探地雷达应用于地下空洞探测

探地雷达技术应用于地下空洞塌陷灾害普查探测的创新与实践二O一三年七月报告人：王春和中国电波传播研究所内容提要概述探地雷达技术应用创新-车载式道路灾害预警雷达系统预防道路塌陷适用性分析结论一、概述深圳龙岗横岗街道路面塌陷现场（5人死亡）1.1我国城市道路塌陷事故愈演愈烈，上升趋势明显一、概述哈尔滨市南岗区辽阳街90号附近路面发生塌陷（2死2伤）一、概述山西省太原市并州路与并州西街交叉路口塌陷现场(20121226)一、概述太原永祚西街塌陷(20130711)一、概述沈阳市于洪区细河南路地面发生塌陷，一辆新买10天左右的丰田吉普车翻进坑里。（2013年3月19日）一、概述沈阳中街路面塌陷约20平米（2013年7月11日）一、概述

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2012年3月印发的《全国地面沉降防治规划（2011-2020年）》指出，目前全国遭受地面沉降灾害的城市超过50个，分布于北京、天津、上海等20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，北京市发生路面坍塌事故2007年54起，2008年94起，2009年129起。1.1我国城市道路塌陷事故愈演愈烈，上升趋势明显一、概述

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。1.2城市道路塌陷的主要原因一、概述（1）城市地下空间资源短时间大规模开发利用是地陷事故发生的内在原因。十六大以来，我国城镇化发展迅速，2002年至2011年，城镇人口比重上升了12.18个百分点，达到51.27%。城市规模的急剧扩大，城市人口的迅猛增长，对交通、通信、电力、给排水、燃气等需求急剧增长，城市地下空间的开发利用无疑是满足这些需要的有效途径。这些地下工程改变了上亿年形成的地质平衡和水动力循环条件，造成地下水位下降、水土流失、地表沉降等现象，严重时对城市管网造成损坏，从而加快形成地下空洞的过程。（2）给排水管（函）不堪重负而渗漏爆裂是导致城市地陷的主要的直接原因。城区规模的扩大，原来的河流湖泊变成了马路、小区和广场，雨水原来就近集中渗漏排泄的渠道被封闭，城市排水集中到原本建设标准不高的管函中，随着排水压强和流速越来越大，造成管函破裂，泥沙流失，最终导致地面塌陷。老城区的给水管也随着负担日益加重，锈蚀日趋严重而导致破裂，水土流失，日积月累，逐渐形成大的空洞而酿成地面塌陷。1.2城市道路塌陷的主要原因一、概述中国的城市化发展是大势所趋，到2050年城市人口比重将达70%，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。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。1.3城市道路塌陷将继续伴随着我国城市化发展进程一、概述赞成专家们的建议，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。1.4建立城镇道路空洞普查检测制度

是扼制塌陷事故高发的快速有效的途径一、概述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、创新使用探地雷达技术，

实现城市环境的道路空洞检测一、概述以城市化进程早于中国的日本为例，1987年至1988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。东京大规模地陷次数每年多达20-25次，造成了严重社会问题。1990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、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。最近20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。2、创新使用探地雷达技术，

实现城市环境的道路空洞检测一、概述2、创新使用探地雷达技术，

实现城市环境的道路空洞检测探地雷达技术在防治道路塌陷方面也为国内专家们普遍认可。北京养护集团市政九处为了保障2008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位进行了勘查，取得了一定效果。一、概述

目前，在上述城市的探测实践中，主要采用单通道或双通道探地雷达人工拖动或车辆拖动的方式进行探测，这种方式显然难以满足城市道路空洞普查的需求。原因如下：（1）由于城市环境尤其是地下空间的复杂性，既有空中的过街天桥、线缆、交通信号横杆、广告牌，又有地下的人行横道、管线、函沟，还有由于经年翻修形成的多变的道路结构，对雷达来讲，它们都会产生雷达干扰回波从而形成复杂的雷达图像。（2）由于空洞成因不同，演变机理多样，空洞形态呈现出规模大小不一，形状不规则，无明显走向和延伸等特点。要从复杂的雷达图像中找出空洞，排除人工设施干扰的话，最直接的方法就是从二者的走向和延伸形态上进行区分判别。目前人工单通道探地雷达技术要判断目标的形态，必须对地面进行多测线扫描探测，工作量大幅度增加，耗时费力，在探测方法上还有许多技术要求。2、创新使用探地雷达技术，

