城市道路病害探測(cè)三維地質(zhì)雷達(dá)應(yīng)用技術(shù)

盧思同，陳 敏，袁家余

（上海市巖土工程檢測(cè)中心有限公司，上海 200436）

隨著城市現(xiàn)代化進(jìn)程的快速發(fā)展，城市道路的作用越來越重要。而近年來，城市路面塌陷事故頻發(fā)，嚴(yán)重危及生命財(cái)產(chǎn)安全[1-2]。國內(nèi)外先后將二維地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)引入到道路病害探測(cè)中，并取得了良好效果[3-4]。但仍存在較多問題，主要表現(xiàn)在：單天線檢測(cè)覆蓋性差、效率低；二維雷達(dá)檢測(cè)圖像判斷分析相對(duì)抽象，主要依靠檢測(cè)人員對(duì)設(shè)備及檢測(cè)技術(shù)的理解程度，檢測(cè)結(jié)果具有很大的不確定性[5]。這些都制約了地質(zhì)雷達(dá)在道路病害探測(cè)領(lǐng)域中的大范圍應(yīng)用和發(fā)展。三維地質(zhì)雷達(dá)法是近年來迅速發(fā)展起來的一種無損檢測(cè)技術(shù)[6]，具有快速、無損、連續(xù)檢測(cè)、檢測(cè)結(jié)果直觀等特點(diǎn)。三維地質(zhì)雷達(dá)可以利用車載的方式，對(duì)城市的道路交通影響小，并且日均的探測(cè)范圍大大增加，已經(jīng)越來越廣泛地應(yīng)用于城市工程建設(shè)檢測(cè)及道路病害檢測(cè)等領(lǐng)域，并為后續(xù)地下病害調(diào)查、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、安全監(jiān)測(cè)預(yù)警、道路維修改造與病害處治提供重要的技術(shù)支持[7]。

1 城市道路病害分析

1.1 病害成因

城市道路病害一般指存在于地面以下的空洞、脫空、疏松體、富水體等威脅城市道路安全的地下不良地質(zhì)體。其中：空洞定義為地下因水土流失形成或自然發(fā)育形成的具有一定規(guī)模的洞體；脫空定義為道路水泥混凝土路面、半剛性基層瀝青路面、白改黑路面的一種結(jié)構(gòu)層間不連續(xù)的病害，以及道路剛性層與土層之間脫開小于10 cm的空腔病害。

通過對(duì)道路病害分布情況與地下管線狀況、降雨量、工程地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件及工程建設(shè)等因素之間相關(guān)性的綜合分析，結(jié)合多年道路病害項(xiàng)目普查及詳查的經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)道路病害成因如下：

（1）路基回填不密實(shí)產(chǎn)生脫空、疏松

當(dāng)?shù)缆仿坊┕ぁ㈤_挖鋪設(shè)地下管道施工等產(chǎn)生的回填土不密實(shí)，路基土在自重固結(jié)沉降及外荷載等作用下逐漸密實(shí)，地基土與路面剛性板之間形成脫空道路病害，原有的地基土因不密實(shí)形成疏松病害。

（2）管線（溝）及井室結(jié)構(gòu)性損壞導(dǎo)致水土流失

區(qū)域內(nèi)分布有排水、給水、箱涵、通訊、電力等地下綜合管線，當(dāng)管線（溝）及井室在不均勻沉降、道路超載等作用下，若年久失修容易發(fā)生錯(cuò)位、脫節(jié)、破裂、滲漏等結(jié)構(gòu)性損壞，上覆土體（尤其是淺層砂性土）在降雨、管道或箱涵滲漏等水動(dòng)力及自身重力作用下，沿?fù)p壞處流失到管道或箱涵內(nèi)導(dǎo)致地下水土流失形成空洞。

（3）地下工程及周邊基坑施工產(chǎn)生水土流失

當(dāng)?shù)缆犯浇罔F深基坑、盾構(gòu)或頂管等地下工程降水、施工時(shí)，由于地鐵隧道或頂管施工、基坑開挖卸載造成水土平衡破壞產(chǎn)生的位移、水土流失，導(dǎo)致附近路基出現(xiàn)空洞、脫空、疏松等道路病害。

