防患於未然，車載陣列雷達在道路塌陷災害預警探測中的技術應用
(大連中睿科技發展有限公司)
The Applications of Vehicle-mounted Array Radar for
Early-warning Detection of Road Cave-in
摘要：近年來，許多城市發生了道路塌陷災害，造成重大的生命財產損失和嚴重的社會影響。本論文針對城市道路塌陷災害的預警探測需求，研制出具有自主知識產權的車載陣列雷達系統，可以對道路病害進行可視化探測與精確定位。該雷達系統已成功地應用於多個城市的道路塌陷災害預警探測，並形成了壹套探測道路塌陷災害的技術方法。
關鍵詞：道路病害；病害預警探測；車載陣列雷達
壹、引言
近年來，全國範圍的城市道路塌陷災害頻繁爆發，大範圍、高頻次、導致多人死傷的惡性塌陷事故接連發生，造成重大的生命財產損失和嚴重社會影響，直接威脅到城市公眾安全，災害治理已經刻不容緩。目前，城市道路塌陷災害的發生已經遍及全國各個省市，從北京、上海、廣州、深圳這樣的壹線城市，到哈爾濱、長春、大連、太原、西安、武漢、長沙、福州、廈門這樣的二線城市，以及蘭州、銀川、烏魯木齊這樣的西部邊遠城市均有發生，甚至張家口、邯鄲、宣城、荊州、湘潭、婁底、固原、庫爾勒這樣的中小城市也同樣面臨著不斷發生塌陷災害的嚴重威脅。
調查研究表明，絕大多數的城市道路塌陷與地下管線直接相關，是典型的地下管線次生災害。統計顯示，大多數的地下空洞塌陷發生在地表以下0~3m範圍內[1]。各種誘因導致地下管線損壞或直接使管線周圍土體松散，在各種流水因素作用下發生土體流失，在管線周圍產生空洞，空洞逐步發展擴大並最終導致路面塌陷發生災害。這些引起空洞塌陷災害的誘因包括[2][3]：地下管線老化滲漏、管線施工回填不實、地表水下滲沖刷、地下水位下降、地鐵施工擾動、地下人防等設施老化坍塌、濕陷性黃土垮塌、溶洞垮塌等。
科學研究和對塌陷災害的調查分析表明，采用先進的高科技物探設備定期對城市道路進行普查探測，提前發現隱伏在地下的空洞，提前預警並采取排險措施，才能防患於未然，避免塌陷事故發生。
二、車載陣列雷達系統
在城市中開展道路下方隱伏空洞探測作業，由於道路交通繁忙，周邊環境幹擾大，常用的工程物探方法如高密度電法、淺層地震法、瞬變電磁法等，應用效果差，成本高，速度慢，難以在城市中大範圍應用。探地雷達具有效率高、抗幹擾、精度高、現場作業方便等特點，是城市道路塌陷災害普查探測的首選技術。國內外的工程實踐表明，探地雷達已成為探測道路下方隱伏病害唯壹現實可行的技術手段，適用於脫空、空洞、土體疏松、富水等多種道路病害檢測[4][5]。
由於我國城市眾多，城市面積普遍較大、城市地下地質情況和地下構築物比較復雜，常規的單（雙）通道探地雷達和人工探測作業方式在災害普查探測效率和探測成果可靠性方面存在壹定局限性，探測效率低、工作量大，不能滿足城市大裏程、大面積道路探測需要，亟需快速高效的車載多通道陣列雷達系統。
針對上述需求，我們研制了壹套車載陣列雷達系統（如圖1所示），該設備以多通道超寬帶探地雷達技術和大型天線陣列技術為核心，專門針對大範圍、大裏程的公路和城市道路塌陷災害普查探測進行了創新設計。
圖1車載式道路病害災害預警雷達系統
天線陣列中包括5個400MHz天線、2個200MHz天線和1個100MHz天線（如圖2所示），兼顧了雷達的探測深度和分辨率。雷達系統的探測寬度為3.75m，探測深度範圍為0~10m，行進速度為10~20km/h。探測精度可達厘米級，可以對城市道路進行地毯式、全覆蓋普查探測。雷達系統對地下病害體進行多通道同步聯合掃描和測量，最大限度地獲取病害體的空間信息和病害特征，極大地提高了雷達探測和識別的質量與效率。同時，多通道數據之間的相關性使得雷達圖像的判讀更加準確可靠。
