三維地質雷達探測技術在城市道路空洞病害普查中的應用研究

錢鵬　談順佳　王鳳剛　徐錦程　楊志權　龔良鋼

摘 要：由城市道路地下空洞、路面脫空、土體疏松等病害引起的道路塌陷事故是目前國內許多城市面臨的重大安全隱患。城市道路空洞病害具有隱伏性、突發性，造成的災難性后果長期以來困擾著城市安全運營。以國內多地的項目實測及驗證成果為基礎，對三維地質雷達探測技術方法和工作流程進行了梳理，通過分析三維地質雷達剖面數據中病害體的頂界面反射、多次波反射、邊界繞射波等異常特征和三維地質雷達切片數據中病害體周邊地下管、井分布特征，總結了三維地質雷達技術在城市道路地下脫空、空洞病害探測中病害體的數據異常特征。實踐研究證明，三維地質雷達探測技術以其作業高效、定位精準、抗干擾能力強、數據豐富全面等優點可有效地探測出道路下方存在的空洞等安全隱患，為城市道路病害的防患和治理提供準確、可靠的依據。

關鍵詞：三維地質雷達；城市道路病害；地下空洞；路面脫空；探測技術

Application of 3D ground penetrating radar detection technology in urban road void disaster survey

QIAN Peng1， TAN Shunjia2，3， WANG Fenggang1， XU Jincheng1， YANG Zhiquan1， GONG Lianggang1

（1.Beijing Jinditong Testing Technology Co.， Ltd.，Shougang Geological Exploration Institute， Beijing 100144， China；

2.School of Geophysics and Measurement-Control Technology， East China University of Technology， Nanchang 330013， Jiangxi， China；

3.Beijing RTLY S&T Development Co.， Ltd.，Beijing 100070， China）

Abstract： Road collapse accidents caused by urban road underground cavities and voids are major safety hazards faced by many cities in China. Because of its hidden， sudden and other characteristics， the disastrous consequences resulted therefrom have long troubled city safety operation. Based on the results of project measurement and verification of many locations in China， we sorted out the method and work flow of 3D ground penetrating radar detection. By analyzing the anomaly characteristics of the top interface reflection， the multiple wave reflection， and the boundary diffraction wave of the diseased body in 3D geological radar profile data， and the distribution of underground pipes and wells around the diseased body in 3D ground penetrating radar slicing data， we summarized the abnormal data characteristics of disease bodies in the detection of urban road underground cavities and voids by 3D ground penetrating radar technology. The research has proved that 3D ground penetrating radar technology can effectively detect such safety hazards with an advantages of high efficiency， accurate positioning， strong anti-interference and rich and comprehensive data collection， providing an accurate and reliable basis for prevention and treatment of urban road diseases.

Keywords： three-dimensional ground penetrating radar; urban road diseases; underground cavities and voids; road void; detection technology

道路是城市賴以生存和發展的重要基礎。近年來，城市地下工程建設（地鐵暗挖工程、管線埋設）規模不斷擴大，受雨季災害性天氣頻發等不良工程地質條件因素的影響，我國城市道路路面坍塌事故頻繁發生。

據統計，目前全國遭受道路地下病害的城市超過50個，廣泛分布于20余個省市自治區。例如：2019年“12·1”廣州地鐵發生地面塌陷；2020年“1·13”西寧南大街發生路面塌陷；2021年“7·20”鄭州特大暴雨災害后出現近百處道路塌陷或斷行，災后共排查道路塌陷2 000余處。道路塌陷發生的速率和破壞形勢異常嚴峻，如何對道路病害進行檢測，最大限度減少、減輕災難，保證道路交通安全，成為目前城市維護管理中亟需解決的重要問題之一（彭蘇萍等，2014）。

隨著各類地質-地球物理方法在應對道路塌陷病害中的試驗及運用，出現不少經典案例（蔣波等，2019；胡群芳等，2020），其中以地質雷達檢測方法這一無損、高效的檢測技術取得的效果最為突出（王洪華等，2018；張建智，2020）。近5年來，隨著三維地質雷達探測技術的突破和推廣，使其成為城市道路病害普查中強有力的保障手段（趙鐠，2016）。