1.2 誘發(fā)因素

（1）降雨量

上海市降雨季節(jié)性變化很大，年降水60%以上集中在汛期（5～9月），7月、8月降雨尤為集中。由于降水量在固定季節(jié)集中，局部地區(qū)地勢(shì)低洼處在汛期可能出現(xiàn)積水成澇。由于無法快速排澇，粉土、砂性土在雨季浸泡沖刷下誘發(fā)形成土體疏松。而城市大型泵站排水作業(yè)后，在水動(dòng)力作業(yè)下浸泡土體隨排水管道快速流失，加劇土體空洞、疏松的形成。因此，雨季是上海市道路病害的高發(fā)季節(jié)。

（2）地下水

對(duì)于地鐵盾構(gòu)、頂管及深基坑施工，潛水、承壓水是水土流失的主要誘發(fā)因素。尤其是承壓水水位較高的區(qū)域，若存在地下管道、箱涵等滲漏及上層滯水、層間水，施工措施不夠嚴(yán)密，易造成水土流失，誘發(fā)地面塌陷病害。

（3）道路超載

道路超載是近年來城市道路病害主要誘發(fā)因素，由于道路超載使路基產(chǎn)生較大沉降，當(dāng)沉降量超過原有的地下設(shè)施（如管溝、人防、廢棄井室等）允許沉降量時(shí)，會(huì)造成地下設(shè)施結(jié)構(gòu)性破壞，進(jìn)而引發(fā)水土流失，周邊土體產(chǎn)生的疏松、空洞等病害。道路周邊正在施工的建設(shè)工程，由于施工已經(jīng)造成較明顯的土體位移，大型載重貨車、工程車的超載又對(duì)道路產(chǎn)生過大的附加荷載，這也是道路塌陷病害的誘發(fā)因素之一。

2 三維地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)技術(shù)

2.1 技術(shù)原理

地質(zhì)雷達(dá)是通過發(fā)射天線（T）向地下發(fā)射高頻短脈沖電磁波，由接收天線（R）接收反射波，并根據(jù)其回波旅行時(shí)間t（又稱雙程走時(shí)）、幅度與波形資料，經(jīng)過圖像處理和解譯，以確定地下界面或地下介質(zhì)的空間分布[8]。地質(zhì)雷達(dá)法（電磁波反射法）是根據(jù)地下介質(zhì)的電性差異，利用天線向地下發(fā)射電磁脈沖，并接收地下不同介質(zhì)界面的反射波。通過分析反射波的特征和路徑時(shí)間，可以判定地下介質(zhì)的結(jié)構(gòu)及界面的埋深[9]。由于地下隱患區(qū)域與周圍的土層介質(zhì)在物理性質(zhì)（介電常數(shù)、導(dǎo)電率、磁導(dǎo)率）上存在較大的差異，在連續(xù)剖面上利用相同深度上地質(zhì)雷達(dá)儀發(fā)射的電磁波經(jīng)過地下隱患體（空洞、空隙、疏松）和土層產(chǎn)生的反射波在波形、相位、速度、能量等方面差異，可分析地下隱患體的邊界情況及埋深[10]。根據(jù)這些特征在剖面上的變化情況，就可以得到地下隱患的部分信息。地質(zhì)雷達(dá)工作原理示意如圖1所示。

圖1 地質(zhì)雷達(dá)工作原理Fig.1 Working principle of GPR

2.2 數(shù)據(jù)采集

選用瑞典MALA公司生產(chǎn)的MIRA三維陣列地質(zhì)雷達(dá)8通道200 MHz陣列天線。該雷達(dá)系統(tǒng)采用并行數(shù)據(jù)處理技術(shù)，能做到多個(gè)通道、高速采集。同時(shí)配合RTK GPS進(jìn)行實(shí)時(shí)定位，攜帶三維濾波雷達(dá)數(shù)據(jù)處理軟件rSlicer，能實(shí)現(xiàn)三維數(shù)據(jù)處理，及時(shí)顯示地質(zhì)結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)、地下管道及地下空洞等地下異常體的埋深及分布形態(tài)。天線陣列分布示意見圖2。

圖2 MALA三維陣列雷達(dá)200MHz 8通道天線陣列分布示意圖Fig.2 Distribution diagram of 200MHz 8-channel antenna array of MALA 3D GPR

2.3 檢測(cè)參數(shù)

