探地雷達應(yīng)用于地下空洞探測

探地雷達技術(shù)應(yīng)用于地下空洞塌陷災(zāi)害普查探測的創(chuàng)新與實踐二O一三年七月報告人：王春和中國電波傳播研究所內(nèi)容提要概述探地雷達技術(shù)應(yīng)用創(chuàng)新-車載式道路災(zāi)害預(yù)警雷達系統(tǒng)預(yù)防道路塌陷適用性分析結(jié)論一、概述深圳龍崗橫崗街道路面塌陷現(xiàn)場（5人死亡）1.1我國城市道路塌陷事故愈演愈烈，上升趨勢明顯一、概述哈爾濱市南崗區(qū)遼陽街90號附近路面發(fā)生塌陷（2死2傷）一、概述山西省太原市并州路與并州西街交叉路口塌陷現(xiàn)場(20121226)一、概述太原永祚西街塌陷(20130711)一、概述沈陽市于洪區(qū)細(xì)河南路地面發(fā)生塌陷，一輛新買10天左右的豐田吉普車翻進坑里。（2013年3月19日）一、概述沈陽中街路面塌陷約20平米（2013年7月11日）一、概述

從全國范圍內(nèi)來看，這一系列的地陷事故僅僅是各地近年來所發(fā)生的眾多地陷案例的“冰山一角”。統(tǒng)計結(jié)果證明，道路塌陷事故尤其在大城市呈高發(fā)趨勢。

國土資源部、水利部于2012年3月印發(fā)的《全國地面沉降防治規(guī)劃（2011-2020年）》指出，目前全國遭受地面沉降災(zāi)害的城市超過50個，分布于北京、天津、上海等20個省區(qū)市。

北京市市政工程設(shè)計研究總院宋谷長在一篇論文中披露，北京市發(fā)生路面坍塌事故2007年54起，2008年94起，2009年129起。1.1我國城市道路塌陷事故愈演愈烈，上升趨勢明顯一、概述

地陷的具體原因雖不完全相同，卻有其共性。中國工程院院士、北京交通大學(xué)隧道及地下工程試驗研究中心主任王夢恕認(rèn)為，地下十米以內(nèi)的施工，是頻頻出現(xiàn)的點狀地面塌陷的主要原因，是地陷禍?zhǔn)?。國家注冊巖土工程師呂文龍將城市道路塌陷的人為原因梳理成幾類：路面荷載變化、施工擾動、地下管線滲漏。例如地鐵隧道施工也容易造成地層擾動，大量地下水滲出，使得上部或周圍疏松土層中的泥沙大量帶走，逐漸形成空洞；一些地下管線經(jīng)長久腐蝕容易形成穿孔、斷裂等滲漏現(xiàn)象，容易造成對土基沖刷，帶走周邊泥沙。北京市市政工程設(shè)計研究總院宋谷長分析，地下管道的滲水、泄漏會造成對土基沖刷，帶走管道周邊泥沙，加上地下施工擾動、路面車輛震動等因素，很容易發(fā)生流沙或淘蝕現(xiàn)象，形成空洞和路面塌陷。1.2城市道路塌陷的主要原因一、概述（1）城市地下空間資源短時間大規(guī)模開發(fā)利用是地陷事故發(fā)生的內(nèi)在原因。十六大以來，我國城鎮(zhèn)化發(fā)展迅速，2002年至2011年，城鎮(zhèn)人口比重上升了12.18個百分點，達到51.27%。城市規(guī)模的急劇擴大，城市人口的迅猛增長，對交通、通信、電力、給排水、燃?xì)獾刃枨蠹眲≡鲩L，城市地下空間的開發(fā)利用無疑是滿足這些需要的有效途徑。這些地下工程改變了上億年形成的地質(zhì)平衡和水動力循環(huán)條件，造成地下水位下降、水土流失、地表沉降等現(xiàn)象，嚴(yán)重時對城市管網(wǎng)造成損壞，從而加快形成地下空洞的過程。（2）給排水管（函）不堪重負(fù)而滲漏爆裂是導(dǎo)致城市地陷的主要的直接原因。城區(qū)規(guī)模的擴大，原來的河流湖泊變成了馬路、小區(qū)和廣場，雨水原來就近集中滲漏排泄的渠道被封閉，城市排水集中到原本建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)不高的管函中，隨著排水壓強和流速越來越大，造成管函破裂，泥沙流失，最終導(dǎo)致地面塌陷。老城區(qū)的給水管也隨著負(fù)擔(dān)日益加重，銹蝕日趨嚴(yán)重而導(dǎo)致破裂，水土流失，日積月累，逐漸形成大的空洞而釀成地面塌陷。1.2城市道路塌陷的主要原因一、概述中國的城市化發(fā)展是大勢所趨，到2050年城市人口比重將達70%，和世界上許多發(fā)達地區(qū)的城市相比，中國的城市地下空間開發(fā)才剛起步，發(fā)展?jié)摿薮?。隨著城市地下空間資源開發(fā)規(guī)模力度的日益加大，引發(fā)地陷的因素不可逆轉(zhuǎn)的在增多，因此，城市地陷事故高企在所難免?？梢灶A(yù)計，地陷將伴隨中國城市發(fā)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(zāi)難，就變得現(xiàn)實而必要。1.3城市道路塌陷將繼續(xù)伴隨著我國城市化發(fā)展進程一、概述贊成專家們的建議，制定一部完整、權(quán)威的法律，來規(guī)范并解決我國城市地下空間的開發(fā)權(quán)限、體制、標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)程；建立協(xié)調(diào)管理結(jié)構(gòu)，解決我國城市地下空間存在多頭管理和立法空白問題，從而實現(xiàn)城市地下空間開發(fā)的統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)和統(tǒng)一管理，從根源上抑制地陷事故的發(fā)生。建議盡快修訂現(xiàn)有《城鎮(zhèn)道路養(yǎng)護技術(shù)規(guī)范》、《公路技術(shù)狀況評定標(biāo)準(zhǔn)》，把地下空洞的檢測作為道路普查的重要內(nèi)容。這是目前解決我國大中城市所面臨難題的快速、有效途徑。我國現(xiàn)有的道路的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范均是建立在表觀檢測數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上進行量化評價，這些方法根本無法發(fā)現(xiàn)地面以下潛伏的災(zāi)難性病害，實現(xiàn)預(yù)防性養(yǎng)護。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(jié)果往往是防不勝防，難以湊效。采用先進的技術(shù)對城市道路進行常規(guī)普查巡檢，實現(xiàn)防患于未然是大勢所趨。1.4建立城鎮(zhèn)道路空洞普查檢測制度

