GPR在道路塌陷预警及在市政工程检测中的应用yujl131026.pdf

中国电波传播研究所中国电波传播研究所 道路塌陷防治及养护检测新技术道路塌陷防治及养护检测新技术 G P RG P R 在道路塌陷预警及在道路塌陷预警及 在市政工程检测中的应用在市政工程检测中的应用 报告人 于景兰 2 0 1 3 年1 1 月月 中国电波传播研究所中国电波传播研究所 目录 探地雷达 GPR 发展概况 1 2 GPR在道路养护检测中的应用在道路养护检测中的应用 3 4 GPR市政管线探测中的应用市政管线探测中的应用 道路塌陷事故道路塌陷事故GPR预警技术预警技术 GPR在建筑结构探测中的应用在建筑结构探测中的应用 5 6 结束语结束语 中国电波传播研究所中国电波传播研究所 认识探地雷达 空气空气 远距离远距离 公里级公里级 地面之上的目标地面之上的目标 超过千兆超过千兆 对空雷达对空雷达 传播介质传播介质 探测距离探测距离 探测目标探测目标 中心频率中心频率 土壤土壤 浅层浅层 0 100米米 地下目标地下目标 几兆几兆 上千上千 兆兆 探地雷达探地雷达 1 1 探地雷达的技术来源 中国电波传播研究所中国电波传播研究所 遍布世界的地雷有1亿多颗 严重威胁人身安全及 和平建设 探地雷达的快速发展基于军工探雷的需要 以前是金属探雷器 但是难以解决塑料地雷的探测 中国电波传播研究所中国电波传播研究所 1 2 探地雷达发展历程 上世纪初 德国科学家提出了用高频电磁波脉冲的反射来探测地下 目标 1960年 出现了有一定使用价值的探地雷达 1980年 世界范围内掀起了一股探地雷达技术研究热潮 now 基于冲击脉冲探地雷达取得良好进展 世界上正在销售的探 地雷达产品 如美国GSSI的SIR系列 加拿大SSI的 PULSEKKO系列 瑞典SGAB的RAMAC系列 中国电波所 LTD系列等都是基于冲击脉冲体制 中国电波传播研究所中国电波传播研究所 探雷系统正在进行探雷表演 电波所将GPR技术成功应用于军事探雷 中国电波传播研究所中国电波传播研究所 实例1 塑料防步兵地雷 左 和雷达图像 右 中国电波传播研究所中国电波传播研究所 研究内容 雷达 通信 导航 测控 遥感 航天 频谱管理 广播电视 石油测井 无线电干扰协调 电波所研发探地雷达的历程 代表了国产探地雷达的发展过程 电波所研发探地雷达的历程 代表了国产探地雷达的发展过程 跟跟随中国电波所发展的脚步 了解国内探地雷达发展跟跟随中国电波所发展的脚步 了解国内探地雷达发展 国防科工委于 1963年调集全国电波传播研究专家组建成立 是研究电磁波传播特性及应 用为主的专业研究所 中国电波传播研究所中国电波传播研究所 院士 1 1名工程院院士名工程院院士 研究员 42人 高工 145人 政府特贴 38人 电波所科研力量 员工总数 15001500人人 中国电波传播研究所中国电波传播研究所 多次荣获全国 五一 劳动奖章和上级部门嘉奖多次荣获全国 五一 劳动奖章和上级部门嘉奖 参加的科研项目及重大活动 2 1 1 科研任务科研任务1000余项余项 重大项目400余项 国家级科研奖50多项 省部级科研奖160多项 重大活动重大活动 两弹一星 5 12汶川地震搜救 载人航天地面搜索 奥运安保探测 世博会场馆安保探测 中国电波传播研究所中国电波传播研究所 神七地面搜救系统神七地面搜救系统 尽享神七激荡升天 中国电波传播研究所中国电波传播研究所 胡主席与董庆生所长亲切握手 12 7 27 中国电波传播研究所中国电波传播研究所 奥运场馆安保探测 中国电波传播研究所中国电波传播研究所 