探地雷達技術用于地下空洞塌陷災害探測的創新與實踐

王春和，胡通海，崔海濤，趙翠榮，陳 光

(中國電波傳播研究所，山東 青島266107)

一、引 言

中國的城市化發展是大勢所趨，到2050年城鎮居民比重將達70%，和世界上發達地區的許多城市相比，中國城市地下空間開發才剛起步，發展潛力巨大。隨著城市地下空間資源開發規模日益加大，引發地陷的因素不可逆轉的在增多，因此，城市地陷事故高企在所難免。可以預計，地陷將伴隨中國城市發展成為一個長期問題，那么探討如何解決問題，遏制塌陷事故的上升趨勢，最大限度減少、減輕災難，就變得現實而必要［1-2］。

我國現有的道路的標準和規范均是建立在表觀檢測數據基礎上進行量化評價，這些方法根本無法發現地面以下潛伏的災難性病害。對城市道路塌陷的防治目前基本上靠人工巡視，群眾舉報，其結果往往是防不勝防，難以奏效。采用先進的技術對城市道路進行常規普查巡檢，實現防患于未然是大勢所趨。

探地雷達通過發射天線向地下發射高頻電磁波，電磁波在地下介質中傳播時遇到存在電性差異的分界面時發生反射或散射，通過接收天線接收反射或散射回地面的電磁波，根據接收到的電磁波的波形、振幅強度和時間的變化等特征推斷地下介質的空間位置、結構、形態和埋藏深度。探地雷達以高分辨、高效率、無損、結果直觀等特點在工程物探領域得到了廣泛的推廣應用。道路結構層及土基和下方潛伏的充氣空洞、半氣半水空洞及沖水空洞的介電常數差異較大，因此，探地雷達技術十分適合道路空洞的探測。

綜上所述，探地雷達技術是解決城市道路塌陷災害的必然選擇，但針對城市道路環境的復雜性，在雷達技術的具體應用方法上還需要創新，既要處理好空洞大小和埋藏深淺矛盾，保證有效性;也要解決道路空洞隱患的綜合處理判斷方法，排除虛警，保證結果的準確性;還要提供操作容易，使用簡單的設備及方便與施工部門銜接的結論，滿足實用性要求。

二、探地雷達技術應用創新——車載式道路災害預警雷達系統

針對近年來我國城市道路坍塌事故高發的趨勢，在“十一五”期間，筆者所在單位開展了關鍵技術攻關，研發了RDFD-V01車載式道路災害預警雷達系統。該系統以完全自主知識產權的探地雷達陣列檢測技術為核心，融合高清晰線掃描圖像檢測技術和視頻景象記錄，輔以DGPS和里程計定位技術，以機動車輛為平臺，在巡航車速下對道路進行深度“CT”掃描，實現“由表及里、由淺入深”的高速精確探測，提前發現道路下方隱伏的空洞，并精確確定它們的位置、深度和范圍等信息，提前預警道路塌陷災害，為市政道路管理部門及時排除隱患提供有力的技術手段。

1.多波段天線陣列設計滿足道路空洞探測需求

(1)道路空洞的分布特點

交通部公路工程檢測中心的專項研究報告指出，道路表面下方3 m以內是路基載荷分布區，當空洞等病害進入這個深度范圍內時，才會影響道路結構和受力。因此，除極少數特別巨大的空洞外，絕大多數具有現實塌陷危險的空洞，洞頂至道路表面距離均小于3 m。這與城市道路塌陷災害現場調查的情況普遍一致。

北京市近3年塌陷深度的統計數據見表1，從中可歸納道路空洞的如下分布特點:

1)引發道路塌陷的病源深度集中12 m之內，其中0～5 m范圍內占80%。可見，塌陷與人工設施擾動是密切相關的，管網密集分布的深度范圍恰是塌陷病源的集中區域，絕大多數引起城市道路塌陷的空洞均與地下管線相伴生，是最嚴重的管線次生災害。

2)塌陷發生時，空洞頂板的厚度已經很小。比如，如果塌陷深度是5 m，肯定下面至少有5 m深的泥土流失，而這些泥土肯定主要是病源所在深度以上的，可推知，塌陷前洞頂厚度很有可能僅剩余道路自身的結構層。

表1 路面塌陷深度分布表(北京市近3年數據統計)

為了驗證上述結論，委托哈爾濱工業大學城市交通和道路巖土力學重點實驗室采用有限元法對道路空洞的極限承載力進行了仿真計算。首先根據結構和材料特點建立了道路的數值模型，見表2。

