探地雷達技術應用于地下空洞塌陷災害普查探測的創新與實踐二O一三年七月報告人：王春和中國電波傳播研究所內容提要概述探地雷達技術應用創新-車載式道路災害預警雷達系統預防道路塌陷適用性分析結論一、概述深圳龍崗橫崗街道路面塌陷現場（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遼陽街90號附近路面發生塌陷（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場(20121226)一、概述太原永祚西街塌陷(20130711)一、概述沈陽市于洪區細河南路地面發生塌陷，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

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

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

北京市市政工程設計研究總院宋谷長在一篇論文中披露，北京市發生路面坍塌事故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、北京交通大學隧道及地下工程試驗研究中心主任王夢恕認為，地下十米以內的施工，是頻頻出現的點狀地面塌陷的主要原因，是地陷禍首。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；一些地下管線經長久腐蝕容易形成穿孔、斷裂等滲漏現象，容易造成對土基沖刷，帶走周邊泥沙。北京市市政工程設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，很容易發生流沙或淘蝕現象，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模開發利用是地陷事故發生的內在原因。十六大以來，我國城鎮化發展迅速，2002年至2011年，城鎮人口比重上升了12.18個百分點，達到51.27%。城市規模的急劇擴大，城市人口的迅猛增長，對交通、通信、電力、給排水、燃氣等需求急劇增長，城市地下空間的開發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平衡和水動力循環條件，造成地下水位下降、水土流失、地表沉降等現象，嚴重時對城市管網造成損壞，從而加快形成地下空洞的過程。（2）給排水管（函）不堪重負而滲漏爆裂是導致城市地陷的主要的直接原因。城區規模的擴大，原來的河流湖泊變成了馬路、小區和廣場，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標準不高的管函中，隨著排水壓強和流速越來越大，造成管函破裂，泥沙流失，最終導致地面塌陷。老城區的給水管也隨著負擔日益加重，銹蝕日趨嚴重而導致破裂，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%，和世界上許多發達地區的城市相比，中國的城市地下空間開發才剛起步，發展潛力巨大。隨著城市地下空間資源開發規模力度的日益加大，引發地陷的因素不可逆轉的在增多，因此，城市地陷事故高企在所難免。可以預計，地陷將伴隨中國城市發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、減輕災難，就變得現實而必要。1.3城市道路塌陷將繼續伴隨著我國城市化發展進程一、概述贊成專家們的建議，制定一部完整、權威的法律，來規范并解決我國城市地下空間的開發權限、體制、標準與規程；建立協調管理結構，解決我國城市地下空間存在多頭管理和立法空白問題，從而實現城市地下空間開發的統一規劃、統一標準和統一管理，從根源上抑制地陷事故的發生。建議盡快修訂現有《城鎮道路養護技術規范》、《公路技術狀況評定標準》，把地下空洞的檢測作為道路普查的重要內容。這是目前解決我國大中城市所面臨難題的快速、有效途徑。我國現有的道路的標準和規范均是建立在表觀檢測數據基礎上進行量化評價，這些方法根本無法發現地面以下潛伏的災難性病害，實現預防性養護。對城市道路塌陷的防治目前基本上靠人工巡視，群眾舉報，其結果往往是防不勝防，難以湊效。采用先進的技術對城市道路進行常規普查巡檢，實現防患于未然是大勢所趨。1.4建立城鎮道路空洞普查檢測制度

是扼制塌陷事故高發的快速有效的途徑一、概述探地雷達通過發射天線向地下發射高頻電磁波，電磁波在地下介質中傳播時遇到存在電性差異的界面時發生反射或散射，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的空間位置、結構、形態和埋藏深度。探地雷達以高分辨、高效率、無損、結果直觀等特點在工程物探領域得到了廣泛的推廣應用。道路結構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差異較大，因此，探地雷達技術十分適合道路空洞的探測。2、創新使用探地雷達技術，

