探地雷達在江蘇鹽城市政道路檢測中的應用研究

摘 要：鹽城市地處我國東部沿海地帶，地下水位淺，地下土體壓縮性較高，強度低，易形成疏松土質，產(chǎn)生不均勻沉降，造成路面局部沉陷、開裂，長期發(fā)育形成道路空洞，從而導致道路塌陷。為了排查江蘇省鹽城市城區(qū)主干道地下病害分布情況，鹽城市利用探地雷達技術對共計100多千米城市道路展開探查，經(jīng)過初測、復測、定位、驗證等流程，共計發(fā)現(xiàn)空洞、脫空、疏松等782處病害體。文章分析了地下病害體形成原因，以及病害體具體位置與城市管網(wǎng)分布的關系，有針對性地為地下病害體處置提出了工作建議，實現(xiàn)了城市道路病害體的提前預知和提前處置。

關鍵詞：探地雷達；城市道路；無損檢測

中圖分類號：TP391；U418 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2024）20-0135-05

Research on the Application of Ground Penetrating Radar in Municipal Road Detection in Yancheng City， Jiangsu Province

CHEN Qinghua， CHEN Chen

（Yancheng Municipal Facilities Management Office， Yancheng 224000， China）

Abstract： Yancheng city is located in the eastern coastal zone of China， with shallow groundwater level， high compressibility of underground soil， low strength， and it is easy to form loose soil， which produces uneven settlement， resulting in local subsidence and cracking of the road surface. And the long-term development of road holes will lead to road collapse. In order to investigate the distribution of underground diseases on the main roads in Yancheng city， Jiangsu province， more than 100 kilometers of urban roads are explored by using ground penetrating radar technology. After initial test， retest， positioning， verification and other processes， a total of 782 voids， emptying， loose and other disease bodies are found. This paper analyzes the causes of underground disease bodies and the relationship between the specific location of disease bodies and the distribution of urban pipe network， and puts forward targeted work suggestions for the disposal of underground disease bodies to realize the advance prediction and disposal of urban road disease bodies.

Keywords： ground penetrating radar; urban road; nondestructive testing

0 引 言

城市道路是城市的重要基礎設施和組成部分，隨著我國城市化進程的不斷推進，城市道路規(guī)模越來越大，結構越來越復雜，由于道路車流量大、路面老化、路基沉降、雨水沖刷、路面滲水、地下管道漏水等原因，時常導致道路路面開裂、變形、沉降、塌陷等[1]，嚴重威脅人民生命和財產(chǎn)安全。

造成路面開裂、沉降、坍塌的主要原因是道路地下病害，其主要分為空洞、脫空、疏松、富水體，一般是由工程地質、水文地質和工程建設等作用相結合的產(chǎn)物，具有顯著的時空突發(fā)性、隱蔽性、隨機分布等特點[2]。路基病害與路面病害往往相互作用、相互影響。但由于路基病害的隱伏性，其危害性比路面病害更大；因此在道路病害的研究中，重點關注路基疏松、脫空和空洞病害的檢測和識別[3-4]。使用傳統(tǒng)方法如鉆探取心法效率低，容易損害道路，不適合大規(guī)模長距離的道路病害探測，不能對潛在的地下病害體進行預警和提前處置。地下小病害發(fā)展為造成重大經(jīng)濟損失和人員傷亡的路面大問題時才被人察覺。為了快速、準確、科學地探測道路病害問題，必須采用無損探測方法。探地雷達作為一種快速高效的無損探測方法，被廣泛應用于城市道路病害檢測[5]。探地雷達法具有精度高，效率快，連續(xù)無損，實時成像等優(yōu)點，是目前城市道路塌陷隱患探測的主要方法[6]。

摸清城市道路病害地下分布，保障城市可持續(xù)發(fā)展，是維護城市道路安全的一項重要任務[7]。道路病害的探測范圍廣，難度大，使用傳統(tǒng)方法（如鉆探取心法）效率低，檢測能力差，容易損害道路，不適合大規(guī)模長距離的道路病害的檢測。

