探地雷達(dá)在城市道路地下空洞檢測(cè)中的應(yīng)用分析

周海怡,葉 茂,盛碧云,沈益斌,林穎典

(1. 浙江大學(xué) 海洋學(xué)院 舟山市 316021;2. 浙江省測(cè)繪科學(xué)技術(shù)研究院 杭州市 310012;3. 浙江省杭州市余杭區(qū)應(yīng)急管理局 杭州市 311121;4. 浙江省杭州市余杭區(qū)綜合行政執(zhí)法局市政綠化設(shè)施運(yùn)行保障中心 杭州市 311121)

0 引言

公路交通運(yùn)輸對(duì)我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展起著至關(guān)重要的作用,在公路網(wǎng)建設(shè)、服役過程中,會(huì)受到自然因素、疲勞效應(yīng)和突變荷載等多重影響,導(dǎo)致道路結(jié)構(gòu)損傷日益嚴(yán)重,因此,采用準(zhǔn)確有效的方法定位病害位置對(duì)保證龐大繁雜的公路網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)營(yíng)維護(hù)十分重要[1]。探地雷達(dá)探測(cè)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)道路病害的無損傷測(cè)量,實(shí)時(shí)采集路面下結(jié)構(gòu)缺陷信息[2]。

路用探地雷達(dá)在我國(guó)主要有四個(gè)方面的應(yīng)用:一是與落錘式彎沉儀結(jié)合,檢測(cè)道路各層位厚度;二是確定道路內(nèi)部結(jié)構(gòu)病害范圍;三是檢測(cè)內(nèi)部金屬部件缺陷;四是估算路基含水率等土力學(xué)指標(biāo)。但現(xiàn)有技術(shù)對(duì)道路內(nèi)部結(jié)構(gòu)的缺陷問題識(shí)別仍不夠準(zhǔn)確,并且在識(shí)別速度和數(shù)據(jù)處理精度上仍有待提高[3-4]。

為克服上述問題,文章分析了常見地下空洞形成原因,以及現(xiàn)有探地雷達(dá)技術(shù)優(yōu)勢(shì),制定全面的檢測(cè)流程與方案,對(duì)影響道路安全使用的隱蔽性不良地質(zhì)體進(jìn)行檢測(cè),包括空洞、脫空、富水區(qū)、土體疏松等,并確定其位置、大小和埋深。

1 道路地下空洞成因分析

道路地下空洞形成主要包含兩大因素:自然因素和人為因素,大多數(shù)情況下是兩者共同作用的結(jié)果[5-8]。自然因素:一是軟土、填土地基等不良地質(zhì)條件,二是地下水的靜力作用。人為因素:一是地下排水管道錯(cuò)位、破裂等造成路基滲漏,二是開挖地下隧道造成土體流失。

2 探地雷達(dá)技術(shù)

探地雷達(dá)是一種新興的無損檢測(cè)方法,最突出的優(yōu)點(diǎn)在于高分辨率,在橫向和縱向上都能高效地發(fā)射和接收電磁波,并且具有可連續(xù)探測(cè)的優(yōu)點(diǎn)。在硬件設(shè)備上,探地雷達(dá)相較于傳統(tǒng)檢測(cè)方法復(fù)雜繁重的設(shè)備裝置,更加便于攜帶,隨取隨用,且操作簡(jiǎn)單,探測(cè)速度快,節(jié)省人力物力。使用探地雷達(dá)進(jìn)行探測(cè)時(shí)無需開挖,對(duì)檢測(cè)目標(biāo)沒有損傷,通過剖面法對(duì)目標(biāo)體進(jìn)行探測(cè),結(jié)果可以直觀反映目標(biāo)體內(nèi)介質(zhì)的變化情況[9]。