亲历汶川地震现场 生命的探测与延续 中国电波传播研究所中国电波传播研究所 上海世博会安保探测 中国电波传播研究所中国电波传播研究所 受军委和总装指派 巴基斯坦雪崩救援受军委和总装指派 巴基斯坦雪崩救援 中国电波传播研究所中国电波传播研究所 2GHz 1 5GHz 900MHz 400MHz 270MHz 100MHz 50MHz LTD 80结构扫结构扫 描雷达描雷达 LTD 60公路综公路综 合检测车合检测车 LTD R1公路公路 养护雷达养护雷达 LTD 2202管管 线探测雷达线探测雷达 LTD 90生命搜生命搜 救雷达救雷达 公路面层厚度 路基病害检测 桥梁及建筑 物结构探测 隧道衬砌质 量检测 地下管线及挖孔 桩底基岩探测 隧道超 前预报 军民融合 军为民用 2000年开始转向民用 中国电波传播研究所中国电波传播研究所 目录 探地雷达探地雷达 GPR 发展概况发展概况 1 2 GPR在道路养护检测中的应用在道路养护检测中的应用 3 4 GPR市政管线探测中的应用市政管线探测中的应用 道路塌陷事故GPR预警技术 GPR在建筑结构探测中的应用在建筑结构探测中的应用 5 6 结语结语 中国电波传播研究所中国电波传播研究所 2 1 步步惊心的路面塌陷 哈尔滨市南岗区辽阳街哈尔滨市南岗区辽阳街90号附近路面发生塌陷 号附近路面发生塌陷 2死死2伤伤 中国电波传播研究所中国电波传播研究所 深圳龙岗横岗街道路面塌陷现场 深圳龙岗横岗街道路面塌陷现场 5人死亡 人死亡 中国电波传播研究所中国电波传播研究所 广州地铁六号线工地突发地陷致广州地铁六号线工地突发地陷致5家店铺倒塌 家店铺倒塌 130129 中国电波传播研究所中国电波传播研究所 从全国范围内来看 这一系列的地陷事故仅仅是各地近年从全国范围内来看 这一系列的地陷事故仅仅是各地近年 来所发生的众多地陷案例的 冰山一角 统计结果证明 道来所发生的众多地陷案例的 冰山一角 统计结果证明 道 路塌陷事故尤其在大城市呈高发趋势 路塌陷事故尤其在大城市呈高发趋势 国土资源部 水利部于国土资源部 水利部于2012年年3月印发的月印发的 全国地面沉降全国地面沉降 防治规划 防治规划 2011 2020年 年 指出 目前全国遭受地面沉降灾害指出 目前全国遭受地面沉降灾害 的城市超过的城市超过50个 分布于北京 天津 上海等个 分布于北京 天津 上海等20个省区市 个省区市 北京市市政工程设计研究总院宋谷长在一篇论文中披露 北京市市政工程设计研究总院宋谷长在一篇论文中披露 北京市发生路面坍塌事故北京市发生路面坍塌事故2007年年54起 起 2008年年94起 起 2009年年 129起 起 我国城市道路塌陷事故愈演愈烈我国城市道路塌陷事故愈演愈烈 中国电波传播研究所中国电波传播研究所 地陷的具体原因虽不完全相同 却有其共性 中国工程院院士 北京交通大学隧道及地下工程试验研究中心主任王梦恕 认为 地下十米以内的施工 是频频出现的点状地面塌陷的主要原因 是地 陷祸首 国家注册岩土工程师吕文龙将城市道路塌陷的人为原因梳理成几类 路面 荷载变化 施工扰动 地下管线渗漏 例如地铁隧道施工也容易造成地层扰 动 大量地下水渗出 使得上部或周围疏松土层中的泥沙大量带走 逐渐形 成空洞 一些地下管线经长久腐蚀容易形成穿孔 断裂等渗漏现象 容易造 成对土基冲刷 带走周边泥沙 北京市市政工程设计研究总院宋谷长分析 地下管道的渗水 泄漏会造成 对土基冲刷 带走管道周边泥沙 加上地下施工扰动 路面车辆震动等因素 很容易发生流沙或淘蚀现象 形成空洞和路面塌陷 