷；還有可能是因?yàn)榈叵鹿芫€的施工本身存在一定的問(wèn)題，如回填性不足所造成的土質(zhì)輸送，在車輛震動(dòng)和地下水雙重壓力下而發(fā)生流沙淘蝕，從而導(dǎo)致道路塌陷。不管出于哪種誘因，都需要對(duì)區(qū)域的地質(zhì)地球物理特征進(jìn)行研究。

以杭州某道路塌陷區(qū)域?yàn)槔?，圖1為剛開(kāi)始塌陷的現(xiàn)場(chǎng)。在地下塌陷區(qū)域，可以看到有多條管線埋設(shè)于此，大量的管線處于懸空狀態(tài)。污水管已經(jīng)發(fā)生斷裂，大量的污水溢出，流入地下空洞。為了保證周邊居民的安全，對(duì)塌陷現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了探測(cè)，并及時(shí)對(duì)斷裂管線進(jìn)行搶修。通過(guò)對(duì)路面進(jìn)行開(kāi)挖后，發(fā)現(xiàn)在道路方向塌陷區(qū)的四周，地表建筑物均有不同程度的損壞，車輛無(wú)法正常通行。

圖1 塌陷開(kāi)始時(shí)的現(xiàn)場(chǎng)

在塌陷區(qū)域，地層的巖性簡(jiǎn)單，地表為泥質(zhì)粉砂土，基巖為凝灰質(zhì)礫砂巖。塌陷區(qū)域淺地表存在人為改造，在開(kāi)挖的塌陷處，有瀝青、混凝土、回填土和地基層，具體數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 各基層電阻率及相對(duì)介電常數(shù)

根據(jù)表1可知，瀝青面層和混凝土層的電阻率較高，相對(duì)介電常數(shù)較低；回填層濕度大，因此相對(duì)介電常數(shù)要高于瀝青面層和混凝土層，隨著水量的增加，電阻率就會(huì)不斷降低。如果地下砂土受到二次沖刷，將會(huì)破壞持力層的平衡，從而形成塌陷空洞。當(dāng)周邊土層與塌陷空洞的相對(duì)介電常數(shù)之間存在較大差異，則需要使用探地雷達(dá)進(jìn)行塌陷空洞的探測(cè)。

2 探地雷達(dá)探測(cè)道路塌陷空洞原理

探地雷達(dá)作為一種探測(cè)技術(shù)，可以確定地下介質(zhì)的分布，其探測(cè)原理是利用發(fā)射天線向地下發(fā)射電磁波。當(dāng)發(fā)射的電磁波在傳輸?shù)倪^(guò)程中遭到塌陷空洞，電磁波發(fā)射的信號(hào)就會(huì)被地表接收天線接收，地表接收天線通過(guò)分析后，會(huì)對(duì)接收到的信息進(jìn)行反射波雙城走時(shí)與頻譜的準(zhǔn)備，從而判斷地下界面的結(jié)構(gòu)。

探地雷達(dá)在進(jìn)行道路塌陷探測(cè)的過(guò)程中，如果地層并沒(méi)有發(fā)生塌陷，且瀝青層與混凝土之間接近水平，則會(huì)在雷達(dá)的剖面表現(xiàn)出近似水平；如果地下層發(fā)生塌陷空洞，且空洞與回填土層之間存在明顯差異，則需要在雷達(dá)的剖面形成反射波同相軸。通過(guò)分析雷達(dá)剖面上的反射波，確定塌陷的位置。

3 化工廠道路塌陷隱患探測(cè)模型設(shè)計(jì)

3.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

為了對(duì)化工廠道路路基病害的過(guò)程進(jìn)行模擬，為建設(shè)化工廠道路塌陷隱患探測(cè)模型提供數(shù)據(jù)支撐，建立了化工廠道路路基病害的物力模型。將該模型置于道路塌陷事故的公聯(lián)搶險(xiǎn)指揮部中，按照化工廠道路的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行模型的修建，長(zhǎng)度為240 cm，寬度為40 cm，深度為40 cm，模型設(shè)計(jì)如圖3所示。在該模型中，包含了4個(gè)不同功能的模型，可以實(shí)現(xiàn)不同的功能，根據(jù)不同的類型管線和介質(zhì)條件，模擬路基病害的演變過(guò)程。使用探地雷達(dá)所采集到的模型病害數(shù)據(jù)，需要借助雷達(dá)數(shù)據(jù)處理軟件的方式，對(duì)路基病害的參數(shù)進(jìn)行提取，同時(shí)通過(guò)開(kāi)展道路模型在不受到動(dòng)載荷影響下，開(kāi)展關(guān)于路基密實(shí)度和應(yīng)變量的探測(cè)，為路基病害預(yù)警模型的建立提供支撐。