為了快速、準確、科學地檢測道路病害問題，必須采用無損探測方法。探地雷達（Ground Penetrating Radar， GPR）向地下發(fā)射高頻電磁波并接收反射信號，通過解釋反射信號從而確認地下目標結構，作為一種快速高效的無損探測方法，被廣泛應用于城市道路病害檢測。鹽城市將探地雷達應用在城市道路地下病害檢測領域，積極解決困擾城市發(fā)展的城市病，及時發(fā)現(xiàn)潛在的地下病害，做到小病害早發(fā)現(xiàn)、早處置，有利于消除路面重大安全問題。

1 探地雷達檢測原理

探地雷達是用高頻無線電磁波來確定道路地下物質分布情況的一種地球物理方法，具有高分辨率、非接觸、高效率、抗干擾能力強等特點。探地雷達工作時，由發(fā)射天線向地下發(fā)射寬頻帶短脈沖形式的高頻電磁波（106～109 Hz），當電磁波在地下遇到與周圍介質有介電性差異的目標時，電磁波會發(fā)生折射，部分能量折射回地面被接收天線接收，通過分析接收天線接收到的回波信號，可以推斷出地下目標體的分布范圍、規(guī)模、結構特征，從而對地下道路病害體的探測[8]。接收天線接收到的脈沖波形走時為：

其中，z為反射體所在深度，x為發(fā)射天線和接收天線間的距離，v為波速。在實際測量中兩天線間的距離是確定的，通過測量到的脈沖波形走時便可確定出地下反射體的深度。

為了保證探測的準確性，還應該考慮探地雷達的分辨率和探測深度，分辨率就是分辨最小地下異常的能力[5]。探地雷達分辨率取決于電磁波波長，波長越短分辨率越高，探測就越精準；波長越長探測深度越深。因此在保證探測深度的前提下，盡量提高工作頻率縮短波長。

通過記錄脈沖反射波形，波形的正負峰分別用黑、白表示，可得到雷達圖像。

2 探測雷達應用

2.1 鹽城地質概況

鹽城市處于我國東部沿海地帶，位于長江三角輻射區(qū)，區(qū)內人口密集，經(jīng)濟交通發(fā)達，地勢低而平坦且河溝縱橫，水網(wǎng)密布，50 km以上的大型河流有12條。其地質構造為典型的沖積平原，區(qū)內地層主要為數(shù)百至數(shù)千米的第四紀與新近紀沉積物[9]。土層含水量高，整體透水性不佳，要表現(xiàn)為粉土、粉質黏土、淤泥質土等土層，地下水埋層淺，土層中的中小顆粒土隨著地下水活動逐步散失，粉土滲透系數(shù)較大，加速了水土流失速率，形成疏松土質，長期發(fā)育形成空洞，導致道路塌陷。淤泥質土壓縮性較高，強度低，易產(chǎn)生不均勻沉降，造成路面局部沉陷、開裂。

2.2 探測雷達在實際項目中的應用

按照鹽城市住房和城鄉(xiāng)建設局的要求，于2023年9月13日開始對鹽城市世紀大道、新都路、解放路、人民路、大慶路、西環(huán)路、青年路、建軍路、開放大道、毓龍路，共計10條（段）道路進行了探地雷達無損探測，排查上述道路塌陷隱患。良好的前期勘察工作對后期的雷達數(shù)據(jù)解釋有極大助力，項目探測作業(yè)開始前應對目標路段進行全面的現(xiàn)場勘察，主要勘察工作有：

1）確定目標路段道路的建成時間，道路墊層、基層、面層的材質及厚度，土層含水量，路面沉降問題。

2）確定目標路段的交通狀況，包括道路通行高峰期、車道分布、有無交通隔離欄。

3）確定目標路段周圍有無影響測量的在建工程項目（如頂管和拖拉管施工、地下通道施工基坑施工）。

4）確定目標路段道路變形、凹陷情況。

5）確定目標路段地下管線、管廊、窨井特別是自來水管線的分布情況。

結合前期勘察結果和現(xiàn)場實際情況對目標探測路段進行測線加密布設探測。

2.3 鹽城地下病害體

地下病害體一般是由工程地質、水文地質和工程建設等作用相結合的產(chǎn)物，具有顯著的時空突發(fā)性、隨機分布等特點，地下病害體主要分為空洞、脫空、疏松、富水體[1]。鹽城地下病害體如表1所示。