是扼制塌陷事故高發(fā)的快速有效的途徑一、概述探地雷達通過發(fā)射天線向地下發(fā)射高頻電磁波，電磁波在地下介質(zhì)中傳播時遇到存在電性差異的界面時發(fā)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(jù)接收到的電磁波的波形、振幅強度和時間的變化等特征可以推斷地下介質(zhì)的空間位置、結(jié)構(gòu)、形態(tài)和埋藏深度。探地雷達以高分辨、高效率、無損、結(jié)果直觀等特點在工程物探領(lǐng)域得到了廣泛的推廣應(yīng)用。道路結(jié)構(gòu)層及土基和下方潛伏的充氣空洞、半氣半水空洞以及充水空洞之間的介電常數(shù)差異較大，因此，探地雷達技術(shù)十分適合道路空洞的探測。2、創(chuàng)新使用探地雷達技術(shù)，

實現(xiàn)城市環(huán)境的道路空洞檢測一、概述以城市化進程早于中國的日本為例，1987年至1988年間，東京、名古屋等城市也曾有過地陷多發(fā)期，原因與中國城市完全一樣。東京大規(guī)模地陷次數(shù)每年多達20-25次，造成了嚴(yán)重社會問題。1990年起，日本使用雷達探測技術(shù)在全國范圍內(nèi)進行地下空洞調(diào)查，對一些大的、危險的空洞進行工程填補。之后，日本在各城市重點區(qū)域定期探測、巡查，一旦發(fā)現(xiàn)塌陷隱患，立時填補，并啟動預(yù)案對周邊加強檢測。最近20余年，東京每年僅有一至兩起大規(guī)模地陷，甚至數(shù)年未出現(xiàn)大規(guī)模地陷。2、創(chuàng)新使用探地雷達技術(shù)，

實現(xiàn)城市環(huán)境的道路空洞檢測一、概述2、創(chuàng)新使用探地雷達技術(shù)，

實現(xiàn)城市環(huán)境的道路空洞檢測探地雷達技術(shù)在防治道路塌陷方面也為國內(nèi)專家們普遍認(rèn)可。北京養(yǎng)護集團市政九處為了保障2008年奧運，采用探地雷達對戶外運動路線進行了安全檢測。此后，多次對重要的路線進行了普查，對有塌陷跡象的路段進行了重點探測，準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)并處置了多處險情。哈爾濱、太原、深圳等城市也先后采用探地雷達對可疑路段或重點部位進行了勘查，取得了一定效果。一、概述