探地雷達(dá)的高分辨率、高效率、無損檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn)在工程中得到了廣泛應(yīng)用,例如地質(zhì)勘查、橋梁工程等涉及肉眼不可見的道路內(nèi)部結(jié)構(gòu)的工程中。在探測(cè)效果上,探地雷達(dá)相較于傳統(tǒng)的鉆孔探測(cè)方法,能夠更加快速、全面地明確路面內(nèi)部結(jié)構(gòu)缺陷狀態(tài)信息,完成采空區(qū)探測(cè)、地質(zhì)結(jié)構(gòu)缺陷等勘察工作。探地雷達(dá)技術(shù)正在更成熟和更廣泛地應(yīng)用于通訊設(shè)施勘察、能源及礦產(chǎn)資源等更多領(lǐng)域[10]。

3 工程實(shí)例應(yīng)用

3.1 工程概況

文章所采取的工程實(shí)例范圍包括浙江省杭州市余杭區(qū)五常街道共計(jì)40條道路,合計(jì)道路長(zhǎng)度52.045km,檢測(cè)路段位置示意圖如圖1所示。

圖1 檢測(cè)路段位置示意圖

文章旨在利用雷達(dá)探測(cè)技術(shù)對(duì)規(guī)定范圍內(nèi)地面以下全部道路進(jìn)行地下空洞塌陷隱患探測(cè),對(duì)探測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析,確定道路塌陷隱患的位置、大小及埋深,評(píng)定風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。通過道路雷達(dá)探測(cè),以盡可能避免或減少由于道路基礎(chǔ)空洞或松散等原因造成的道路塌陷災(zāi)害,減少道路交通安全隱患,做到提早探測(cè)、預(yù)防、治理。

3.2 檢測(cè)方案

儀器設(shè)備采用IDS Stream UP地下空洞快速探測(cè)系統(tǒng),具有探測(cè)速度快、 深度大、 幅面寬、 定位精度高等優(yōu)點(diǎn),針對(duì)城市道路地下空洞等地下病害進(jìn)行全面快速檢測(cè),具有海量數(shù)據(jù)、多源數(shù)據(jù)一體化管理、快速展示、分析、統(tǒng)計(jì)等功能,能夠快速、無損、高精度地探測(cè)淺層、中層以及深層的道路異常,適用于大規(guī)模道路檢測(cè)。文章選配200MHz、600MHz天線對(duì)深度7m范圍內(nèi)的道路病害情況進(jìn)行掃描檢測(cè),同時(shí)檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)配置高精度定位設(shè)備與疑似復(fù)核設(shè)備。設(shè)備技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 IDS Stream UP地下空洞快速探測(cè)系統(tǒng)探地雷達(dá)技術(shù)參數(shù)

在現(xiàn)場(chǎng)踏勘基礎(chǔ)上,查閱相關(guān)道路施工資料,了解制定詳細(xì)的雷達(dá)檢測(cè)測(cè)線布置圖,并在檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)做好測(cè)線標(biāo)記、起始點(diǎn),以便檢測(cè)發(fā)現(xiàn)問題區(qū)域時(shí)及時(shí)復(fù)核。常規(guī)道路測(cè)線布設(shè)示意圖如圖2所示。

圖2 常規(guī)道路測(cè)線布設(shè)示意圖

采用的車載雷達(dá)綜合檢測(cè)系統(tǒng)(如圖3)配備有探地雷達(dá)、高精度定位設(shè)備和高清攝影測(cè)量設(shè)備,普測(cè)過程中,采集軟件能夠?qū)⒗走_(dá)數(shù)據(jù)、測(cè)線軌跡、經(jīng)緯度坐標(biāo)及周圍視頻影像信息實(shí)時(shí)保存。當(dāng)發(fā)現(xiàn)疑似隱患后,通過數(shù)據(jù)處理軟件可調(diào)取出隱患點(diǎn)處的測(cè)線長(zhǎng)度、經(jīng)緯度坐標(biāo)等信息。綜合利用隱患點(diǎn)距起訖點(diǎn)的測(cè)線長(zhǎng)度、經(jīng)緯度坐標(biāo)點(diǎn)放樣和現(xiàn)場(chǎng)視頻照片即可實(shí)現(xiàn)對(duì)隱患點(diǎn)的精準(zhǔn)定位。

