如何防止路面塌陷？
(大连钟瑞科技发展有限公司)
车载阵列雷达的应用
道路塌陷的预警探测
摘要:近年来，许多城市发生了道路塌陷灾害，造成了巨大的生命财产损失和严重的社会影响。针对城市道路塌陷灾害预警检测的需求，研制了一种具有自主知识产权的车载阵列雷达系统，能够对道路病害进行可视化检测和精确定位。该雷达系统已成功应用于多个城市的道路塌陷灾害预警探测，形成了一套道路塌陷灾害探测的技术方法。
关键词:道路病害；疾病预警和检测；车载阵列雷达
一.导言
近年来，全国各地频繁爆发城市道路塌陷灾害，大规模、高频率的恶性塌陷事故接连发生，造成了巨大的生命财产损失和严重的社会影响，直接威胁着城市公共安全。灾难控制刻不容缓。目前，全国各地都有城市道路塌陷灾害发生，从北京、上海、广州、深圳等一线城市到哈尔滨、长春、大连、太原、Xi安、武汉、长沙、福州、厦门等二线城市，以及兰州、银川、乌鲁木齐等偏远西部城市，甚至张家口、邯郸、宣城、荆州、湘潭、娄底等。
调查表明，城市道路塌陷大多与地下管线直接相关，是典型的地下管线次生灾害。据统计，大部分地下洞穴塌陷发生在地表以下0~3m范围内[1]。各种诱因导致地下管线损坏或直接使管线周围的土壤疏松，在各种流水因素的作用下发生土壤流失，导致管线周围产生空洞，逐渐发展扩大，最终导致路面塌陷，发生灾害。这些洞穴塌陷的原因包括[2]和[3]:地下管线老化渗漏、管道施工假回填、地表水渗透侵蚀、地下水位下降、地铁施工扰动、地下人防设施老化塌陷、湿陷性黄土塌陷、洞穴塌陷等。
科学研究和塌陷灾害调查分析表明，只有利用先进的高科技物探设备对城市道路进行定期普查和探测，提前发现地下隐藏的空洞，提前预警并采取措施消除风险，才能防患于未然，避免塌陷事故的发生。
二、车载阵列雷达系统
开展城市道路下隐伏空洞探测，由于道路交通繁忙，受周围环境干扰大，常用的工程物探方法如高密度电法、浅层地震法、瞬变电磁法等应用效果差、成本高、速度慢，难以在城市中广泛应用。探地雷达具有高效、抗干扰、高精度、野外作业方便等特点，是城市道路塌陷灾害普查探测的首选技术。国内外工程实践表明，探地雷达已成为检测道路下隐蔽病害唯一实用可行的技术手段，适用于检测空洞、空洞、松散土体、富水等多种道路病害[4][5]。
由于我国城市数量多，城市面积普遍较大，地下地质条件和地下构造复杂，常规的单(双)道探地雷达和人工探测方法在探测效率和探测结果的可靠性方面存在一定的局限性，探测效率低，工作量大，不能满足城市长距离、大面积道路探测的需要，迫切需要一种快速高效的车载多通道阵列雷达系统。
为满足上述要求，我们研制了车载阵列雷达系统(如图1所示)，该系统基于多通道超宽带探地雷达技术和大天线阵列技术，专门用于大范围、长距离公路和城市道路塌陷灾害的普查和探测。
图1车载道路病害灾害预警雷达系统
天线阵包括5个400MHz天线、2个200MHz天线和1 100MHz天线(如图2所示)，兼顾了雷达的探测深度和分辨率。该雷达系统探测宽度为3.75m，探测深度为0~10m，行驶速度为10 ~ 20 km/h，探测精度可达厘米级，可用于城市道路地毯式、全覆盖勘测。该雷达系统对地下病害体进行多通道同步联合扫描测量，最大限度地获取病害体的空间信息和病害特征，大大提高了雷达探测识别的质量和效率。同时，多通道数据之间的相关性使得雷达图像的判读更加准确可靠。
图2天线阵列排列示意图
车载雷达系统集成了8通道探地雷达天线阵、3G天线、激光线扫描工业相机、RTK精确定位系统、控制中心、红外高清摄像系统、DMI测距仪等。(如图3所示)，并同步采集阵列雷达数据、经纬度坐标信息、现场视频场景和路面高清图像，整合到系统数据库中，形成多信息综合采集平台，可快速高效可视化检测和准确定位道路病害和灾害。得益于这一开创性的探测技术平台和全新的普查探测作业模式，物探工程师可以在集成统一的界面上通过多通道雷达获取每一个地下空洞异常，确定其精确坐标位置，观察现场环境和路面情况，通过对各种信息的综合分析判断，快速得出可靠结论。
图3车载雷达系统组成
自主研发的车载道路病害灾害预警雷达系统获得了国家知识产权局授予的产品技术和软件著作权[6][7]，形成了完整的企业知识产权体系。2015，该系统通过了住房和城乡建设部科技成果鉴定。
第三，技术方法
车载阵列雷达检测道路塌陷病害的技术方法分为普查检测、疑似点筛选、疑似点复核、管线会签、验证五个步骤。
(1)普查检测
车载雷达系统对指定作业区域进行普查探测，并在DMI触发下同步采集和保存各种传感器数据。
(2)可疑点的筛选
在筛选疑似点时，平台软件读取数据库，同步显示多路雷达数据、图像数据和地图。多通道雷达数据处理的步骤通常包括调零、频域滤波、增益调整、背景去除等。根据疾病的回波特征筛选出疑似病点，并结合各通道雷达数据的相关性分析疑似病点的规模。根据疑似点的经纬度坐标和周围图像，确定疑似点在道路上的具体位置。在确定疑似点时，也要参考图像排除干扰，如路面颠簸、钢板、地下走道、隧道、立交桥等。