3 探測成果

3.1 數(shù)據(jù)處理與地下干擾

在對雷達數(shù)據(jù)進行分析之前，需要對探地雷達采集到的原始數(shù)據(jù)進行處理。數(shù)據(jù)處理可以壓制原始數(shù)據(jù)中的噪聲，增強信號，提高信噪比，提高病害的識別準確性[10]。探地雷達數(shù)據(jù)處理的一般流程可分為三步。第一步數(shù)據(jù)編輯：包括數(shù)據(jù)合并，廢道剔除，側線方向一致化，漂移處理。第二部常規(guī)處理：數(shù)字濾波，反褶積，偏移處理等。第三步：雷達圖像的增強處理。通過人工分析經(jīng)過處理后的雷達圖譜是否存在異常區(qū)域，可作為是否存在地下病害體的依據(jù)。

由于城市道路地下情況復雜，地下管線、管廊、窨井密布，其圖譜可能會對后期地下病害體圖譜的識別產(chǎn)生影響，降低病害體的識別準確率，故在項目正式開始探測前，應對所探測目標路段內的常見地下干擾物圖譜進行分類。鋼筋典型圖譜如圖1所示，窨井典型圖譜如圖2所示，管線典型圖譜如圖3所示，管廊典型圖譜如圖4所示。

3.2 典型病害體圖譜

為保證探測準確性，為后期采取處置措施提供便利，對初步判定為地下病害體的目標進行二次復測和鉆孔判定，其中脫空、空洞、疏松三種道路病害體易產(chǎn)生路面坍塌事故，對城市道路的威脅較大。

脫空指路面結構層與路基土層之間產(chǎn)生不連續(xù)接觸的現(xiàn)象，埋置深度淺，易在車輛荷載等因素作用下引發(fā)路面沉陷或塌陷?？涨粌羯睢?.5 m可判斷為脫空，其縱斷面探地雷達圖譜（B-Scan圖）繞射波多次波明顯，病害區(qū)域內振幅明顯增強，雷達波衰減較慢，頂部反射波與入射波同向，底部反射波與入射波反向，其初測圖譜如圖5所示，復測圖譜如圖6所示。

空洞指路基土層中發(fā)育的具有一定規(guī)模的空腔，上部土體或結構具有失穩(wěn)風險，易引發(fā)路面沉陷或塌陷?？涨粌羯睿?.5 m可判斷為空洞，其縱斷面探地雷達圖譜（B-Scan圖）繞射波多次波明顯饒射波兩側明顯，凈空較大時可見饒射交叉波，病害區(qū)域內振幅明顯增強，雷達波衰減較慢，頂部反射波與入射波同向，底部反射波與入射波反向，其初測圖譜如圖7所示，復測圖譜如圖8所示。

疏松指的是路基土層中局部土體的密實度明顯低于周邊土體，局部土體相對松散，浸水后易變形或流失，易引發(fā)土體的空洞，造成路面沉陷或塌陷。其縱斷面探地雷達圖譜（B-Scan圖）特征與脫空和空洞圖譜相似，其初測圖譜如圖9所示，復測圖譜如圖10所示，需經(jīng)實地鉆孔驗證后方可得出準確的結論。

3.3 病害體位置與相關性分析

本次雷達探測項目范圍內的10條路段，共發(fā)現(xiàn)782處病害體，其中空洞14處、脫空545處，嚴重疏松205處，土體疏松18處。根據(jù)原始雷達數(shù)據(jù)，雷達圖譜數(shù)據(jù)，病害體復測、鉆孔驗證，現(xiàn)場照片等數(shù)據(jù)，標注了各路段病害體目標的詳細位置，如圖11所示。