在城市道路地下病害體綜合檢測與風險評估產業初具規模，三維地質雷達新技術、新方法、新裝備取得重要突破的前提下。本文依據國內多地取得的工程實例成果，從系統構成原理、工程技術流程、異常解譯要點3個方面介紹了三維地質雷達技術在城市道路地下病害檢測中的應用效果，為城市道路病害檢測服務的實施提供參考。

1? 道路地下病害分類及特征

對各類地下病害體的成因和分類的正確認識是開展有效探測、監控及防治的重要依據。根據道路地下病害體的控災、致災因素及其發展過程的差異，城市道路地下病害體綜合劃分為脫空、空洞、疏松、水囊、富水等5類（陳昌彥等，2013）。目前業內關于道路病害隱患的分類和成因觀點趨于一致，可歸為以下幾類：

1）路面脫空：指道路面層與路基結構層之間存在不連續縫隙現象，常見于剛性（水泥路面）、半剛性路面（瀝青路面）下方，埋藏較淺，其形成受雨水、積水、污水等影響。

2）地下空洞：指道路下方路基土層中發育的影響其結構安全的洞穴，其形成受多種因素影響，常見的誘發因素為地下雨污水等管線“跑滴漏”沖刷。

3）土體疏松：指路下方路基土層中局部結構相對于周圍土體較為松散的異常現象。此類現象多見于道路建設階段或運營階段多次開挖施工中不合理的回填地帶，具有進一步發展為脫空、空洞的隱患。

4）土體富水：指路下方路基土層中局部土體含水率明顯高于周圍土體的異常現象。多發生于輸水地下管線滲漏地帶或地面水的入滲聚集區，具有進一步發展成為空洞的隱患。

以上病害分類中，路面脫空和地下空洞對道路的危害最大，探測需求最為直接。

2? 三維地質雷達技術原理

2.1? 地質雷達探測技術原理

地質雷達探測法是基于不同介質之間的介電性質差異，利用介質對電磁波的反射特性，對介質內部的構造和缺陷（或其他不均勻體）進行檢測的一種高效便捷的工程物探方法（錢鵬等，2019）。由雷達發射天線向探測目標發射高頻電磁波，電磁波在傳播過程中遇到具有不同介電性質的目標體（管道、空洞、疏松體、富水體等）時，將反射不同的電磁波信號并被記錄（圖1）。根據反射電磁波的走時和反射電磁波的相位、振幅、頻率等特征即可分析出探測目標體的埋深、性質和形態（楊峰等，2010）。

電磁波反射系數R_12公式為：

式中，ε_1，ε_2分別為介質1、介質2的相對介電常數。介電常數差異越大，電磁波反射越明顯。

城市道路的結構一般由3部分組成，由表及里分別為面層、基層（水穩層）和路基。其中面層的材質一般為水泥混凝土或者瀝青混合料，厚度一般低于20 cm。基層為水泥穩定粒料、石灰粉煤灰穩定粒料、級配粒料等組成，厚度一般不超過50 cm。路基一般采用石灰或者水泥穩定細粒土作為填料（蔡勤波等，2021）。

不同層位之間的材料及含水率存在較大差異，因而介電常數差異較大（表1）。基層和路基層作為道路結構中的承重層，同時易受地下管線、窨井、地下水侵擾，是道路地下病害高發部位（韓海航等，2022）。

2.2? 三維地質雷達系統構成

三維地質雷達探測系統由5部分組成（圖2）。

1）檢測平臺車輛：搭載三維地質雷達系統牽引作業。

2）三維陣列天線：作為三維地質雷達技術核心之一，三維陣列天線將多個地質雷達收發天線進行合理的排列組合（圖3），在作業過程中天線陣列中的各單位偶極子天線交叉發射接收和自發自收兩種模式下形成全面、多次覆蓋的雷達波反射數據體。

3）數據采集系統：三維地質雷達的數據采集系統由數據主機和采集軟件組成（趙鐠，2017），采集主機負責將對采集到的三維雷達數據和輔助定位數據進行儲存，采集軟件可對采集參數進行合理設置，并在采集過程中通過實時巡檢各道數據剖面質量，查看航跡、引導行進軌跡實現對目標區全覆蓋探測。