圖3 車載雷達(dá)系統(tǒng)采集示意圖

當(dāng)確認(rèn)隱患點(diǎn)位置后,利用便攜式雙頻探地雷達(dá)對(duì)隱患點(diǎn)進(jìn)行復(fù)測(cè),并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)雷達(dá)圖譜與該點(diǎn)車載雷達(dá)采集圖譜進(jìn)行比對(duì),進(jìn)一步完成隱患點(diǎn)的排查。確認(rèn)病害目標(biāo)后,對(duì)病害位置、范圍進(jìn)行地面現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)注和拍照保留。再次完成對(duì)隱患點(diǎn)的精準(zhǔn)定位,處理軟件提取病害定位信息如圖4所示。

圖4 處理軟件提取病害定位信息

3.3 檢測(cè)結(jié)果分析

3.3.1地下病害體異常識(shí)別依據(jù)

土體疏松、脫空和空洞等病害體在探地雷達(dá)圖譜上可利用不同異常特征組合來有效識(shí)別病害類別。不同類別病害異常特征見表2,二維、三維典型異常圖像見圖5、圖6。

表2 不同類別病害特征

圖5 不同類型地下病害體在二維雷達(dá)剖面上的顯示

圖6 不同類型地下病害體在三維雷達(dá)時(shí)間切片上的顯示

3.3.2地下病害體風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分依據(jù)

不同類型的地面塌陷對(duì)應(yīng)不同形式的病害,按地下病害體類型劃分,根據(jù)《城市地下病害體綜合探測(cè)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ/T 437—2018)相關(guān)規(guī)定,相應(yīng)的工程特征包含以下四種類型[11-12]:

(1)脫空:范圍深度較淺,水平影響范圍較大。

(2)空洞:范圍大小不一,對(duì)上部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性構(gòu)成威脅。

(3)疏松體:范圍逐漸擴(kuò)大,常見于路基基層與面層之間。

(4)富水體:范圍較大,致使土體強(qiáng)度降低,工程條件變差,危及上部工程安全。

各類型按危害程度對(duì)應(yīng)不同風(fēng)險(xiǎn)等級(jí),各等級(jí)規(guī)定和風(fēng)險(xiǎn)控制對(duì)策如表3所示,如地下病害體風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)變化按相應(yīng)級(jí)別采取措施。

表3 地下病害體風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)及控制對(duì)策

4 結(jié)論

文章對(duì)城市道路地下空洞成因及探地雷達(dá)檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)介紹,基于現(xiàn)有檢測(cè)技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn),提出對(duì)道路下方7m內(nèi)基礎(chǔ)中的隱蔽性不良地質(zhì)體進(jìn)行檢測(cè),并選擇浙江省杭州市余杭區(qū)五常街道共計(jì)40條道路為工程實(shí)例對(duì)象,對(duì)測(cè)區(qū)內(nèi)車道進(jìn)行檢測(cè),合計(jì)道路長(zhǎng)度52.045km,車道長(zhǎng)度共295.06km,測(cè)線長(zhǎng)度497.77km。通過本次雷達(dá)探測(cè),共發(fā)現(xiàn)23處病害,19處土體疏松,4處掩埋井。針對(duì)檢測(cè)結(jié)論提出以下建議:

(1)對(duì)空洞、脫空區(qū)域盡快安排搶修處理,查明空洞形成原因后及時(shí)修復(fù),對(duì)影響區(qū)域范圍進(jìn)行回填處理,回填深度不得小于病害的最大影響深度。

(2) 排查檢測(cè)路段地下管網(wǎng)完好使用情況。

(3) 加強(qiáng)檢測(cè)道路日常巡查,對(duì)發(fā)生沉陷和龜裂情況的區(qū)域及路段,及時(shí)進(jìn)行雷達(dá)復(fù)測(cè),并保持長(zhǎng)期定點(diǎn)監(jiān)測(cè)。

(4) 對(duì)雨污水管道、地下管線密集區(qū)域、地鐵施工區(qū)等病害易發(fā)區(qū),進(jìn)行重點(diǎn)巡查監(jiān)測(cè),以保障道路安全運(yùn)行。