市政道路結構地下管線探測與力學特性數值模擬分析

摘 要：【目的】隨著人口增長和城市化進程的加快，城區規模不斷擴大，城市地下工程建設不可避免地與既有運行管線產生交互。地下管線具備給水、雨污水處理、化石能源運輸、有線電視信號傳輸、電能輸送等功能，擔負著水、電、信息和能量的供給與傳輸，被稱為城市的“神經”和“血管”，更是穩定城市運行的“生命線”。管線的滲漏、破裂甚至引發路面塌陷，不僅嚴重影響交通，還為城市排水系統埋下重大安全隱患。每年各地需投入大量人力物力用于地下管線的探測與維護。【方法】針對市政道路中地下管線分布、損傷及滲漏的普遍問題，基于探地雷達技術，提出了一種地下管線探測方案。通過探測不同種類管線的數據，結合原理分析、試驗和數值模擬驗證，研究管線滲漏引發路面沉陷的機理。【結果】該方案基于探地雷達的探測原理，通過圖譜特征識別方法獲取地下管線的分布、埋深、管徑、材質、管線內部介質以及空洞等參數。結合偽彩色電平圖、灰色電平圖及波形堆積圖等信號數據，建立有限元模型，并對管線滲漏特性進行綜合分析，從而研究揭示了滲漏發展的趨勢及其對道路結構的損傷機理。【結論】研究表明，道路損傷受多因素影響，包括路面車輛荷載、管道內部壓力、管道埋深和直徑等。通過探地雷達反射圖像的逆向分析，結合路面的病害動力固結數值模擬，可評估管線運行狀況及受力特征，從而優化管線布置點位和材質，強化管線上部結構設計，加強路基的防沉陷保護，避免工后路面沉降開裂。研究建議通過調整受力點位置、擴大受力面積和避免應力集中，預防路基結構與管線的破損。本文基于探測數據與數值模擬，對比不同種類管線的變形特性，總結管線滲漏的作用規律，為后續地下工程的定向開挖和城市道路災害的排查提供指導。

關 鍵 詞：市政道路結構；地下管線；地質雷達；探測；道路損傷；滲漏機理；力學特性；數值模擬

中圖分類號：ＴＵ４７８ 文獻標志碼：Ａ 文章編號：１０００－１６４６（２０２５）０１－０１０６－０８

城市道路下的各類管線是城市的“血管”，是城市正常運作的“生命線”。隨著城市建設的不斷發展，由于道路建設規劃不合理導致的管線交錯排布等問題日益凸顯，導致了許多安全事故的發生，如美國密歇根州的輸油管道破裂（見圖１）和沿海地區的主供水管道在工地破裂（見圖２）等。這些事故嚴重阻礙了城市的正常運轉，充分凸顯了有效探測市政道路管線的重要性。

姜璞玉［１］利用８００ＭＨｚ天線探地雷達成功定位監測出管線滲漏點，驗證了管線性能。黃肇剛［２］通過管道滲漏區出現的高熵現象，證實了小波熵定位算法的有效性。藍雄東［３］結合理論、試驗、模擬和實測數據，歸納出管線滲漏的原因，并預測了非飽和地層沉陷的風險。鄢天柱［４］基于勘測參數，通過多種方案分析得出西寧市管線滲漏導致地面沉陷的關鍵原因。張力文［５］結合試驗數據和數值分析結果，提出了應對探地雷達監測中線性干擾現象的措施。施鑫［６］從管－土相互作用的機理出發，分析了黏彈性空間變形理論解及其變形規律。余浩［７］結合探地雷達工作的原理，模擬了多種模型，比較了不同參數對探測效果的影響。秦鎮［８］基于完全匹配層（ＰＭＬ）對邊界效應的有效控制，利用有限元軟件ＧｐｒＭａｘ２Ｄ進行模擬分析，提出了控制的關鍵因素。宗瑜［９］依據力學參數和土層性質，提出了一種判定地下空洞穩定性的方法。姚顯春等［１０］提出了一種有效辨別地下管線材料屬性的方法。王！等［１１］基于模擬－神經網絡－蒙特卡羅原理預測了坍塌發展過程。武天儀［１２］模擬了空洞形成過程，分析了其對城市道路穩定性的影響。范越等［１３］針對合成孔徑雷達，提出了優化圖像映射的顯著檢測算法。吳彥等［１４］基于城市更新中對地下管線分布探測的需求，使用三維探地雷達提升了探測的精確度。王洪華等［１５］針對道路塌陷空洞探測問題，布設了測線并驗證了探測數據的可靠性。周南杰等［１６］基于探地雷達設備與數據圖像，提出了保障路面質量的施工方案。