探地雷达技术用于
地下空洞塌陷灾害普查探测的创新与实践
王春和，崔海涛，赵翠荣，陈光
（中国电波传播研究所，通讯方式010-57210257）
摘要：近年，我国城市道路塌陷事故愈演愈烈，引起了社会的广泛关注。该文呼吁城市道路塌陷预防检测要制度化常规化。分析了创新使用探地雷达技术的必要性。在分析道路结构层下方的空洞分布规律基础上，设计了多波段天线阵确保实现空洞的预防性探测，并完成了实用性车载预警雷达系统的研制，为普及道路病害探测提供了高效的专业工具。
关键词：城市道路；道路塌陷；多波段天线阵列；道路灾害预警雷达
1 概述
1.1 地陷事故高发趋势亟需修订普查检测制度予以扼制
5月20日晚，在广东省深圳市龙岗区横岗街道一起突如其来的路面塌陷事故中，伴随着一声闷响，5条鲜活的生命刹那间消失在黑暗的地狱中。仅在一个月前，在深圳市福田区发生路面塌陷事故造成1人死亡。3月深圳市景洲大厦小区发生地陷致一名保安坠坑身亡。截至目前，深圳今年连发9起地陷致6死2伤，“城市陷阱”令人防不胜防，开始让深圳市民有种“走路都不安全”的恐慌。由此联想到去年8月份“夜幕下的哈尔滨”上演“步步惊心”的一幕，9天时间发生7起地陷事故，造成2死2伤2车坠坑的人间悲剧。就在昨天（2013年7月11日），太原永祚西街发生大面积塌陷，再次绷紧了当地市民的神经；沈阳朝阳街东侧路面突然塌陷形成20多平方米的大坑，也在刷新今年该市道路塌陷事故的次数。
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，2007年北京市发生路面坍塌事故54起，2008年94起，2009年129起。
地陷的具体原因并非完全相同，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甚至认为，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研究员宋谷长分析，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。
笔者认为，（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，我国城镇化率以平均每年1.35个百分点的速度发展，城镇人口平均每年增长2096万人。2011年，城镇人口比重达到51.27%，比2002年上升了12.18个百分点。城市规模的无限制扩大，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。
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。
首先笔者赞成多名专家的建议，制定一部完整、权威的法律，来规范并解决开发权限、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。其次，笔者建议尽快修订现有《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。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。
1.2 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分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、半气半水空洞以及冲水空洞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。
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。因此，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。
探地雷达技术在防治道路塌陷方面也普遍为国内专家们认可。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。
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，对雷达来讲，既有来自空中的过街天桥、线缆、交通信号横杆、广告牌等干扰物，又有来自地下的人行横道、管线、函沟，还有由于经年翻修形成的多变的道路结构等，它们都会产生雷达回波从而形成丰富的雷达图像。由于空洞成因不同，演变机理多样，在空洞形态上形成规模大小不一，形状不规则，无明显走向和延伸等特点。要从纷繁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）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。（3）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。（4）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。
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 探地雷达技术应用创新-车载式道路灾害预警雷达系统
针对近年来我国城市道路坍塌事故高发的趋势，在“十一五”期间，我所开展了关键技术攻关，研发了RDFD-V01车载式道路灾害预警雷达系统。该系统以完全自主知识产权的探地雷达阵列检测技术为核心，融合高清晰线扫描图像检测技术和视频景象记录，辅以DGPS和里程计定位技术，以机动车辆为平台，在巡航车速下对道路进行深度“CT”扫描，实现“由表及里、由浅入深”的高速精确探测，提前发现道路下方隐伏的空洞，并精确确定它们的位置、深度和范围等信息，提前预警道路塌陷灾害，为市政道路管理部门及时排除隐患提供有力的技术手段。
2.1多波段天线阵列设计满足道路空洞探测需求
2.1.1道路空洞的分布特点
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。
北京市近三年塌陷深度的统计数据[1]如表1所示，从中可归纳道路空洞的如下分布特点：
（1）引发道路塌陷的病源深度集中12 m之内，其中0~5 m范围内占80%（表1）。可见，塌陷与人工设施扰动是密切相关的，管网密集分布的深度范围恰是塌陷病源的集中区域，绝大多数引起城市道路塌陷的空洞均与地下管线相伴生，是最严重的管线次生灾害。