實現城市環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期，原因與中國城市完全一樣。東京大規模地陷次數每年多達20-25次，造成了嚴重社會問題。1990年起，日本使用雷達探測技術在全國范圍內進行地下空洞調查，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域定期探測、巡查，一旦發現塌陷隱患，立時填補，并啟動預案對周邊加強檢測。最近20余年，東京每年僅有一至兩起大規模地陷，甚至數年未出現大規模地陷。2、創新使用探地雷達技術，

實現城市環境的道路空洞檢測一、概述2、創新使用探地雷達技術，

實現城市環境的道路空洞檢測探地雷達技術在防治道路塌陷方面也為國內專家們普遍認可。北京養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，準確發現并處置了多處險情。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）由于城市環境尤其是地下空間的復雜性，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，還有由于經年翻修形成的多變的道路結構，對雷達來講，它們都會產生雷達干擾回波從而形成復雜的雷達圖像。（2）由于空洞成因不同，演變機理多樣，空洞形態呈現出規模大小不一，形狀不規則，無明顯走向和延伸等特點。要從復雜的雷達圖像中找出空洞，排除人工設施干擾的話，最直接的方法就是從二者的走向和延伸形態上進行區分判別。目前人工單通道探地雷達技術要判斷目標的形態，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要求。2、創新使用探地雷達技術，

實現城市環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，但探測深度較小；中心頻率低的天線探測深度大，但小目標容易被“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以內的小空洞漏掉，從而失去采取預防措施的有利時機。（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，在技術上又難以實現，工作量也成倍增加。（5）表觀檢測和雷達檢測難以有機結合。利用空洞沉降引起的凹陷、裂縫等表觀反應是通過雷達圖像確認地下存在空洞的一個有利佐證。而現有手段，雷達圖像和表觀現象并不同步記錄。2、創新使用探地雷達技術，

實現城市環境的道路空洞檢測一、概述綜上所述，探地雷達技術是解決城市道路塌陷災害的必然選擇，但針對城市道路環境的復雜性，在雷達技術的具體應用方法上還需要創新，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，保證結果的準確性；還要提供操作容易，使用簡單的設備以及方便與施工部門銜接的結論，滿足實用性要求。2、創新使用探地雷達技術，

實現城市環境的道路空洞檢測內容提要概述探地雷達技術應用創新-車載式道路災害預警雷達系統結論二、探地雷達技術應用創新-車載式道路災害預警雷達系統-二、探地雷達技術應用創新-車載式道路災害預警雷達系統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以內是路基載荷分布區，當空洞等病害進入這個深度范圍內時，才會影響道路結構和受力。因此，除極少數特別巨大的空洞外，絕大多數的具有現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害現場調查的情況普遍一致。創新點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、探地雷達技術應用創新-車載式道路災害預警雷達系統表1