圖2天線陣列排列示意圖
該車載雷達系統集成了8通道探地雷達天線陣列、3G天線、激光線掃描工業相機、RTK精確定位系統、控制中心、紅外高清攝像系統、DMI測距儀等（如圖3所示），將陣列雷達數據、經緯度坐標信息、現場視頻場景和道路表面高清圖像等多種數據同步采集，融合進入系統數據庫，形成壹個多信息綜合采集平臺，快速高效地對道路病害災害進行可視化探測與精確定位，可廣泛應用於各類道路病害災害普查探測。得益於這壹開創性的探測技術平臺和全新的普查探測作業模式，物探工程師能夠在壹個集成統壹的界面上，利用多通道雷達獲取每壹個地下空洞異常，確定其精確坐標位置，觀察該處的現場環境和道路表面情況，通過多種信息綜合分析和判斷，迅速得出可靠結論。
圖3車載雷達系統組成
自主研發的車載道路病害災害預警雷達系統已經取得國家知識產權局授予的產品技術與利和軟件著作權[6][7]，並形成完整的企業知識產權體系。2015年，該系統通過住房和城鄉建設部的科技成果評估。
三、技術方法
車載陣列雷達的道路塌陷病害探測技術方法分為普查探測、疑似點篩選、疑似點復核、管線會簽和驗證五個步驟。
（1）普查探測
車載雷達系統對指定作業區域進行普查探測，在DMI的觸發下，同步采集並保存多種傳感器數據。
（2）疑似點篩選
疑似點篩選時，平臺軟件讀取數據庫，將多通道雷達數據、影像數據和地圖同步聯動顯示。多通道雷達數據處理的步驟通常包括零點調節、頻域濾波、增益調整、背景去除等，根據病害的回波特征篩選出病害疑似點，並結合各通道雷達數據的相關性分析出病害疑似點的規模。根據疑似點的經緯度坐標和周邊的影像，確定疑似點在道路的具體位置。確定疑似點時還要參考影像排除幹擾，如路面顛簸、鋼板、地下人行通道、隧道、過街天橋等。
（3）疑似點復核
用常規的單通道探地雷達對篩選出的異常點進行復核。復核時，使用多種中心頻率的天線對異常區域進行多條測線加密探測。並通過雷達圖像和周邊井蓋，確定疑似點周圍的管線分布，排除地下管溝、井室等造成的誤判。對疑似點進行復核後，確定異常區域的位置、規模和埋深。
（4）管線會簽
城市地下分布眾多管線，分屬不同的專業部門管理，涉及供水、排水、電力、燃氣、供熱、通信信息、廣播電視、公安交通等管線權屬單位。為了避免驗證時破壞管線，在施工前做好會簽手續。由市政部門組織各家管線權屬單位對各個病害異常點進行管線會簽，核實疑似點周邊管線的分布。
（5）驗證
通過鉆孔或開挖方法進行驗證。
四、案例
車載陣列雷達系統已在沈陽、大連、廈門、廣州、深圳、南京、鎮江、長春、石家莊等城市成功進行了工程應用。
4.1 廈門市思明區道路塌陷災害普查探測
2015年5月-9月，廈門市思明區采用車載陣列雷達系統對轄區內的主要道路進行了塌陷災害普查探測，完成測線裏程約200公裏，通過探測發現多處空洞災害點，有效預警了道路塌陷災害，經工程處治後避免了塌陷事故的發生。
圖4是在廈門西堤路探測到的壹處大型空洞，鉆孔驗證後進行了開挖回填處治，及時排出了險情。
圖4 廈門西堤路空洞
4.2 廣州市天河區道路塌陷災害普查探測
2015年4月，車載陣列雷達系統在廣州市天河區進行了道路塌陷災害普查探測，發現了多處空洞災害點。圖5是天河區科韻路探測到壹處大型空洞，災害面積達30平方米，洞底深度3.2米，洞頂距離表面僅0.3米，隨時會發生坍塌。通過鉆孔、釬探和電子內窺鏡等方式對病害點檢查評估後，相關部門對該位置進行了註漿排險作業，避免了事故的發生。