4）輔助定位系統：精準的定位系統是三維地質雷達技術高效檢測必不可少的一環，目前常用于三維地質雷達的定位系統有網絡RTK+編碼測距輪和網絡RTK+多普勒測距儀等模式。今后隨著慣導技術的介入，有望實現隧道、天橋、密林等GPS盲區場景的定位信號覆蓋。

5）數據處理軟件：進行三維數據的后處理，實現不同深度水平切片與縱橫剖面的聯動解譯（黃鈺琳等，2023）。

3? 三維雷達檢測技術流程

針對城市道路地下病害探測的三維地質雷達技術工作分3個階段，即三維數據采集階段、數據解譯階段、詳查驗證階段（圖4）。

1）數據采集：依靠工程車牽引三維地質雷達對目標路面進行高效、全覆蓋的地質雷達數據采集，同時在三維地質雷達數據中錄入實時動態GPS定位數據，得到含高精度定位的三維地質雷達數據體。

2）數據解譯：進行數據異常解譯前，首先需要對采集到的地質雷達數據進行處理，常用到的處理流程主要有：切除直達波→增益調整→背景去除→帶通濾波→輸出成果剖面圖（王秀榮等，2018），處理成果見圖5。根據收集到的探測區域道路結構特征（路面材質及厚度、路基材質及厚度、區域內的地下構筑物分布和地下管線分布特征），依據各類病害和地下管線構筑物在三維地質雷達數據剖面和水平切片上的異常特征進行逐一識別，并提取異常點坐標。

3）詳查驗證：根據三維地質雷達數據解譯成果，進行現場放點，采用二維地質雷達進行復測，排除干擾異常后進行鉆孔驗證。基于三維地質雷達系統采集到的高質量數據體為基礎，在數據解譯過程中需深度結合當地道路結構、地下管網分布等信息才能針對道路下方病害做出最準確的判別（王大為等，2023）。同時由于各地區氣候、水文地質條件的差異而導致的路面、路基含水率的差異，在一定程度上導致不同地區空洞病害的地質雷達異常形態特征發生變化。在工程應用中應當針對一定數量的具有代表性的路段進行工前試驗對比，將試驗驗證信息及時統計歸納反饋，指導后續數據解譯。

4? 三維雷達實例數據分析

三維地質雷達探測方法以其高效、精準的特性，被廣泛運用于全國各大城市的道路地下病害探測中。下面對北京、洛陽、成都等地的部分三維地質雷達道路病害探測案例進行分析，研究對象為城市道路地下脫空、空洞在三維地質雷達數據上（二維剖面、三維水平切片）的異常特征。

以下道路病害探測案例采用的設備均為意大利IDS-STREAM系列三維雷達探測系統。該系統配置15通道200 MHz三維天線陣列，有效探測深度2.0～3.0 m。

圖6為北京市某道路三維地質雷達空洞異常圖（鉆孔驗證：平面范圍3.0 m × 2.0 m，埋深0.6～1.2 m，底部干燥），二維剖面顯示該異常點具有明顯的頂界強負相位反射和下部多次反射波，同時邊界呈現明顯的弧形繞射波組特征（李遠強，2021）。水平切片顯示異常位于一處井室旁，異常邊界明顯。

圖7、圖8均為北京市某道路脫空異常的三維地質雷達數據分析圖。圖7-a脫空異常（鉆孔驗證：平面范圍1.3 m × 1.9 m，埋深0.77～0.85 m，底部干燥）二維剖面展示的異常特征為頂界面顯示的反射特征與圖6（空洞異常）相似，均為頂部負相位強反射界面，異常邊界伴隨明顯的繞射波，多次波發育但狀況不如圖6明顯。圖7-b脫空異常（鉆孔驗證：平面范圍2.1 m × 1.8 m，埋深0.45～0.62 m，底部含水土壤）二維剖面展示的異常特征為頂界面強反射但無明顯邊界繞射波，多次波發育明顯。兩處脫空異常在三維切片上的異常范圍邊界清晰，可較好的判斷出脫空異常體形態。

地質雷達探測技術以其高效、高分辨率、適宜的探測深度等特性，成為地下管線探測的常用手段之一，常規的二維地質雷達采集的僅為剖面信息，需要經過測線定位才能確定管線的平面位置信息（黃永基等，2022）。通過三維地質雷達對路面進行全覆蓋的數據采集，三維數據水平切片分析，得到的地下管線位置展布信息更加精準直觀（圖8）。