3.2 致險(xiǎn)因子與危險(xiǎn)等級(jí)

選取道路病害評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)于建立城市路基災(zāi)害預(yù)警模型十分重要，如果選擇的指標(biāo)無(wú)法實(shí)時(shí)反映病害的特征變化，則預(yù)測(cè)的結(jié)果會(huì)出現(xiàn)偏差。根據(jù)國(guó)內(nèi)外的相關(guān)研究，結(jié)合當(dāng)?shù)氐某鞘袪顩r建立物理模型。選擇的致險(xiǎn)因子為：空洞的長(zhǎng)和寬、埋深、含水率、孔隙率、電阻率以及相對(duì)介電常數(shù)。

化工廠道路的路基病害分為安全Ⅰ級(jí)、潛伏Ⅱ級(jí)以及危險(xiǎn)Ⅲ級(jí)3種狀態(tài)。

3.3 預(yù)警流程

概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。作為一個(gè)4層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，每一層都有其特定的功能，如輸入層，主要用于接收來(lái)自輸入向量的數(shù)據(jù)，并將其傳輸?shù)侥Ｊ綄又?；模式層主要?duì)輸入向量與節(jié)點(diǎn)的距離進(jìn)行計(jì)算，并將計(jì)算的結(jié)果反饋給求和層。

圖2 概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

基于概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的化工廠道路路基病害預(yù)警模型的建立，需要在概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的幫助下，對(duì)原始的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，通過(guò)建立預(yù)警模型的方式，嘗試使用不同的方式對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，并根據(jù)仿真的結(jié)果確定不同方式所得到的最佳值。最后對(duì)樣本的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取后，使用設(shè)定好的預(yù)警模型進(jìn)行探測(cè)，從而得到準(zhǔn)確的探測(cè)結(jié)果。

3.4 數(shù)據(jù)歸一化

數(shù)據(jù)歸一化處理實(shí)際上就是對(duì)原始的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，通過(guò)對(duì)病害評(píng)價(jià)指標(biāo)的分析，得到在不同的量綱情況下，如果不對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，將會(huì)影響到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出效果。采用Z-score標(biāo)準(zhǔn)化方式進(jìn)行歸一化處理，計(jì)算方式為：

式中：表示原始數(shù)據(jù)；表示均值；表示標(biāo)準(zhǔn)差；表示歸一化后的結(jié)果。

3.5 預(yù)警模型訓(xùn)練與仿真

在建立化工廠道路路基病害動(dòng)態(tài)演化模型過(guò)程中，采用收集樣本數(shù)據(jù)的方式，對(duì)不同的路基病害危險(xiǎn)等級(jí)進(jìn)行分析，使用Matlab神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱，建立路基病害預(yù)警模型，并對(duì)其進(jìn)行訓(xùn)練。

上述提到的概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，適用于分類問(wèn)題的解決，使用newpnn函數(shù)進(jìn)行概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的創(chuàng)建，其格式為：

net=newpnn(,,Spread)

式中、表示不同的矩陣;Spread表示擴(kuò)散的速度。

Spread的選取關(guān)系到網(wǎng)絡(luò)的性能，需要不斷的調(diào)整獲取最佳的Spread值，經(jīng)過(guò)多次的測(cè)試后，將Spread的值設(shè)置為1.0時(shí)得到的訓(xùn)練效果最好。以36組樣本建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，查看得到的分類結(jié)果，如圖3所示。

圖3 訓(xùn)練效果與誤差對(duì)比

根據(jù)對(duì)比結(jié)果，可以得到出現(xiàn)樣本判斷錯(cuò)誤的僅有2個(gè)。因此，需要對(duì)其進(jìn)行樣本預(yù)測(cè)，結(jié)果如表2所示。