目前，在上述城市的探測實踐中，主要采用單通道或雙通道探地雷達人工拖動或車輛拖動的方式進行探測，這種方式顯然難以滿足城市道路空洞普查的需求。原因如下：（1）由于城市環(huán)境尤其是地下空間的復(fù)雜性，既有空中的過街天橋、線纜、交通信號橫桿、廣告牌，又有地下的人行橫道、管線、函溝，還有由于經(jīng)年翻修形成的多變的道路結(jié)構(gòu)，對雷達來講，它們都會產(chǎn)生雷達干擾回波從而形成復(fù)雜的雷達圖像。（2）由于空洞成因不同，演變機理多樣，空洞形態(tài)呈現(xiàn)出規(guī)模大小不一，形狀不規(guī)則，無明顯走向和延伸等特點。要從復(fù)雜的雷達圖像中找出空洞，排除人工設(shè)施干擾的話，最直接的方法就是從二者的走向和延伸形態(tài)上進行區(qū)分判別。目前人工單通道探地雷達技術(shù)要判斷目標(biāo)的形態(tài)，必須對地面進行多測線掃描探測，工作量大幅度增加，耗時費力，在探測方法上還有許多技術(shù)要求。2、創(chuàng)新使用探地雷達技術(shù)，

實現(xiàn)城市環(huán)境的道路空洞檢測一、概述（3）由于分辨率和探測深度的矛盾，中心頻率高的天線能分辨小目標(biāo)，但探測深度較小；中心頻率低的天線探測深度大，但小目標(biāo)容易被“忽略”。上述城市在探測中，多采用100MHz屏蔽天線進行探測，這極有可能把深度1m以內(nèi)的小空洞漏掉，從而失去采取預(yù)防措施的有利時機。（4）單通道天線有效的覆蓋寬度有限，而在同一車道上采用多條測線進行測試，形成多個雷達剖面，在技術(shù)上又難以實現(xiàn)，工作量也成倍增加。（5）表觀檢測和雷達檢測難以有機結(jié)合。利用空洞沉降引起的凹陷、裂縫等表觀反應(yīng)是通過雷達圖像確認(rèn)地下存在空洞的一個有利佐證。而現(xiàn)有手段，雷達圖像和表觀現(xiàn)象并不同步記錄。2、創(chuàng)新使用探地雷達技術(shù)，

實現(xiàn)城市環(huán)境的道路空洞檢測一、概述綜上所述，探地雷達技術(shù)是解決城市道路塌陷災(zāi)害的必然選擇，但針對城市道路環(huán)境的復(fù)雜性，在雷達技術(shù)的具體應(yīng)用方法上還需要創(chuàng)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(jié)果的準(zhǔn)確性；還要提供操作容易，使用簡單的設(shè)備以及方便與施工部門銜接的結(jié)論，滿足實用性要求。2、創(chuàng)新使用探地雷達技術(shù)，

實現(xiàn)城市環(huán)境的道路空洞檢測內(nèi)容提要概述探地雷達技術(shù)應(yīng)用創(chuàng)新-車載式道路災(zāi)害預(yù)警雷達系統(tǒng)結(jié)論二、探地雷達技術(shù)應(yīng)用創(chuàng)新-車載式道路災(zāi)害預(yù)警雷達系統(tǒng)-二、探地雷達技術(shù)應(yīng)用創(chuàng)新-車載式道路災(zāi)害預(yù)警雷達系統(tǒng)交通部公路工程檢測中心的專項研究報告[3]指出，道路表面下方3m以內(nèi)是路基載荷分布區(qū)，當(dāng)空洞等病害進入這個深度范圍內(nèi)時，才會影響道路結(jié)構(gòu)和受力。因此，除極少數(shù)特別巨大的空洞外，絕大多數(shù)的具有現(xiàn)實塌陷危險的空洞，洞頂至道路表面距離均小于3m。這與城市道路塌陷災(zāi)害現(xiàn)場調(diào)查的情況普遍一致。創(chuàng)新點1、采用多波段天線陣列滿足道路空洞探測需求1.1道路空洞的分布特點二、探地雷達技術(shù)應(yīng)用創(chuàng)新-車載式道路災(zāi)害預(yù)警雷達系統(tǒng)表1