圖9為洛陽市某道路三維地質雷達脫空異常（鉆孔驗證：平面范圍2.0 m × 1.2 m，埋深0.4～0.66 m，底部淤泥），二維剖面顯示該異常頂界負相位強反射，邊界伴隨繞射波，底部發育明顯多次波的特征。水平切片顯示脫空處緊鄰井室和污水管線，推測為污水管滲漏導致井室周邊土體流失。

圖10-a為成都某道路三維雷達空洞異常（平面范圍1.2 m × 3 m，埋深0.6～0.95 m，底部干燥），二維剖面顯示其頂界負相位強反射、邊界伴隨繞射波、底部無明顯多次波的波組特征，水平切片可見明顯的空洞邊界。

圖10-b為成都某道路大型空洞異常（鉆孔驗證：平面范圍2.7 m × 2.0 m，埋深0.35～1.67 m，底部見水），二維剖面顯示其頂界面為負相位強反射、邊界伴隨繞射波、底部呈現“X”型交叉狀多次波反射的波組特征，推測出現交叉狀多次波反射的原因為該空洞深度較大且側壁陡直而導致的雷達波側壁多次反射異常與底部多次反射疊加的后果。水平切片可見明顯的空洞邊界，異常位置緊鄰井室。

綜上案例分析，受不同道路工程地質條件、場地干擾、氣候條件等因素的影響，空洞、脫空等病害的三維雷達異常特征形式多樣。但從中我們也可總結出以下幾點關鍵要素：1）頂界面反射特征：城市道路地下病害中的不同的空洞、脫空病害在三維地質雷達反射數據特征上均表現為高頻負相位強反射特征，因此對地質雷達剖面背景場中出現的高頻負相位強反射異常是判別空洞、脫空體異常的重要依據，在數據解譯過程中應當引起足夠重視。2）多次波反射特征：地下空洞、道路脫空病害中常見的多次波反射是雷達電磁波在凈空區縱向上的多次往復震蕩反射導致，多次波的產生不僅與脫空、空洞的凈空量有關，也與底部反射界面堆積物的介電性質有關，因此多次波可作為判別空洞、脫空的重要但非必要條件。3）邊界繞射波特征：空洞異常體邊緣的地質雷達繞射現象也常是病害異常判別的重要依據之一，但在較多的驗證實例中，出現過較多空洞、脫空體異常邊界并無明顯繞射現象，推測其原因為病害體在邊緣處的尖滅形態不同而導致不同的繞射特征。4）異常周邊管、井分布特征：綜合業內多年來對城市道路地下病害的成因調查分析和總結，城市道路地下病害多見于管線和井室周邊，因此依據三維地質雷達全覆蓋、高精度數據特點，可將管線、井室等正常地下人工構筑物引起的異常迅速排除，同時充分參考病害體異常與管線、井室的相對位置，對異常點進行綜合判斷。

5? 結論

1）三維地質雷達探測方法具有的高效、高精準定位、高分辨率，強抗干擾能力、數據豐富、全面等優點，可較好地勝任當前嚴峻的城市道路地下病害檢測任務。其合適的探測深度（200 MHz頻率、3 m以內探測深度）囊括了道路結構中基層和路基這一空洞、脫空病害易發生層位，可有效地解決實際、急切的道路安全隱患問題。

2）道路地下病害發育的形態特征、背景場地條件復雜，運用三維地質雷達探測技術進行檢測過程中，需著重參考當地道路結構特征和地下管線埋設規律，并在檢測工程中對異常特征和驗證結果進行總結和歸納，形成符合地區實際的病害異常判別標準。

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收稿日期：2023-03-02；修回日期：2023-05-30

第一作者簡介：錢鵬（1990- ），男，碩士，工程師，主要從事地球物理方法在工程檢測和工程勘查中的應用研究。E-mail：446050157@qq.com

引用格式：錢鵬，談順佳，王鳳剛，徐錦程，楊志權，龔良鋼，2023.三維地質雷達探測技術在城市道路空洞病害普查中的應用研究［J］.城市地質，18（4）：98-106