其原因概括为地铁等人工活动对原有地层的扰动 其原因概括为地铁等人工活动对原有地层的扰动 管线漏水 地下沟渠及防空洞的年久失修坍塌造成沙管线漏水 地下沟渠及防空洞的年久失修坍塌造成沙 土流失 而形成塌陷 土流失 而形成塌陷 2 2 引起城市道路塌陷的主要原因 中国电波传播研究所中国电波传播研究所 中国的城市化发展是大势所趋 到中国的城市化发展是大势所趋 到2050年城市人口年城市人口 比重将达比重将达70 和世界上许多发达地区的城市相比 和世界上许多发达地区的城市相比 中国的城市地下空间开发才刚起步 发展潜力巨大 中国的城市地下空间开发才刚起步 发展潜力巨大 随着城市地下空间资源开发规模力度的日益加大 随着城市地下空间资源开发规模力度的日益加大 引发地陷的因素不可逆转的在增多 因此 城市地陷引发地陷的因素不可逆转的在增多 因此 城市地陷 事故高企在所难免 事故高企在所难免 可以预计 地陷将伴随中国城市发展成为一个长期可以预计 地陷将伴随中国城市发展成为一个长期 问题 那么探讨如何解决问题 遏制塌陷事故的上升问题 那么探讨如何解决问题 遏制塌陷事故的上升 趋势 最大限度减少 减轻灾难 就变得现实而必要趋势 最大限度减少 减轻灾难 就变得现实而必要 2 3 城市道路塌陷普查及预警的必要性城市道路塌陷普查及预警的必要性 中国电波传播研究所中国电波传播研究所 建议制定一部完整 权威的法律 来规范并解决我国城市地下空间 的开发权限 体制 标准与规程 建立协调管理结构 解决我国城市 地下空间存在多头管理和立法空白问题 从而实现城市地下空间开发 的统一规划 统一标准和统一管理 从根源上抑制地陷事故的发生 建议尽快修订现有 城镇道路养护技术规范 公路技术状况评 定标准 把地下空洞的检测作为道路普查的重要内容 这是目前解 决我国大中城市所面临难题的快速 有效途径 我国现有的道路的标 准和规范均是建立在表观检测数据基础上进行量化评价 这些方法根 本无法发现地面以下潜伏的灾难性病害 实现预防性养护 对城市道 路塌陷的防治目前基本上靠人工巡视 群众举报 其结果往往是防不 胜防 难以凑效 采用先进的技术对城市道路进行常规普查巡检 实 现防患于未然是大势所趋 普普查查制度制度是是扼制扼制塌陷事故高塌陷事故高发发的快速有效的途径的快速有效的途径 中国电波传播研究所中国电波传播研究所 探地雷达通过发射天线向地下发射高频电磁波 电磁波在地下介质中传 播时遇到存在电性差异的界面时发生反射或散射 通过接收天线接收反射或 散射回地面的电磁波 根据接收到的电磁波的波形 振幅强度和时间的变化 等特征可以推断地下介质的空间位置 结构 形态和埋藏深度 探地雷达以高分辨 高效率 无损 结果直观等特点在工程物探领域得 到了广泛的推广应用 道路结构层及土基和下方潜伏的充气空洞 半气半水 空洞以及充水空洞之间的介电常数差异较大 因此 探地雷达技术十分适合 道路空洞的探测 2 4 使用使用GPR阵列技术 实现道路空洞检测阵列技术 实现道路空洞检测 中国电波传播研究所中国电波传播研究所 空洞尺寸及塌陷临界时顶板厚度和脱空范围空洞尺寸及塌陷临界时顶板厚度和脱空范围 项 目 空洞尺寸 直径 高度 m 空洞主体 临界埋深 m 临界空洞顶板 厚度 m 路基顶面 脱空范围 m D2H1 2 1 2 4 1 15 2 75 D3H1 3 1 3 55 1 89 5 25 D4H1 4 1 4 78 2 75 8 50 D5H1 5 1 6 0 3 2 11 99 D3H2 3 2 3 4 1 84 5 00 D3H3 3 3 3 17 1 71 5 00 D3H4 3 