表2 測(cè)試樣本

4 基于探地雷達(dá)的化工廠道路塌陷隱患探測(cè)分析

4.1 現(xiàn)場(chǎng)踏勘和探地雷達(dá)測(cè)線布置

化工廠道路交通環(huán)境復(fù)雜，干擾源較多，在使用探地雷達(dá)進(jìn)行探測(cè)之前，需要對(duì)道路的環(huán)境、結(jié)構(gòu)層厚度以及地下管的分布情況進(jìn)行詳細(xì)的調(diào)查，根據(jù)化工廠道路的特點(diǎn)，將地下走水管線作為現(xiàn)場(chǎng)踏勘的重點(diǎn)，明確標(biāo)出重要管線的埋設(shè)位置以及埋設(shè)深度，根據(jù)埋設(shè)的深度選擇使用不同的中心頻率探地雷達(dá)天線進(jìn)行探測(cè)。由于地鐵沿線的出入通道受到的干擾較大，極其容易出現(xiàn)土地疏松和塌陷的情況，因此需要將其作為重點(diǎn)踏勘區(qū)域。根據(jù)道路塌陷反復(fù)性的特點(diǎn)，對(duì)道路塌陷的區(qū)域進(jìn)行重點(diǎn)關(guān)注，為了保證路面可以盡快恢復(fù)完整，需要盡快找到誘發(fā)路面塌陷的原因。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)踏勘的情況進(jìn)行探測(cè)雷達(dá)測(cè)線的繪制，大多數(shù)情況下，探地雷達(dá)測(cè)線要與車道行車的方向保持平行，滿足全覆蓋的踏勘原則，讓每一個(gè)車道都要有一條探地雷達(dá)測(cè)線，且與天線的覆蓋區(qū)域保持重合。對(duì)于地下走水管線，要針對(duì)塌陷的區(qū)域進(jìn)行重點(diǎn)檢測(cè)。針對(duì)檢測(cè)出的病害，要追溯病害的現(xiàn)場(chǎng)位置和情況，采用網(wǎng)絡(luò)測(cè)線加密的方式進(jìn)行驗(yàn)證，從而判斷病害的類型，縮短病害的范圍，從而查找出出現(xiàn)嚴(yán)重空洞病害的原因，并對(duì)其進(jìn)行緊急救治，從而預(yù)防道路出現(xiàn)大的塌陷事故。

4.2 數(shù)據(jù)采集參數(shù)設(shè)置

在采集數(shù)據(jù)之前要對(duì)方案進(jìn)行反復(fù)對(duì)比，選擇最優(yōu)的采集方案，并遵照以下原則：

天線的選擇，要選擇合適頻率的天線，在不影響探測(cè)深度情況下，選擇中心頻率較高的天線，可以讓探測(cè)的深度和分辨率更加準(zhǔn)確， 同時(shí)也可以針對(duì)不同頻率的天線進(jìn)行重復(fù)檢測(cè)；

時(shí)窗的設(shè)置關(guān)系到最大探測(cè)深度與介質(zhì)的電波速度，因此一定要根據(jù)波速的變化和目標(biāo)體的深度進(jìn)行設(shè)定；

采樣率的設(shè)定要滿足采樣定律，采樣率要保證在反射波最高頻率的2倍以上，同時(shí)要及時(shí)記錄波形的完整性，讓圖像保持一定的清晰度，還要在不影響雷達(dá)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的情況下，讓采樣率的獲取效果更大；

道間距的設(shè)置要保持在天線移動(dòng)的速度之上，只要保證探地雷達(dá)系統(tǒng)的不偏離，才能夠保證道間距的設(shè)定值更加準(zhǔn)確，通過(guò)增加目標(biāo)體的方式，讓掃描次數(shù)更高，從而保證目標(biāo)成像可以更加清晰；

增益的設(shè)定實(shí)際上就是為了讓雷達(dá)波與能量保持一致，從而增強(qiáng)地下深層雷達(dá)反射波所具備的幅度更大，使用不同深度的雷達(dá)反射波，要考慮到反射系數(shù)的設(shè)定，同時(shí)還要保證雷達(dá)波振幅的最大值不能超出探地雷達(dá)測(cè)量的值，避免出現(xiàn)圖像失真情況。

4.3 化工廠道路地下病害探測(cè)的干擾識(shí)別與衰減

空中干擾

發(fā)生空中干擾的主要因素是由于地面上被遺棄的物體，在使用探地雷達(dá)進(jìn)行探測(cè)時(shí)，出現(xiàn)反射雷達(dá)電磁波，并在雷達(dá)的剖面上產(chǎn)生了固定圖像。由于這些物體的反射波是通過(guò)空氣傳播的，因此電磁波在空氣中所產(chǎn)生的傳播能量很小，主要出現(xiàn)的干擾波與振幅、頻率所發(fā)出的信號(hào)較為相似，波速為電磁波在空氣中的傳播速度不能超過(guò)0.3 m/ns。