实现城市环境的道路空洞检测一、概述（3）由于分辨率和探测深度的矛盾，中心频率高的天线能分辨小目标，但探测深度较小；中心频率低的天线探测深度大，但小目标容易被“忽略”。上述城市在探测中，多采用100MHz屏蔽天线进行探测，这极有可能把深度1m以内的小空洞漏掉，从而失去采取预防措施的有利时机。（4）单通道天线有效的覆盖宽度有限，而在同一车道上采用多条测线进行测试，形成多个雷达剖面，在技术上又难以实现，工作量也成倍增加。（5）表观检测和雷达检测难以有机结合。利用空洞沉降引起的凹陷、裂缝等表观反应是通过雷达图像确认地下存在空洞的一个有利佐证。而现有手段，雷达图像和表观现象并不同步记录。2、创新使用探地雷达技术，

实现城市环境的道路空洞检测一、概述综上所述，探地雷达技术是解决城市道路塌陷灾害的必然选择，但针对城市道路环境的复杂性，在雷达技术的具体应用方法上还需要创新，既要处理好空洞大小和埋藏深浅矛盾，保证有效性；也要解决道路空洞隐患的综合处理判断方法，排除虚警，保证结果的准确性；还要提供操作容易，使用简单的设备以及方便与施工部门衔接的结论，满足实用性要求。2、创新使用探地雷达技术，

实现城市环境的道路空洞检测内容提要概述探地雷达技术应用创新-车载式道路灾害预警雷达系统结论二、探地雷达技术应用创新-车载式道路灾害预警雷达系统-二、探地雷达技术应用创新-车载式道路灾害预警雷达系统交通部公路工程检测中心的专项研究报告[3]指出，道路表面下方3m以内是路基载荷分布区，当空洞等病害进入这个深度范围内时，才会影响道路结构和受力。因此，除极少数特别巨大的空洞外，绝大多数的具有现实塌陷危险的空洞，洞顶至道路表面距离均小于3m。这与城市道路塌陷灾害现场调查的情况普遍一致。创新点1、采用多波段天线阵列满足道路空洞探测需求1.1道路空洞的分布特点二、探地雷达技术应用创新-车载式道路灾害预警雷达系统表1

路面塌陷深度分布表（北京市近三年数据统计）塌陷深度范围(m)(0,1)（1,2）(2,3)(3,4)(4,5)(5,6)(6,7)(7,8)(8,12)百分比/%2335136333103累计百分比/%23587177818487971001.1道路空洞的分布特点二、探地雷达技术应用创新-车载式道路灾害预警雷达系统表2道路模型的物理与力学参数厚度m天然重度kN/m3弹性模量MPa泊松比粘聚力kPa内摩擦角抗拉强度kPa沥青混凝土0.152513000.25500水泥稳定碎石0.50258000.25400地基土—1825.50.35201501.1道路空洞的分布特点二、探地雷达技术应用创新-车载式道路灾害预警雷达系统判断道路下方既有孔洞发生塌陷的评价指标：（1）自重应力+交通荷载作用下，按莫尔-库伦强度准则计算的洞顶上方的破坏区或屈服区贯通至基层底部；（2）标准轴载作用下，基层底部水平应力大于其抗拉强度，出现拉破坏。1.1道路空洞的分布特点二、探地雷达技术应用创新-车载式道路灾害预警雷达系统D2H1交通荷载作用下临界埋深1.75+0.65m时屈服区分布二、探地雷达技术应用创新-车载式道路灾害预警雷达系统D3H1交通荷载作用下临界埋深2.875+0.65m时屈服区分布二、探地雷达技术应用创新-车载式道路灾害预警雷达系统D3H1交通荷载作用下临界埋深2.875+0.65m时屈服区分布二、探地雷达技术应用创新-车载式道路灾害预警雷达系统表3