圖5 廣州科韻路空洞
4.3 長春市地鐵沿線道路塌陷災害普查探測
由於地鐵施工造成地層擾動，長春地鐵沿線發生過多起道路塌陷事故。2016年3月，車載陣列雷達系統對長春市在建的地鐵1號線和2號線沿線（人民大街、吉林大路和解放大路）進行了道路塌陷災害普查探測，在普查探測中發現了多處病害疑似點。長春市市政設施維護管理中心道路路燈部召集各管線權屬單位對各個病害異常點進行管線會簽，核實疑似點周邊管線的分布（圖6）。通過鉆孔或開挖驗證（圖7），查明了多處空洞和疏松道路病害點，病害點的分布如圖8所示。
圖6 管線會簽圖
圖7 鉆孔現場
圖8 長春道路病害點分布圖
案例1：
該災害點位於吉林大路與臨河二條交匯處東側東向外側慢車道，雷達車普查探測發現該處雷達掃描圖像存在顯著空洞異常反應，經現場復核探測、鉆探驗證和鉆孔內窺鏡錄像（圖9），確認該處為典型地下隱伏空洞災害，災害部位南北向長2.5米，東西向寬2米，空洞埋深0.42米。經探查，該災害點下方1.7米處為壹根混凝土排水管，管體接入災害點旁邊的排水井，開井蓋檢查發現，管體接入部位周圍存在流土堆積現象，判斷為附近路面集水井水體侵入災害部位沖刷土體，經旁邊排水井流失，形成空洞。相關部門立即對災害部位空洞進行開挖回填處治，並整修了排水井。
圖9 鉆孔內窺鏡錄像截屏
案例2：
圖10是該雷達系統在解放大路東側起點處西向外側慢車道發現的壹處富水空洞。普查探測中發現該處雷達掃描圖像存在顯著空洞異常反應和水體反應，經現場復核探測、鉆探驗證和鉆孔內窺鏡錄像，確認該處為嚴重水浸地下隱伏空洞災害，災害部位東西向長4米，南北向寬2米，空洞埋深0.35米。經探查，該災害點下方2米處為壹根自來水管，管體嚴重漏水沖刷災害部位土體後集中流入旁邊路面集水井，水沖刷流失量大，水流清澈，鉆探表明災害部位土體已完全沖刷，僅余碎石，形成充水空洞。該處經泄露自來水較長時間沖刷，塌陷風險極大。相關部門立即對該災害部位的自來水管進行搶修，並及時回填處置了該處空洞。
圖10 長春解放大路空洞
五、結論
車載陣列雷達是預警探測城市道路塌陷災害的首選技術裝備，在工程實踐當中，制定合理作業流程和作業方法，充分發揮其技術優勢和效率，可以準確可靠地探測發現地下隱伏空洞，及時預警，切實防範和減少道路塌陷災害事故的發生。
參考文獻
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[4]Ryoji Hirata, AkioMatstyama. Anintroduction and a case study of the vehicle for exploring structures underroad using GPR, Near Surface Geophysics Asia Pacific Conference, July 17-19,2013, Beijing, China.
[5]薛建,曾昭發, 王者江,劉明輝. 探地雷達在城市地鐵沿線空洞探測中的技術方法.物探與化探, 2010,34(5):617-621.
[6]大連中睿科技發展有限公司. 車載道路災害、病害預警雷達系統（VGPR-20）,專利公開號CN302973058S .公開日:2014-10-22.
[7]大連中睿科技發展有限公司. 壹種車載道路災害病害預警雷達系統,專利公開號?: CN203870250U. 公開日:2014-10-08.