地面干擾

地面干擾是通過(guò)探地雷達(dá)與地面之間產(chǎn)生的直達(dá)波所反映出的一種干擾情況，當(dāng)?shù)孛娴慕饘傥锱c非金屬物發(fā)生碰撞后，會(huì)產(chǎn)生反射波，這種干擾波的特點(diǎn)就是能量衰減小，且波形雜亂，會(huì)進(jìn)行多次反射，且在到達(dá)時(shí)間上要早于目標(biāo)回波。這些干擾容易縮短目標(biāo)回波的范圍，降低系統(tǒng)對(duì)于反射目標(biāo)的反映能力。因此，在使用探地雷達(dá)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的過(guò)程中，要重點(diǎn)將干擾波列為衰減對(duì)象，以保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

5 實(shí)例分析

當(dāng)前，探地雷達(dá)已經(jīng)在多個(gè)化工廠道路地下病害探測(cè)中得到了應(yīng)用，現(xiàn)以杭州為例，展開(kāi)探地雷達(dá)在探測(cè)道路地下病害的成效。

5.1 脫空

圖4是位于余杭塘路浙江大學(xué)附近通過(guò)三維探底雷達(dá)處理后得到的圖像。根據(jù)圖像可以看出，在剖面上橫坐標(biāo)上有一處脫空，大小2 m×2 m，埋深越50 cm左右。在剖面橫坐標(biāo)脫空不遠(yuǎn)處，有一處異常，根據(jù)地面雷達(dá)圖像分析后，得到此異常應(yīng)該是由于地表的地鐵沉降檢測(cè)樁所造成的。在橫坐標(biāo)的右側(cè)可以看到有一個(gè)過(guò)路管線，埋深大約不到1 m。

圖4 浙江大學(xué)附近三維探地雷達(dá)圖像

5.2 空洞

圖5是省政府一路段的三維探地雷達(dá)探測(cè)結(jié)果，在12 ns處有一水平切片，在紅色方框中存在一異常，位于道路南側(cè)，處于道路中心，南北長(zhǎng)度大于為40 cm，東西長(zhǎng)度大約為10 cm。從圖像上可以明顯看出有一雙層雙曲線信號(hào)樣式，可能為空洞。

圖5 省政府附近三維探地雷達(dá)圖像

5.3 回填不實(shí)

圖6為杭州印象城商場(chǎng)附近的三維探地雷達(dá)探測(cè)結(jié)果，在20 ns的一處有水平切片，在下圖有一垂且剖面，在剖面上，位于橫坐標(biāo)大約20 m處有一條過(guò)路管線，埋深大約為10 cm，橫坐標(biāo)大于15～20 m的地方顯示，雷達(dá)圖像雖然具有連續(xù)性，但地層處于下陷狀態(tài)，且顯示雷達(dá)的反射波比也十分嚴(yán)重，經(jīng)分析后，得到此處的異常應(yīng)該是回填不實(shí)所致。

圖6 杭州印象城附近三維探地雷達(dá)圖像

5.4 密實(shí)回填

圖7是位于杭州四季青步行街附近的三維探地雷達(dá)探測(cè)結(jié)果，在2 ns的地方有一處水平切片，在下圖有一垂且剖面，在剖面的橫坐標(biāo)大于45 m處應(yīng)該有過(guò)塌陷，并針對(duì)此處的塌陷進(jìn)行了回填處理，在雷達(dá)圖像上可以看出，此處塌陷的地方，回填處密實(shí)，而且回填的范圍顯示清晰，在橫坐標(biāo)大于60 cm的地方，污水井在水平切片上表現(xiàn)良好。

圖7 杭州四季青步行街附近的三維探地雷達(dá)圖像

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)三維探地雷達(dá)原理以及探測(cè)模型進(jìn)行系統(tǒng)分析，結(jié)合具體的工程實(shí)例，可以得出利用探地雷達(dá)探測(cè)道路地下災(zāi)害具有顯著成效。根據(jù)工程實(shí)踐的分析結(jié)果，對(duì)探地雷達(dá)探測(cè)道路地下病害的干擾方式進(jìn)行了分類，探地雷達(dá)對(duì)于存在物性差異的地質(zhì)，可以準(zhǔn)確得出探測(cè)結(jié)果，滿足對(duì)于化工廠道路地下病害探測(cè)的目的。這種形式不僅不會(huì)破壞道路表面，實(shí)現(xiàn)真正的無(wú)損探測(cè)，而且可以準(zhǔn)確確定地下災(zāi)害的類型和范圍，對(duì)其病害產(chǎn)生的原因進(jìn)行有針對(duì)性的解決，為智慧城市的建設(shè)助力。