表2 道路模型的物理與力學參數

判斷道路下方既有孔洞發生塌陷的評價指標:

1)自重應力+交通荷載作用下，按莫爾－庫倫強度準則計算的洞頂上方的破壞區或屈服區貫通至基層底部。

2)標準軸載作用下，基層底部水平應力大于其抗拉強度，出現拉破壞。

表3列舉了若干尺寸的空洞臨界塌陷時空洞頂板的厚度及其脫空范圍。可以看出:①不同規模的地下空洞向上發展到相應深度才具有塌陷的可能，即只有規模足夠大且距離道路地表足夠近的空洞才具塌陷風險;②空洞規模越小，其塌陷臨界頂板厚度越薄;③在塌陷臨界狀態，洞頂部的脫空范圍會明顯增大。

綜上所述，道路空洞發生、演化的結果十分有利于發揮探地雷達技術的優點，因為空洞體積越大，頂板厚度越小，越有利于采用分辨率高的天線清晰地探測到空洞。

表3 空洞尺寸及塌陷臨界時頂板厚度和脫空范圍

(2)天線陣構成單元的深度和分辨能力的設計

城市道路塌陷防治要預防為主，這就要求預警雷達系統由空洞演變成塌陷災害的前期就能發現它，因此選擇天線的深度探測能力與分辨能力時要留有余量。在筆者所在單位研制的10余種天線中，選擇中心頻率400 MHz、270 MHz和100 MHz單體屏蔽天線構成預警雷達系統的多波段天線陣(主要性能見表4)。原因在于:①首先它們都是屏蔽天線，能有效地抑制來自道路上空人工設施的干擾，適用于復雜的城市環境;②400 MHz和270 MHz天線既有適中的穿透能力又有小空洞分辨能力，二者結合基本上保證100%預先探測到接近塌陷臨界點的空洞，同時又能探測到3 m以內不具塌陷風險的小空洞，以便在道路日常養護中及時消除隱患;③100 MHz天線主要用于發現潛伏在道路深層、不具現實威脅的規模較大的空洞。可見，從天線陣構成單元性能上，既保證了具備塌陷風險空洞的探測能力，又在分辨率和探測深度上留足了余量，爭取早期發現空洞隱患，真正起到預警作用。

(3)天線陣排列方式設計

天線陣列具有探測效率高、數據豐富的優點，但采用天線陣的方式進行探測，不可避免地要遇到天線振子單元之間的互耦與通道串擾問題，因此需要結合探測方式對天線單元的分布進行合理的設計。為保證探測的準確性，不存在探測盲區，天線單元之間的間距應盡量小，即在有效的寬度內排列更多的單元，但過小的間距又會帶來天線單元之間的耦合和干擾增加，降低系統信噪比，因此需要對天線單元之間的間距進行合理的設計，并進行充分地試驗，以實現探測無遺漏、全面覆蓋的要求。

探地雷達天線一般采用VV極化的工作方式進行探測，即收發天線振子皆垂直于行進方向水平放置，易于對道面以下的管線、電纜等目標進行識別。圖1為單個天線振子的輻射方向圖，圖(a)為天線在其行進方向上，即H面的方向圖;圖(b)為行進垂直方向上，即E面的方向圖。由天線方向圖可以看出，天線在地面以下的輻射能量分布大致為橢圓形，并且在其正下方即垂線方向的輻射能量最大，即探測能量最強，越偏離垂線方向，輻射能量越小。根據計算與測試，天線對地輻射信號經過地下介質的衰減與傳播后，其有效探測區域基本局限在其1.5倍天線口徑內的正下方，大致呈矩形分布。

圖1 天線方向圖

由圖1中天線E面方向圖可以看出，天線向下輻射的能量主要集中在±30°的角度內，設天線單元之間的間距為d，探測目標深度為h，則有

實際天線單元間距應小于式(1)計算值，而且d必須要大于天線振子長度，同時天線間距d又不能過小，以免引起單元之間的互耦。為保證陣列整體的緊湊和天線陣列所允許的最大寬度，針對公路病害深度探測需求，通過式(1)進行計算并結合試驗驗證，可得到天線單元之間的間距d。

本系統天線陣排列方式如圖2所示，共使用6副天線，中心頻率100 MHz、270 MHz和400 MHz各2副。100 MHz天線間距為d3=98.6 cm，400 MHz天線和270 MHz天線間距為d2=47.5 cm，400 MHz天線間距為d1=40.5 cm。