4 3 09 1 67 5 00 D5H3 5 3 5 6 3 02 11 99 中国电波传播研究所中国电波传播研究所 以城市化进程早于中国的日本为例 以城市化进程早于中国的日本为例 19871987年至年至19881988年间 东京 名年间 东京 名 古屋等城市也曾有过地陷多发期 原因与中国城市完全一样 古屋等城市也曾有过地陷多发期 原因与中国城市完全一样 19901990年起年起 日本使用雷达探测技术在全国范围内进行地下空洞调查 对一些大的 日本使用雷达探测技术在全国范围内进行地下空洞调查 对一些大的 危险的空洞进行工程填补 之后 日本在各城市重点区域定期探测 危险的空洞进行工程填补 之后 日本在各城市重点区域定期探测 巡查 一旦发现塌陷隐患 立时填补 并启动预案对周边加强检测 巡查 一旦发现塌陷隐患 立时填补 并启动预案对周边加强检测 最近最近2020余年 东京每年仅有一至两起大规模地陷 甚至数年未出现余年 东京每年仅有一至两起大规模地陷 甚至数年未出现 大规模地陷 大规模地陷 北京养护集团市政九处为了保障北京养护集团市政九处为了保障20082008年奥运 采用探地雷达对户外运年奥运 采用探地雷达对户外运 动路线进行了安全检测 此后 多次对重要的路线进行了普查 对有塌动路线进行了安全检测 此后 多次对重要的路线进行了普查 对有塌 陷迹象的路段进行了重点探测 准确发现并处置了多处险情 陷迹象的路段进行了重点探测 准确发现并处置了多处险情 哈尔滨 太原 深圳等城市也先后采用探地雷达对可疑路段或重点部哈尔滨 太原 深圳等城市也先后采用探地雷达对可疑路段或重点部 位进行了勘查 取得了一定效果 位进行了勘查 取得了一定效果 成功案例成功案例 中国电波传播研究所中国电波传播研究所 2 5 城市道路灾害预警雷达系统 中国电波传播研究所中国电波传播研究所 系统结构及功能示意图系统结构及功能示意图 道路基底层病害探测 道面破损及异物检测 道面平整度 车辙检 测 地理位置信息检测 道路结构缺陷病害检 测 实时路况信息图像采 集 信息处理分析软件 道路病害信息查询 中国电波传播研究所中国电波传播研究所 100MHz天线场 覆盖区域 100MHz天线场 覆盖区域 270MHz 天线场 覆盖区域 400MHz 天线场 覆盖区域 400MHz 天线场 覆盖区域 270MHz 天线场 覆盖区域 行进方向 2 6 2 6 系统创新点系统创新点1 1 多波段天线阵 多波段天线阵设计设计 中国电波传播研究所中国电波传播研究所 天线阵排列及悬挂方式结构设计天线阵排列及悬挂方式结构设计 中国电波传播研究所中国电波传播研究所 系统创新点系统创新点2 2 情景再现功能 情景再现功能 侧视路况视频 路面高清图像 GPS 控制 处理 中心 GIS 前视路况视频 DMI信息 雷达检测数据 中国电波传播研究所中国电波传播研究所 雷达图像可与视频相互印证 位置可通过雷达图像可与视频相互印证 位置可通过GPS坐标直接确定坐标直接确定 中国电波传播研究所中国电波传播研究所 系统创新点系统创新点3 3 全时段工作能力 全时段工作能力 中国电波传播研究所中国电波传播研究所 创新点创新点4 病害定位城市坐标化 病害定位城市坐标化 道路灾害预警车采用RTK差分GPS 系统对行车路线进行了记录 定位误 差不大于10cm 在提交的检测成果报 告中 病害的位置均采用GPS坐标予 以描述 极大地方便了施工人员的现 场定位 中国电波传播研究所中国电波传播研究所 创新点创新点5 病害信息分析评价管理图形化 病害信息分析评价管理图形化 