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）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道路空洞的分布特点二、探地雷达技术应用创新-车载式道路灾害预警雷达系统综上所述，道路空洞发生、演化的结果十分有利于发挥探地雷达技术的优点，因为空洞体积越大，顶板厚度越小，越有利于采用分辨率高的天线清晰地探测到空洞。1.1道路空洞的分布特点二、探地雷达技术应用创新-车载式道路灾害预警雷达系统城市道路塌陷防治要预防为主，这就要求预警雷达系统由空洞演变成塌陷灾害的前期就能发现它，因此,选择天线的深度探测能力与分辨能力时要留有余量。在我所研制的10余种天线中，我们选择中心频率400MHz、270MHz和100MHz单体屏蔽天线构成预警雷达系统的多波段天线阵。1.2多波段天线阵设计满足空洞探测深度和分辨能力的要求二、探地雷达技术应用创新-车载式道路灾害预警雷达系统表4不同频率天线的分辨率和参考探测深度天线种类中心频率纵向分辨率探测深度主要用途单体屏蔽天线400MHz12.5cm1~5m探测深度2m以内，空洞直径不小于20cm270MHz18.5cm1~7m探测深度3m以内，空洞直径不小于30cm100MHz50cm5~20m探测测深度15m以内，空洞直径不小于2m1.2多波段天线阵设计满足空洞探测深度和分辨能力的要求二、探地雷达技术应用创新-车载式道路灾害预警雷达系统选择中心频率400MHz、270MHz和100MHz单体屏蔽天线的原因在于：（1）首先他们都是屏蔽天线，能有效地抑制来自道路上空人工设施的干扰，适用于复杂的城市环境；（2）400MHz和270MHz天线既有适中的穿透能力又有小空洞分辨能力，二者结合基本上保证100%预先探测到接近塌陷临界点的空洞，同时又能探测到3m以内不具塌陷风险的小空洞，以便在日常养护中及时消除道路隐患；（3）100MHz天线主要用于发现潜伏在道路深层、不具现实威胁的规模较大的空洞。可见，多波段天线阵既保证了具备塌陷风险空洞的探测能力，又在分辨率和探测深度上留足了余量，争取早期发现空洞隐患，真正起到预警作用。1.2多波段天线阵设计满足空洞探测深度和分辨能力的要求二、探地雷达技术应用创新-车载式道路灾害预警雷达系统天线阵列具有探测效率高，数据丰富的优点，但采用天线阵的方式进行探测，不可避免的要遇到天线振子单元之间的互耦与通道串扰问题，因此需要结合探测方式对天线单元的分布进行合理的设计。为保证探测的准确性，不存在探测盲区，天线单元之间的间距应尽量小，即在有效的宽度内排列更多的单元，但过小的间距又会带来天线单元之间的耦合和干扰增加，降低系统信噪比。因此需要对天线单元之间的间距进行合理的设计，并进行充分的试验，以实现探测无遗漏，全面覆盖的要求。1.3多波段天线阵设计实现宽幅无缝覆盖，满足高效探测要求二、探地雷达技术应用创新-车载式道路灾害预警雷达系统探地雷达天线一般采用VV极化的工作方式进行探测，即收发天线振子皆垂直于行进方向水平放置，易于对道面以下的管线、电缆等目标进行识别。下图为单个天线振子的辐射方向图，左图为天线在其行进方向上，即H面的方向图；右图为行进垂直方向上，即E面的方向图。1.3多波段天线阵设计实现宽幅无缝覆盖，满足高效探测要求二、探地雷达技术应用创新-车载式道路灾害预警雷达系统由天线E面方向图可以看出，天线向下辐射的能量主要集中在±30°的角度内，设天线单元之间的间距为d，探测目标深度为h，则：实际天线单元间距应小于上式计算值，而且d必须要大于天线振子长度，同时天线间距d又不能过小，以免引起单元之间的互耦。为保证阵列整体的紧凑和天线阵列所允许的最大宽度，针对公路病害深度探测需求，通过上式进行计算并结合实验验证，可得到天线单元之间的间距d。1.3多波段天线阵设计实现宽幅无缝覆盖，满足高效探测要求二、探地雷达技术应用创新-车载式道路灾害预警雷达系统本系统天线阵排列方式如下图所示，共使用6副天线，中心频率100MHz、270MHz和400MHz各2副。100MHz天线间距为d3=98.6cm，400MHz天线和270MHz天线间距为d2=47.5cm，400MHz天线间距为d1=40.5cm。行进方向d2d1d2d31.3多波段天线阵设计实现宽幅无缝覆盖，满足高效探测要求二、探地雷达技术应用创新-车载式道路灾害预警雷达系统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1.3多波段天线阵设计实现宽幅无缝覆盖，满足高效探测要求二、探地雷达技术应用创新-车载式道路灾害预警雷达系统天线阵排列及悬挂方式结构设计创新点1、采用多波段天线阵列满足道路空洞探测需求二、探地雷达技术应用创新-车载式道路灾害预警雷达系统2、实用化设计成就道路灾害预警利器创新点2、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信息雷达检测数据二、探地雷达技术应用创新-车载式道路灾害预警雷达系统2、实用化设计成就道路灾害预警利器创新点2、情景再现功能二、探地雷达技术应用创新-车载式道路灾害预警雷达系统2、实用化设计成就