圖2 天線陣排列示意圖

天線陣實體總寬度185 cm，不會對旁邊車道行駛的車輛造成阻礙，且具備遇阻力自提升功能，提高了雷達檢車的機動性，并保證了行駛的安全性。100 MHz天線形成的輻射場與270/400 MHz天線形成的輻射場寬度相當，可實現在2.3 m寬度內無盲區檢測。圖3圓角矩形區域為天線有效探測區域。

圖3 天線陣輻射場覆蓋區域示意圖

2.實用化設計成就道路災害預警利器

(1)情景再現功能

當RDFR道路災害預警雷達進行探測工作時，在距離測量器(DMI)的觸發下，控制處理中心對6路探地雷達、2路路況視頻、1路路面高清圖像和差分GPS信號同步完成了數據采集。在進行內業時，分析員可以選擇同步回放上述所有圖像信息，也可以在3種圖像之間實現相互檢索(如圖4所示)。這就是情景再現功能，通過這種功能可以對異常雷達圖像進行綜合分析判斷，排除周圍設施、來往車輛的干擾，查看地表的表觀反應等，進而確認病害的性質。同時也可以輔助現場定位。

圖4 車載式道路災害預警雷達系統的信息流

(2)全天時工作能力

針對城市道路擁擠堵塞的現實情況，夜晚出來進行探測作業既不影響交通，又能盡量保持平直的探測路線，還能避免來往車輛的干擾，道路災害預警車均采用了紅外照明的圖像采集子系統，具備了全天時工作能力，極大地提高了系統的探測效率。

(3)病害定位城市坐標化

道路災害預警車采用RTK差分GPS系統對行車路線進行了記錄，定位誤差不大于10 cm。在提交的檢測成果報告中，病害的位置均采用GPS坐標予以描述，極大地方便了施工人員的現場定位。

(4)病害信息分析管理直觀化

在對道路病害種類進行分析后，制定了雷達圖像解釋的結論符號規則，即用特定的符號對雷達圖像的異常區域進行標注后，處理軟件會自動把病害的種類、位置、深度等信息進行記錄，每條測線對應一個病害記錄報表。這些報表可以導入GIS分析平臺中，分析軟件可以對對應路段的多條檢測結果進行聚類分析，并以病害的種類和密集度以彩色曲線的形式表示出優良中差的評價結果，同時也可以點擊病害標示符查詢病害的具體屬性信息。

三、結 論

本文在分析城市道路空洞分布特點的基礎上，論述了道路災害預警雷達系統的核心技術——多波段探地雷達天線陣列設計，并對系統的特色功能進行了簡要介紹，由此得出如下結論:

1)多波段天線陣的分辨能力和穿透能力既能保證探測發現具有塌陷風險的空洞，又充分預留了淺層小孔洞和深層大空洞的探測能力，能夠為防止道路塌陷事故提供預警預報。

2)多波段天線陣加大了測線的覆蓋寬度，提高了探測效率，同時保證了在城市道路上行駛的機動性和安全性。

3)針對城市道路空洞隱患探測的復雜性，提供了多方位的專業特色功能，貫穿了探測作業、綜合分析、結論管理全過程，提高了系統的實用性。

4)系統適時地提供了一種高效的實用的防治城市道路塌陷的解決方案。

總之，RDFD-V01車載式道路災害預警雷達系統探測速度快、探測深度大、探測幅面寬、探測定位精度高，是城市道路下方空洞等道路災害全面快速普查的專用裝備。該系統將能夠輔助政府主管部門，為市民安全出行提供保障。

［1］宋谷長，葉遠春，劉慶仁.北京市城市道路塌陷成因及對策分析［J］.城市道橋與防洪，2011(8):250-252.

［2］楊彩俠.城市道路路面塌陷成因初探［J］.山西建筑，2013，39(15):113-114.

［3］彭芳樂，清住真，高偉，等.空洞的存在對淺基礎承載力與沉降的影響分析［J］.巖石力學與工程學報，2007，26(6):1123-1131.

［4］劉輝，楊峰，楊軍生.空洞上方淺基礎地基破壞模式與極限承載力分析［J］.巖石力學，2010，31(11):3373-3378.

［5］戴長壽.南京中山南路路面塌陷原因淺析［J］.江蘇地質，1990(2):47-48.