路面塌陷深度分布表（北京市近三年數(shù)據(jù)統(tǒng)計）塌陷深度范圍(m)(0,1)（1,2）(2,3)(3,4)(4,5)(5,6)(6,7)(7,8)(8,12)百分比/%2335136333103累計百分比/%23587177818487971001.1道路空洞的分布特點二、探地雷達技術(shù)應(yīng)用創(chuàng)新-車載式道路災(zāi)害預(yù)警雷達系統(tǒng)表2道路模型的物理與力學(xué)參數(shù)厚度m天然重度kN/m3彈性模量MPa泊松比粘聚力kPa內(nèi)摩擦角抗拉強度kPa瀝青混凝土0.152513000.25500水泥穩(wěn)定碎石0.50258000.25400地基土—1825.50.35201501.1道路空洞的分布特點二、探地雷達技術(shù)應(yīng)用創(chuàng)新-車載式道路災(zāi)害預(yù)警雷達系統(tǒng)判斷道路下方既有孔洞發(fā)生塌陷的評價指標(biāo)：（1）自重應(yīng)力+交通荷載作用下，按莫爾-庫倫強度準(zhǔn)則計算的洞頂上方的破壞區(qū)或屈服區(qū)貫通至基層底部；（2）標(biāo)準(zhǔn)軸載作用下，基層底部水平應(yīng)力大于其抗拉強度，出現(xiàn)拉破壞。1.1道路空洞的分布特點二、探地雷達技術(shù)應(yīng)用創(chuàng)新-車載式道路災(zāi)害預(yù)警雷達系統(tǒng)D2H1交通荷載作用下臨界埋深1.75+0.65m時屈服區(qū)分布二、探地雷達技術(shù)應(yīng)用創(chuàng)新-車載式道路災(zāi)害預(yù)警雷達系統(tǒng)D3H1交通荷載作用下臨界埋深2.875+0.65m時屈服區(qū)分布二、探地雷達技術(shù)應(yīng)用創(chuàng)新-車載式道路災(zāi)害預(yù)警雷達系統(tǒng)D3H1交通荷載作用下臨界埋深2.875+0.65m時屈服區(qū)分布二、探地雷達技術(shù)應(yīng)用創(chuàng)新-車載式道路災(zāi)害預(yù)警雷達系統(tǒng)表3