中国电波传播研究所中国电波传播研究所 2 7 2 7 塌陷预警雷达系统应用案例塌陷预警雷达系统应用案例 中国电波传播研究所中国电波传播研究所 流亭机场工程现场流亭机场工程现场 中国电波传播研究所中国电波传播研究所 管线周 围疏松 富含水 富 含 水 270MHz天线 管线周围疏松 100MHz天线 管线周围疏松 400MHz天线 哈尔滨工程现场哈尔滨工程现场 中国电波传播研究所中国电波传播研究所 城市道路灾害预警雷达系统城市道路灾害预警雷达系统 中国电波传播研究所中国电波传播研究所 2 8 2 8 系统特点及应用效果总结系统特点及应用效果总结 1 多波段天线阵的分辨能力和穿透能力既能保证探测发现具有塌陷 风险的空洞 又充分预留了浅层小孔洞和深层大空洞的探测能力 能够为 防止道路塌陷事故提供预警预报 2 多波段天线阵加大了测线的覆盖宽度 提高了探测效率 同时保 证了在城市道路上行驶的机动性和安全性 3 针对城市道路空洞隐患探测的复杂性 提供了多方位的专业特色 功能 贯穿了探测作业 综合分析 结论管理全过程 提高了系统的实用 性 4 系统适时地提供了一种高效的实用的防治城市道路塌陷的解决方 案 中国电波传播研究所中国电波传播研究所 总之 RDFD V01车载式道路灾害预警雷达系统探测速度探测速度 快 探测深度大 探测幅面宽 探测定位精度高 是城市道路快 探测深度大 探测幅面宽 探测定位精度高 是城市道路 下方空洞等道路灾害全面快速普查的有效装备 下方空洞等道路灾害全面快速普查的有效装备 该系统将能够 辅助政府主管部门 为市民安全出行提供有力的保障 最后建议 采用探地雷达技术进行空洞探测应该选择在秋 冬季节开展探测作业 因为秋冬季节雨水少 地下水位低 土 壤干燥 对雷达电磁波的衰减相对较小 对保证探测深度和效 果十分有利 同时也可在雨季来临之前发现并消除隐患 防止 最终酿成灾害性事故 系统特点及应用效果总结系统特点及应用效果总结 中国电波传播研究所中国电波传播研究所 目录 探地雷达探地雷达 GPR 发展概况发展概况 1 2 GPR在道路养护检测中的应用 3 4 GPR市政管线探测中的应用市政管线探测中的应用 道路塌陷事故道路塌陷事故GPR预警技术预警技术 GPR在建筑结构探测中的应用在建筑结构探测中的应用 5 6 结语结语 中国电波传播研究所中国电波传播研究所 3 1 城市道路层厚快速检测 中国电波传播研究所中国电波传播研究所 中国电波传播研究所中国电波传播研究所 通过固定在车头底部的无拼接通过固定在车头底部的无拼接线结构激光断面仪线结构激光断面仪 生成 生成 面数字高程模型 检测道路横断面系数和变形 准确计算出车辙面数字高程模型 检测道路横断面系数和变形 准确计算出车辙 深度 变形和面积等数据 深度 变形和面积等数据 线结构激光断面仪线结构激光断面仪 中国电波传播研究所中国电波传播研究所 采用固定在前方车顶的采用固定在前方车顶的高速高清晰线阵扫描照相机和高速高清晰线阵扫描照相机和 红外照明红外照明结合 在距离测量传感器触发下对道路进行高速连续结合 在距离测量传感器触发下对道路进行高速连续 拍摄 由分析处理软件对表面裂缝 修补 沉陷以及异物等进行拍摄 由分析处理软件对表面裂缝 修补 沉陷以及异物等进行 识别 统计识别 统计 高清晰线阵扫描照相机 检测技术 道路表面破损检测诊断技术 中国电波传播研究所中国电波传播研究所 通过固定在车头顶部的两部日夜型高清晰摄像机高清晰摄像机对测量 路线两侧的标志 标线 绿化带等设施进行拍摄记录备查 并可 由右视摄像机记录的路旁景观进行检测定位 高清晰摄像机 