路面塌陷深度分布表（北京市近三年數據統計）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、探地雷達技術應用創新-車載式道路災害預警雷達系統表2道路模型的物理與力學參數厚度m天然重度kN/m3彈性模量MPa泊松比粘聚力kPa內摩擦角抗拉強度kPa瀝青混凝土0.152513000.25500水泥穩定碎石0.50258000.25400地基土—1825.50.35201501.1道路空洞的分布特點二、探地雷達技術應用創新-車載式道路災害預警雷達系統判斷道路下方既有孔洞發生塌陷的評價指標：（1）自重應力+交通荷載作用下，按莫爾-庫倫強度準則計算的洞頂上方的破壞區或屈服區貫通至基層底部；（2）標準軸載作用下，基層底部水平應力大于其抗拉強度，出現拉破壞。1.1道路空洞的分布特點二、探地雷達技術應用創新-車載式道路災害預警雷達系統D2H1交通荷載作用下臨界埋深1.75+0.65m時屈服區分布二、探地雷達技術應用創新-車載式道路災害預警雷達系統D3H1交通荷載作用下臨界埋深2.875+0.65m時屈服區分布二、探地雷達技術應用創新-車載式道路災害預警雷達系統D3H1交通荷載作用下臨界埋深2.875+0.65m時屈服區分布二、探地雷達技術應用創新-車載式道路災害預警雷達系統表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、探地雷達技術應用創新-車載式道路災害預警雷達系統綜上所述，道路空洞發生、演化的結果十分有利于發揮探地雷達技術的優點，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、探地雷達技術應用創新-車載式道路災害預警雷達系統城市道路塌陷防治要預防為主，這就要求預警雷達系統由空洞演變成塌陷災害的前期就能發現它，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單體屏蔽天線構成預警雷達系統的多波段天線陣。1.2多波段天線陣設計滿足空洞探測深度和分辨能力的要求二、探地雷達技術應用創新-車載式道路災害預警雷達系統表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，空洞直徑不小于20cm270MHz18.5cm1~7m探測深度3m以內，空洞直徑不小于30cm100MHz50cm5~20m探測測深度15m以內，空洞直徑不小于2m1.2多波段天線陣設計滿足空洞探測深度和分辨能力的要求二、探地雷達技術應用創新-車載式道路災害預警雷達系統選擇中心頻率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施的干擾，適用于復雜的城市環境；（2）400MHz和270MHz天線既有適中的穿透能力又有小空洞分辨能力，二者結合基本上保證100%預先探測到接近塌陷臨界點的空洞，同時又能探測到3m以內不具塌陷風險的小空洞，以便在日常養護中及時消除道路隱患；（3）100MHz天線主要用于發現潛伏在道路深層、不具現實威脅的規模較大的空洞。可見，多波段天線陣既保證了具備塌陷風險空洞的探測能力，又在分辨率和探測深度上留足了余量，爭取早期發現空洞隱患，真正起到預警作用。1.2多波段天線陣設計滿足空洞探測深度和分辨能力的要求二、探地雷達技術應用創新-車載式道路災害預警雷達系統天線陣列具有探測效率高，數據豐富的優點，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擾問題，因此需要結合探測方式對天線單元的分布進行合理的設計。為保證探測的準確性，不存在探測盲區，天線單元之間的間距應盡量小，即在有效的寬度內排列更多的單元，但過小的間距又會帶來天線單元之間的耦合和干擾增加，降低系統信噪比。因此需要對天線單元之間的間距進行合理的設計，并進行充分的試驗，以實現探測無遺漏，全面覆蓋的要求。1.3多波段天線陣設計實現寬幅無縫覆蓋，滿足高效探測要求二、探地雷達技術應用創新-車載式道路災害預警雷達系統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多波段天線陣設計實現寬幅無縫覆蓋，滿足高效探測要求二、探地雷達技術應用創新-車載式道路災害預警雷達系統由天線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，設天線單元之間的間距為d，探測目標深度為h，則：實際天線單元間距應小于上式計算值，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多波段天線陣設計實現寬幅無縫覆蓋，滿足高效探測要求二、探地雷達技術應用創新-車載式道路災害預警雷達系統本系統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多波段天線陣設計實現寬幅無縫覆蓋，滿足高效探測要求二、探地雷達技術應用創新-車載式道路災害預警雷達系統100MHz天線場覆蓋區域100MHz天線場覆蓋區域270MHz天線場覆蓋區域400MHz天線場覆蓋區域400MHz天線場覆蓋區域270MHz天線場覆蓋區域行進方向1.3多波段天線陣設計實現寬幅無縫覆蓋，滿足高效探測要求二、探地雷達技術應用創新-車載式道路災害預警雷達系統天線陣排列及懸掛方式結構設計創新點1、采用多波段天線陣列滿足道路空洞探測需求二、探地雷達技術應用創新-車載式道路災害預警雷達系統2、實用化設計成就道路災害預警利器創新點2、情景再現功能側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信息雷達檢測數據二、探地雷達技術應用創新-車載式道路災害預警雷達系統2、實用化設計成就道路災害預警利器創新點2、情景再現功能二、探地雷達技術應用創新-車載式道路災害預警雷達系統2、實用化設計成就