(3)疑点审查
利用常规单通道探地雷达检查异常点。复查时，使用具有多个中心频率的天线来检测具有多条测线的异常区域。通过雷达图像和周围井盖，确定疑似点周围的管线分布，排除地下管沟和井室造成的误判。对疑似点进行复核后，确定异常区的位置、规模和埋深。
(4)管道会签
城市地下管线众多，分属不同专业部门管理，涉及供水、排水、电力、燃气、供热、通信与信息、广播电视、公安交通等管线权属单位。为避免校验时损坏管道，施工前应完成会签手续。市政部门组织各管线权属单位在各种病害异常点进行管线会签，核实疑似点周围管线分布情况。
(5)验证
通过钻孔或挖掘方法验证。
第四，案情
车载阵列雷达系统已在沈阳、大连、厦门、广州、深圳、南京、镇江、长春、石家庄等城市成功应用。
4.1厦门市思明区道路塌陷灾害普查与检测
2065438+2005年5月至9月，厦门市思明区利用车载阵列雷达系统对辖区主要道路进行勘测探测，完成勘测线路里程约200公里。通过探测，发现了多个空洞灾害点，有效预警了道路塌陷灾害，避免了工程处理后的塌陷事故。
图4显示了在厦门西递路探测到的一个大洞。经钻探核实后，进行了开挖回填，险情得到了及时排除。
图4厦门西递路洞穴
4.2广州市天河区道路塌陷灾害普查与检测
2065438+2005年4月，车载阵列雷达系统对广州市天河区道路塌陷灾害进行普查，发现多个凹陷灾害点。图5是天河区云柯路检测到的一个大洞，受灾面积30平方米，底部深3.2米，天花板距离地表仅0.3米，随时会坍塌。经钻眼、钻孔、电子内窥镜对病点进行检查评估后，相关部门在该位置进行了注浆除险作业，避免了事故的发生。
图5广州云柯路空无一人。
4.3长春地铁沿线道路塌陷灾害的普查与探测
由于地铁施工引起的地层扰动，长春地铁沿线发生了多起道路塌陷事故。2065438+2006年3月，车载阵列雷达系统对长春市在建的地铁1号线、2号线(人民大街、吉林路、解放路)沿线道路塌陷灾害进行普查，普查中发现多处疑似病害。长春市市政设施维护管理中心道路路灯部召集各管线权属单位在各种病害异常点进行管线会签，核实疑似点周边管线分布情况(图6)。通过钻探或挖掘验证(图7)，确定了许多空洞和松散道路病害点，病害点分布如图8所示。
图6管道会签图
图7钻井现场
长春市道路病害分布图。
案例1:
受灾地点位于吉林路与何琳路交叉口由东往外的慢车道。雷达车辆调查发现，在雷达扫描图像中存在显著的异常空腔反应。经现场复查探测、钻孔核实和钻孔内窥镜录像(图9)，确认该灾害现场为典型的地下暗穴灾害，南北方向长2.5米，东西方向宽2米，空洞深度0.42米。经勘探，灾害点下方1.7米处有混凝土排水管，管体接至灾害点旁的排水井。打开井盖后，发现管体连接部位周围有流动积土现象，判断为附近路面集水井水体侵入灾害现场冲刷泥土，通过附近排水井流失，形成空洞。相关部门立即对灾区空洞进行挖掘回填，并对排水井进行整修。
图9钻孔内窥镜视频截图
案例二:
图10为解放路东侧起点西往外侧慢车道雷达系统发现的富水空洞。普查时发现雷达扫描图像中有明显的异常空洞反应和水体反应。经现场复查探测、钻孔核查、钻孔内窥镜录像，确认该处为严重的地下暗穴灾害，东西方向长4米，南北方向宽2米，深0.35米。经勘查，灾害现场下方2米处有自来水管道，管体严重漏水将灾害现场土壤冲刷后流入岔路口集水井。水蚀损失大，水流清澈。钻探显示，灾难现场的土壤已经被完全冲刷，只剩下砾石，形成一个充满水的空洞。长期被泄漏的自来水冲刷，坍塌的风险很大。相关部门立即抢修灾区自来水管道，及时回填处理空洞。
图10长春解放路空
动词 （verb的缩写）结论
车载阵列雷达是城市道路塌陷灾害预警探测的首选技术装备。在工程实践中，制定合理的作业流程和方法，充分发挥其技术优势和效率，可以准确可靠地探测和发现地下暗穴，及时预警，有效预防和减少道路塌陷灾害和事故的发生。
参考
杨彩霞。城市路面塌陷原因初探。山西建筑，2013，39(15):113-114。
[2]宋家昌，叶，，刘.北京城市道路塌陷的原因及对策。城市道路桥梁与防洪，2011，8:250-252。
[3]周正刚。城市道路塌陷原因分析及预防措施。道路桥梁工程，2015，5(11)。
[4]平田良治，AkioMatstyama。使用探地雷达探测地下结构的车辆介绍和案例研究，近地表地球物理学亚太会议，7月17-19，2013，中国北京。
、曾兆发、王、刘明辉。探地雷达探测城市地铁空洞的技术方法。物化探，2010，34 (5): 617-621。
大连钟瑞科技发展有限公司车载道路灾害与病害预警雷达系统(VGPR-20)，专利公开号CN302973058S公开日期:2014-10-22。
[7]大连钟瑞科技发展有限公司的一种车载道路灾害病害预警雷达系统，专利公开号？:CN203870250U。开放日期:2014-10-08。