中国电波传播研究所中国电波传播研究所 采用高精度距离测量传感器 DMI 和GPS对系统工作进行 准确的同步 保证各种传感器 检测位置坐标的一致性 方便 对道路病害等进行准确分析和 定位 地理位置信息检测地理位置信息检测 病害定位技术病害定位技术 中国电波传播研究所中国电波传播研究所 大同公路LTD车载公路检测雷达数据 公路面基层厚度检测图谱 中国电波传播研究所中国电波传播研究所 厚度检测报表 计算机可自动生成厚度评价报表 中国电波传播研究所中国电波传播研究所 我所与黑龙江省公 路局于2010年10月16 日对连接哈尔滨和双 城的102国道进行了路 基路面质量检测 3 2 隐蔽蔽病害探测 提供定量养护指导 中国电波传播研究所中国电波传播研究所 3 2 区域养护探测 面对路面破损 要洗刨多深 左图 道路发育有裂缝 贯穿深度如何 如左图 道路发育有裂缝 贯穿深度如何 如 何处置 何处置 右图 雷达高频天线探测图谱显示该处沥青右图 雷达高频天线探测图谱显示该处沥青 底界同相轴连续 裂缝未贯穿到水稳层 底界同相轴连续 裂缝未贯穿到水稳层 中国电波传播研究所中国电波传播研究所 钻芯验证 裂缝只是延伸到沥青上面层和中面层 钻芯验证了工程师对雷达图谱的解释 沥青底界同相轴连续 裂缝贯穿深度应不大于8cm 养护时只需洗刨到面层即可 中国电波传播研究所中国电波传播研究所 该处出现从面层到水稳底 界的贯穿裂缝显示 路表面完好 需要处理吗 贯穿裂缝及取芯验证 钻芯验证表明下面的水稳钻芯验证表明下面的水稳 已经全部破损已经全部破损 中国电波传播研究所中国电波传播研究所 3 3 地下空洞及板下脱空探测 海口市丘海大道脱空检测图谱 开挖验证结果 中国电波传播研究所中国电波传播研究所 湖南省长永高速改建前的路面破损情况探测场景湖南省长永高速改建前的路面破损情况探测场景 左图为未更换板中钢筋分布 中间是混凝土板下脱空的典型图像 右图可清 楚识别出更换后的混凝土板 藉此统计更换新板的工作量 刷黑工程中水泥板脱空检测 中国电波传播研究所中国电波传播研究所 综合检测 方案制定 实现精细养护 通过人工巡视和多次上路测试 我们获得了一系列路况信息 路况调查 车辙 弯沉 摩擦系数等 某桩号某桩号K0 100处的养护方案处的养护方案 照相照相 裂缝统计裂缝统计 裂缝垂向分布裂缝垂向分布 病害分布病害分布 面层厚度面层厚度 崂山消防崂山消防 中国电波传播研究所中国电波传播研究所 中国电波传播研究所中国电波传播研究所 目录 探地雷达探地雷达 GPR 发展概况发展概况 1 2 GPR在市政道路检测中的应用在市政道路检测中的应用 3 4 GPR市政管线探测中的应用 道路塌陷事故道路塌陷事故GPR预警技术预警技术 GPR在建筑结构探测中的应用在建筑结构探测中的应用 5 6 结语结语 中国电波传播研究所中国电波传播研究所 4 1 市政地下管线探测市政地下管线探测 LTD 2100探地雷达 GC400 270MHz天线 对于年代久远或者缺少资料的隐蔽管线 尤其是国防光缆令对于年代久远或者缺少资料的隐蔽管线 尤其是国防光缆令 公路施工者大伤脑筋 探地雷达基于电磁波反射原理 可快速探公路施工者大伤脑筋 探地雷达基于电磁波反射原理 可快速探 知地下金属和非金属管线 弥补了常规管线探测仪的不足 知地下金属和非金属管线 弥补了常规管线探测仪的不足 中国电波传播研究所中国电波传播研究所 市政管线普查现场 哈尔滨市政管线探测现场 中国电波传播研究所中国电波传播研究所 哈尔滨市政管线检测数据 并排埋设的3根 管子 中国电波传播研究所中国电波传播研究所 类型 双频地面耦合天线