在探測(cè)作業(yè)中，三維雷達(dá)天線加載GPS，由于城市道路附近往往有較多高樓遮擋衛(wèi)星信號(hào)，影響測(cè)量定位收斂速度，因此探測(cè)速度不宜過快。200 MHz頻率天線在采樣點(diǎn)數(shù)和采樣間隔固定時(shí)，數(shù)據(jù)采集疊加2次，采樣速度20～30 km/h比較符合實(shí)際探測(cè)情況，既保證數(shù)據(jù)質(zhì)量，又提高探測(cè)效率。根據(jù)現(xiàn)階段的儀器綜合性能，經(jīng)過多年數(shù)據(jù)采集的經(jīng)驗(yàn)，形成三維地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)頻率天線參數(shù)建議值，如表1所示。

表1 三維地質(zhì)雷達(dá)（200 MHz）天線參數(shù)值Table 1 Antenna parameter values of 3D GPR (200 MHz)

3 工程應(yīng)用分析

3.1 案例1：閔行區(qū)江樺路地面塌陷應(yīng)急探測(cè)

（1）工程概況

2019年8月18日傍晚17:30左右，一輛土方車由西向東經(jīng)過江樺路（浦錦路—浦馳路）后，該路段發(fā)生一處地面塌陷。架設(shè)三維激光掃描儀對(duì)塌陷路段進(jìn)行掃描（圖3a），現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量得知，該地面塌陷規(guī)模約5.3 m × 4.0 m × 2.4 m。開展三維地質(zhì)雷達(dá)及二維地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)，共完成三維地質(zhì)雷達(dá)測(cè)線6條，約300 m，二維地質(zhì)雷達(dá)測(cè)線10條，約230 m，布線方式采取順向布線，沿塌陷區(qū)域路面一側(cè)滿域布置。

現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)時(shí)，道路已經(jīng)封閉，市政搶修隊(duì)已進(jìn)場(chǎng)，場(chǎng)地內(nèi)堆放搶修材料，現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)場(chǎng)地有限，三維地質(zhì)雷達(dá)采用人工拖拉方式探測(cè)（圖3b）。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)塌陷區(qū)內(nèi)存在一根埋深約2.5 m，直徑約600 mm的污水管道，路基層及路面瀝青層散布在坑內(nèi)，管道已經(jīng)損壞。

圖3 三維激光掃描(a)與三維地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)(b)Fig.3 3D laser scanning (a) and 3D GPR detection (b)

（2）結(jié)果分析

經(jīng)三維雷達(dá)探測(cè)后水平切面顯示塌陷邊緣淺表存在大片閉合、內(nèi)部顏色單一，尺寸約為2.9 m × 2.7 m，面積約7.0 m2，切片深度約為0.13 m的圖形陰影異常（圖4）。從左上方的垂直剖面圖中可以看出，反射波組形態(tài)表現(xiàn)為平板狀，且有一定的延伸規(guī)模；頂界面具有同向性、連續(xù)性等特征。通過對(duì)探測(cè)結(jié)果分析，發(fā)現(xiàn)塌陷點(diǎn)周邊一定范圍內(nèi)的多條測(cè)線上存在疑似空洞的雷達(dá)反射波異常（圖5），將每條測(cè)線上的異常點(diǎn)展布到平面圖上圈定出疑似塌陷范圍（圖6）。

圖4 地表淺部0.13 m脫空三維雷達(dá)成果圖Fig.4 0.13 m airborne 3D GPR achievement map at the shallow surface

圖5 三維激光掃描塌陷區(qū)俯視圖（左）及側(cè)視圖（右）Fig.5 3D laser scanning top view (left) and side view (right) of the subsidence area

圖6 地表淺部0.13 m脫空三維雷達(dá)成果圖Fig.6 0.13 m airborne 3D GPR achievement map at the shallow surface

根據(jù)探測(cè)結(jié)果，現(xiàn)場(chǎng)尋找對(duì)應(yīng)部位，查看后發(fā)現(xiàn)塌陷邊緣存在地表瀝青層與混凝土路基層空洞。空洞頂距離地面約0.12 m，空洞頂?shù)赘叨燃s為7 cm，其面積、深度與探測(cè)結(jié)果基本一致。

道路空洞是發(fā)育于路面結(jié)構(gòu)層面之間或結(jié)構(gòu)層底面與下臥土層頂面之間的凈空小于等于20 cm、水平方向有一定延伸寬度的規(guī)模較小的空隙。本處空洞是道路塌陷引起的“連鎖反應(yīng)”，在塌陷一瞬間，塌陷處路基下部結(jié)構(gòu)（水穩(wěn)層、混凝土層）在坍塌過程中連帶周邊路基下沉，空洞處地表瀝青層保持穩(wěn)定，從而形成空洞。