通過對10條路段病害分布情況分析，統(tǒng)計制作了各路段病害分布情況柱狀圖，如圖12所示，發(fā)現(xiàn)西環(huán)路、人民路、青年路、建軍路、開放大道、世紀大道，這些路段病害體密度較大，且存在較為嚴重的空洞病害，其主要原因是：上述路段車流量大，道路路面在機動車尤其是重載車輛的長期頻繁碾壓、震動下，易形成開裂、車轍、局部下沉等現(xiàn)象，破壞路面結構層，地表雨水下滲，軟化路基，引起土體流失，長期發(fā)育形成空洞，導致道路塌陷。

通過對已發(fā)現(xiàn)782處病害實地調查的基礎上，統(tǒng)計分析了病害位置與周邊基礎設施相關性如表2所示，發(fā)現(xiàn)與地下管網(wǎng)分布相關占比約為70%，其他因素占比約為30%。具體信息如下：雨水管線228處，約占比29%；污水管線61處，約占比8%；電力管線212處，約占比27%；燃氣管線13處，約占比2%；給水管線32處，約占比4%。周邊未發(fā)現(xiàn)基礎設施分布的病害共236處，占總比30%。

地下管網(wǎng)附近地下病害體分布較為密集，主要原因是：

1）地下管線的超期服役、管材老化損壞斷裂，造成帶水管道“跑、冒、滴、漏”等問題，引起土體軟化、濕陷下沉，形成swEIY5yvxB36jLZaIWqyCFwuoeo175fxkJAZNqvizCY=沉陷。涉水管線破損漏水同時將沖刷侵蝕路基土，形成掏空，逐步發(fā)育成空洞，尤其是壓力管道進一步加強了沖刷效應，加大了水土流失速率，最終引發(fā)道路塌陷。

2）道路下方或道路周邊進行頂管和拖拉管等非開挖施工時，可能會引起土體液化、管涌流砂、進出洞口漏水漏泥，出現(xiàn)水土流失現(xiàn)象，形成掏空垮落帶、松散發(fā)育帶和變形沉降帶，最終導致路面塌陷。頂管周邊土體注漿加固不到位，以及土體長期固結沉降（包括超孔隙水壓消散引起的主固結沉降，土體骨架蠕變引起的次固結沉降）時，也將形成水土流失帶、掏空垮落帶、松散發(fā)育帶和變形沉降帶，最終可能會形成地下空洞，引發(fā)道路塌陷。

3）鹽城地區(qū)河網(wǎng)密布，道路下方暗河、暗浜加固處理不到位，或回填土較松散、管線開挖回填不密實，路基土體透水性增強，路基土容易被地下水或管道漏水沖刷侵蝕、軟化路基，引起土體流失，逐漸發(fā)展形成空洞，導致道路塌陷。

4 病害體處置

參考《城市地下病害體綜合探測與風險評估技術標準》JGJ/T 437—2018，結合鹽城市地質條件及道路病害體特點，對鹽城市各類型道路病害體提出如表3所示的處置方法。

5 一般疏松 18 定期巡查、定期檢測

5 結 論

鹽城市市區(qū)主干道地下空洞預警探測項目利用探地雷達技術，對鹽城市世紀大道、新都路、解放路、人民路、大慶路、西環(huán)路、青年路、建軍路、開放大道、毓龍路，共計10條（段）道路進行了全面、高效的無損探測。經(jīng)過數(shù)據(jù)統(tǒng)計及分析，對存在的782處地下病害進行了精準分類和定位，確定了病害的性質、規(guī)模和發(fā)展趨勢，有利于消除鹽城市地下病害，推動了鹽城地下空間病害防治，極大降低了城市道路坍塌的可能性，為城市建設地下空間信息數(shù)據(jù)庫，動態(tài)監(jiān)控地下工程施工擾動和路面地下地質結構變化提供了寶貴數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了對塌陷隱患形成的提前預警，完成了從空洞探測到道路安全治理的跨越，保證了市民的出行安全。

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作者簡介：陳清華（1978—），男，漢族，江蘇響水人，高級工程師，學士學位，研究方向：市政工程建設管理；陳晨（1978—），男，漢族，江蘇射陽人，高級工程師，學士學位，研究方向：市政管理。