（2）塌陷发生时，空洞顶板的厚度已经很小。比如，如果塌陷深度是5m，肯定下面至少有5m深的泥土流失，而这些泥土肯定主要是病源所在深度以上的，可推知，塌陷前洞顶厚度很有可能仅剩余道路自身的结构层。
表1 路面塌陷深度分布表（北京市近三年数据统计）
为了验证上述结论，我们委托哈尔滨工业大学依据城市交通和道路岩土力学工程研究成果，采用有限元法对道路空洞的极限承载力进行了仿真计算。首先根据结构的和材料特点建立了道路的数值模型，如表2所示。
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。
表3列举了若干尺寸的空洞临界塌陷时空洞顶板的厚度及其脱空范围。可以看出：（1）不同规模的地下空洞向上发展到相应深度才具有塌陷的可能，即只有规模足够大且距离道路地表足够近的空洞才具塌陷风险；（2）空洞规模越小，其塌陷临界顶板厚度越薄；（3）在塌陷临界状态，洞顶部的脱空范围会明显增大。
表3 空洞尺寸及塌陷临界时顶板厚度和脱空范围
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。
2.1.2天线阵构成单元的深度和分辨能力的设计
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（主要性能见表4）。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，以便在道路日常养护中及时消除隐患；（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，从天线阵构成单元性能上，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。
表4 不同频率天线的分辨率和参考探测深度
说明：上表中探测深度与探测区域土壤的衰减系数有关。
2.1.3天线阵排列方式设计
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。
图1 天线方向图
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。图1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。由天线方向图可以看出，天线在地面以下的辐射能量分布大致为椭圆形，并且在其正下方即垂线方向的辐射能量最大，即探测能量最强，越偏离垂线方向，辐射能量越小。根据计算与测试，天线对地辐射信号经过地下介质的衰减与传播后，其有效探测区域基本局限在其1.5倍天线口径内的正下方，大致呈矩形分布。
由图1中天线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：
（1）
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，通过式（1）进行计算并结合实验验证，可得到天线单元之间的间距d。
本系统天线阵排列方式如图2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。
图2 天线阵排列示意图
天线阵实体总宽度185cm，不会对旁边车道行驶的车辆造成阻碍，且具备遇阻力自提升功能，提高了雷达检车的机动性，并保证了行驶的安全性。100MHz天线形成的辐射场与270/400MHz天线形成的辐射场宽度相当，可实现在2.3m宽度内无盲区检测。图3圆角矩形区域为天线有效探测区域。
图3 天线阵辐射场覆盖区域示意图
图4 天线阵排列及悬挂方式结构设计
2.2实用化设计成就道路灾害预警利器
2.2.1 情景再现功能
图5 车载式道路灾害预警雷达系统的信息流
当RDFR道路灾害预警雷达进行探测工作时，在距离测量器（DMI）的触发下，控制处理中心对6路探地雷达、2路路况视频、1路路面高清图像和差分GPS信号同步完成了数据采集。在进行内业时，分析员可以选择同步回放上述所有图像信息，也可以在三种图像之间实现相互检索。这就是情景再现功能，通过这种功能可以对异常雷达图像进行综合分析判断，排除周围设施、来往车辆的干扰，查看地表的表观反应等，进而确认病害的性质。同时，也可以辅助现场定位。
2.2.2全天时工作能力
针对城市道路拥挤堵塞的现实情况，夜晚出来进行探测作业既不影响交通，又能尽量保持平直的探测路线，还能避免来往车辆的干扰，道路灾害预警车均采用了红外照明的图像采集子系统，具备了全天时工作能力，极大地提高了系统的探测效率。
2.2.3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。
2.2.4 病害信息分析管理直观化
在对道路病害种类进行分析后，我们制定雷达图像解释的结论符号规则，即用特定的符号对雷达图像的异常区域进行标注后，处理软件会自动把病害的种类、位置、深度等信息进行记录，每条测线对应一个病害记录报表。这些报表可以导入GIS分析平台中，分析软件可以对对应路段的多条检测结果进行聚类分析，并以病害的种类和密集度以彩色曲线的形式表示出优良中差的评价结果，同时也可以点击病害标示符查询病害的具体属性信息。
3 结论
本文在分析城市道路空洞分布特点的基础上，论述了道路灾害预警雷达系统的核心技术-多波段探地雷达天线阵列设计，并对系统的特色功能进行了简要介绍，由此得出如下结论：
（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。
总之，RDFD-V01车载式道路灾害预警雷达系统探测速度快、探测深度大、探测幅面宽、探测定位精度高，是城市道路下方空洞等道路灾害全面快速普查的专用装备。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。
参考文献
[1] 宋谷长，叶远春，刘庆仁.北京市城市道路塌陷成因及对策分析[J].城市道桥与防洪2011年8月第8期
[2] 杨彩侠.城市道路路面塌陷成因初探[J].山西建筑 Vol.39 No．15 May．2013
[3] 常成利.公路浅层缺陷雷达快速无损检测技术研究
[4]彭芳乐, 清住真, 高伟, 等. 空洞的存在对浅基础承载力与沉降影响分析[J]. 岩石力学与工程学报, 2007,26(6): 1123－1131.
[5]刘辉,杨峰,杨军生. 空洞上方浅基础破坏模式与极限承载力分析[J]. 岩石力学, 2010,31(11)。
[5]戴长寿． 南京中山南路路面塌陷原因浅析［J］江苏地质，1990( 3) : 47-48．