通過對(duì)二維雷達(dá)、三維雷達(dá)探測(cè)結(jié)果、三維激光掃描結(jié)果及現(xiàn)場(chǎng)塌陷分布情況的綜合分析，判定該處道路塌陷是由于污水管道破裂導(dǎo)致水土流失，掏空路基，在地面重型卡車經(jīng)過后剛性路面承載力無法承受后瞬間塌陷。

3.2 案例2：大渡河路重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域探測(cè)

（1）工程概況

2019年6月初上海市地礦工程勘察院地面塌陷巡查工作組在巡查過程中發(fā)現(xiàn)大渡河路（金沙江路—同普路）東側(cè)路面存在2處明顯凹陷，其中位于中間綠化帶側(cè)的1處凹陷出現(xiàn)明顯破碎、下沉。2處地面凹陷處下方主要存在DN2460合流污水管、DN600雨水管、電力管線、燃?xì)夤芫€以及15號(hào)線上行線隧道。

（2）結(jié)果分析

水平切片截圖測(cè)線4～9范圍約36.0～43.0 m之間對(duì)應(yīng)垂直切片截圖中9.7～17.0 m處，時(shí)間0～10 ns范圍存在多處同相軸錯(cuò)亂，呈拋物線狀，推測(cè)地下0.5 m范圍內(nèi)可能存在淺部空洞，命名為疑似地面病害隱患區(qū)YHD9-1；

水平切片截圖測(cè)線4～9范圍約29.0～35.7 m之間對(duì)應(yīng)垂直切片截圖中4.0～11.0 m處，時(shí)間0～40 ns范圍存在較厚的反射層且形成多次反射波，結(jié)合路面多次修補(bǔ)推測(cè)可能存在空隙層，命名為疑似地面病害隱患區(qū)YHD9-2；

水平切片截圖測(cè)線4～9范圍約43.0～49.0 m之間對(duì)應(yīng)垂直切片截圖中17.0～23.0 m處，時(shí)間0～40 ns范圍存在較厚的反射層且形成多次反射波，結(jié)合路面多次修補(bǔ)推測(cè)可能存在空隙層，命名為疑似地面病害隱患區(qū)YHD9-3（圖7）。

圖7 疑似地面病害隱患區(qū)三維雷達(dá)數(shù)據(jù)水平切片截圖Fig.7 Horizontal section screenshots of 3D GPR data in suspected ground collapse affected area

從垂直切片圖8中可以看出，探測(cè)到的三處隱患在垂直切片圖的對(duì)應(yīng)位置均有明顯的異常，其中YHD9-1處與YHD9-3同相軸均呈現(xiàn)明顯向下彎曲的畸變特征，YHD9-2處雷達(dá)信號(hào)呈現(xiàn)多次反射，兩側(cè)同相軸向下彎曲、錯(cuò)斷。

圖8 疑似地面病害隱患區(qū)三維雷達(dá)數(shù)據(jù)垂直切片截圖Fig.8 Vertical section screenshots of 3D radar data in suspected ground collapse affected area

采用內(nèi)窺鏡進(jìn)行驗(yàn)證探測(cè)，發(fā)現(xiàn)有一處2級(jí)滴漏結(jié)構(gòu)性缺陷，水間斷從缺陷點(diǎn)滴出，水流不連續(xù)。此案例證實(shí)前述雨污水管道結(jié)構(gòu)性損壞導(dǎo)致水土流失會(huì)造成地面病害隱患。

4 結(jié)語

三維地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)在道路空洞、脫空、疏松體、富水體病害探測(cè)中可視化和定量化效果顯著，結(jié)合道路病害成因分析，有助于對(duì)道路病害類型的判定，為地下病害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、安全監(jiān)測(cè)預(yù)警提供數(shù)據(jù)支撐。

不足之處：設(shè)備天線有效寬幅較小，且當(dāng)GPS信號(hào)缺失后，將極大增加后期數(shù)據(jù)處理工作量。建議提高天線有效覆蓋道路寬幅和引入慣導(dǎo)技術(shù)改進(jìn)三維地質(zhì)雷達(dá)系統(tǒng)。