空洞尺寸及塌陷臨界時頂板厚度和脫空范圍項目空洞尺寸直徑×高度（m）空洞主體臨界埋深（m）臨界空洞頂板厚度（m）路基頂面脫空范圍（m）D2H12×12.41.152.75D3H13×13.551.895.25D4H14×14.782.758.50D5H15×16.03.211.99D3H23×23.41.845.00D3H33×33.171.715.00D3H43×43.091.675.00D5H35×35.63.0211.991.1道路空洞的分布特點二、探地雷達技術(shù)應(yīng)用創(chuàng)新-車載式道路災(zāi)害預(yù)警雷達系統(tǒng)綜上所述，道路空洞發(fā)生、演化的結(jié)果十分有利于發(fā)揮探地雷達技術(shù)的優(yōu)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。1.1道路空洞的分布特點二、探地雷達技術(shù)應(yīng)用創(chuàng)新-車載式道路災(zāi)害預(yù)警雷達系統(tǒng)城市道路塌陷防治要預(yù)防為主，這就要求預(yù)警雷達系統(tǒng)由空洞演變成塌陷災(zāi)害的前期就能發(fā)現(xiàn)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。在我所研制的10余種天線中，我們選擇中心頻率400MHz、270MHz和100MHz單體屏蔽天線構(gòu)成預(yù)警雷達系統(tǒng)的多波段天線陣。1.2多波段天線陣設(shè)計滿足空洞探測深度和分辨能力的要求二、探地雷達技術(shù)應(yīng)用創(chuàng)新-車載式道路災(zāi)害預(yù)警雷達系統(tǒng)表4不同頻率天線的分辨率和參考探測深度天線種類中心頻率縱向分辨率探測深度主要用途單體屏蔽天線400MHz12.5cm1~5m探測深度2m以內(nèi)，空洞直徑不小于20cm270MHz18.5cm1~7m探測深度3m以內(nèi)，空洞直徑不小于30cm100MHz50cm5~20m探測測深度15m以內(nèi)，空洞直徑不小于2m1.2多波段天線陣設(shè)計滿足空洞探測深度和分辨能力的要求二、探地雷達技術(shù)應(yīng)用創(chuàng)新-車載式道路災(zāi)害預(yù)警雷達系統(tǒng)選擇中心頻率400MHz、270MHz和100MHz單體屏蔽天線的原因在于：（1）首先他們都是屏蔽天線，能有效地抑制來自道路上空人工設(shè)施的干擾，適用于復(fù)雜的城市環(huán)境；（2）400MHz和270MHz天線既有適中的穿透能力又有小空洞分辨能力，二者結(jié)合基本上保證100%預(yù)先探測到接近塌陷臨界點的空洞，同時又能探測到3m以內(nèi)不具塌陷風(fēng)險的小空洞，以便在日常養(yǎng)護中及時消除道路隱患；（3）100MHz天線主要用于發(fā)現(xiàn)潛伏在道路深層、不具現(xiàn)實威脅的規(guī)模較大的空洞?？梢?，多波段天線陣既保證了具備塌陷風(fēng)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(fā)現(xiàn)空洞隱患，真正起到預(yù)警作用。1.2多波段天線陣設(shè)計滿足空洞探測深度和分辨能力的要求二、探地雷達技術(shù)應(yīng)用創(chuàng)新-車載式道路災(zāi)害預(yù)警雷達系統(tǒng)天線陣列具有探測效率高，數(shù)據(jù)豐富的優(yōu)點，但采用天線陣的方式進行探測，不可避免的要遇到天線振子單元之間的互耦與通道串?dāng)_問題，因此需要結(jié)合探測方式對天線單元的分布進行合理的設(shè)計。為保證探測的準(zhǔn)確性，不存在探測盲區(qū)，天線單元之間的間距應(yīng)盡量小，即在有效的寬度內(nèi)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(tǒng)信噪比。因此需要對天線單元之間的間距進行合理的設(shè)計，并進行充分的試驗，以實現(xiàn)探測無遺漏，全面覆蓋的要求。1.3多波段天線陣設(shè)計實現(xiàn)寬幅無縫覆蓋，滿足高效探測要求二、探地雷達技術(shù)應(yīng)用創(chuàng)新-車載式道路災(zāi)害預(yù)警雷達系統(tǒng)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(fā)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(biāo)進行識別。下圖為單個天線振子的輻射方向圖，左圖為天線在其行進方向上，即H面的方向圖；右圖為行進垂直方向上，即E面的方向圖。1.3多波段天線陣設(shè)計實現(xiàn)寬幅無縫覆蓋，滿足高效探測要求二、探地雷達技術(shù)應(yīng)用創(chuàng)新-車載式道路災(zāi)害預(yù)警雷達系統(tǒng)由天線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(nèi)，設(shè)天線單元之間的間距為d，探測目標(biāo)深度為h，則：實際天線單元間距應(yīng)小于上式計算值，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，通過上式進行計算并結(jié)合實驗驗證，可得到天線單元之間的間距d。1.3多波段天線陣設(shè)計實現(xiàn)寬幅無縫覆蓋，滿足高效探測要求二、探地雷達技術(shù)應(yīng)用創(chuàng)新-車載式道路災(zāi)害預(yù)警雷達系統(tǒng)本系統(tǒng)天線陣排列方式如下圖所示，共使用6副天線，中心頻率100MHz、270MHz和400MHz各2副。100MHz天線間距為d3=98.6cm，400MHz天線和270MHz天線間距為d2=47.5cm，400MHz天線間距為d1=40.5cm。行進方向d2d1d2d31.3多波段天線陣設(shè)計實現(xiàn)寬幅無縫覆蓋，滿足高效探測要求二、探地雷達技術(shù)應(yīng)用創(chuàng)新-車載式道路災(zāi)害預(yù)警雷達系統(tǒng)100MHz天線場覆蓋區(qū)域100MHz天線場覆蓋區(qū)域270MHz天線場覆蓋區(qū)域400MHz天線場覆蓋區(qū)域400MHz天線場覆蓋區(qū)域270MHz天線場覆蓋區(qū)域行進方向1.3多波段天線陣設(shè)計實現(xiàn)寬幅無縫覆蓋，滿足高效探測要求二、探地雷達技術(shù)應(yīng)用創(chuàng)新-車載式道路災(zāi)害預(yù)警雷達系統(tǒng)天線陣排列及懸掛方式結(jié)構(gòu)設(shè)計創(chuàng)新點1、采用多波段天線陣列滿足道路空洞探測需求二、探地雷達技術(shù)應(yīng)用創(chuàng)新-車載式道路災(zāi)害預(yù)警雷達系統(tǒng)2、實用化設(shè)計成就道路災(zāi)害預(yù)警利器創(chuàng)新點2、情景再現(xiàn)功能側(cè)視路況視頻路面高清圖像GPS控制處理中心GIS前視路況視頻DMI信息雷達檢測數(shù)據(jù)二、探地雷達技術(shù)應(yīng)用創(chuàng)新-車載式道路災(zāi)害預(yù)警雷達系統(tǒng)2、實用化設(shè)計成就道路災(zāi)害預(yù)警利器創(chuàng)新點2、情景再現(xiàn)功能二、探地雷達技術(shù)應(yīng)用創(chuàng)新-車載式道路災(zāi)害預(yù)警雷達系統(tǒng)2、實用化設(shè)計成就