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地质雷达在城市道路塌陷灾害中的应用

范文

陈晨

摘要：针对各种原因导致的城市道路塌陷灾害日益增多的现状，本文依托1-2两个现场使用的实例，重点介绍了LTD-60 探地雷达综合检测系统这一国内较为先进的雷达探测系统，在详细叙述其组成、工作原理和操作方法的基础上，指出了地质雷达在城市道路塌陷灾害中的应用这一个充满发展前景的方向。

关键词：城市道路;塌陷灾害;地质雷达

Abstract：In view of the increasing number of urban collapse disasters caused by various reasons，this paper relies on two examples which are used on the spot in 1-2，the LTD-60 Ground Penetrating Radar Integrated Detection System，a more advanced radar detection system in China，is emphasized.Based on the detailed description of its composition，working principle and operation method，the application of geological radar in urban road collapse disaster is pointed out，which is full of development prospect.

Key words：urban road;collapse disaster;geological radar

一、绪论

隨着我国城市化程度逐渐加深，城市道路建设规模不断扩大，我国城市的地下管线、地下管廊、人防工程、地下商场建设，尤其是愈演愈烈的地铁建设，使得城市地下空间资源开发规模和力度日益增大，随之伴生的地下疏松、地层扰动、支撑应力变化、水土流失等地质灾害不断累加，进而引发建筑物破损、道路塌陷等城市灾害事故，各种原因导致的城市道路塌陷灾害逐渐增多。2018年6月5日，河南省郑州市突发一阵强降雨后市区一处主干道发生大面积塌陷，5名过路行人不幸掉入坑中;2018年8月15日陕西省西安市洪门子小吃街街口出现二三十平方米的塌陷;一辆轿车掉入其中，司机受伤;2018年8月23日15时许，兰州市胜利路一处路面在毫无征兆的情况下，突然塌陷，数名行人坠入坑内，坑洞内还出现严重积水，步行街地下一层的商铺，也因塌陷事件而全部停止营业。2018年8月6日，江苏省徐州市区发生路面塌陷，长约9米，最宽处约3米;据不完全统计，目前全国遭受地陷沉降灾害的城市超过60个，分布于华北、东北、东南和西南等23个省、市、自治区。

城市道路塌陷灾害具有形成隐蔽时间长、发生突然无预警、影响破坏范围广、防治治理难度大、灾害发生后难以恢复等特点，已成为影响我国现代化城市建设发展的主要灾害。可以预计，地陷将伴随中国城市发展成为一个长期问题，因此，探讨如何解决、遏制塌陷事故的上升趋势，最大限度减少、减轻灾难，及时引入先进的探查预测设备和手段，及时准确地发现隐伏的城市道路塌陷灾害区段，是城市防灾减灾的重中之重。

二、LTD-60探地雷达综合检测系统

该系统是中国电科 22所基于军工探雷技术自主研发成功的一套国内先进的探地雷达综合检测系统，该系统集成了阵列雷达系统、线扫描照相机、激光补光系统、高清晰视频采集系统、激光断面仪（提供车辙、平整度和构造深度参数）等传感器，辅以差分 GPS和车载 DMI定位技术，以机动车辆为平台，在正常车速下对地铁沿线及重点道路的路面质量、道路结构层病害、路下裂隙和空洞、道路两侧的路况进行全方位“CT”扫描，完成“由表及里、由浅入深”的高速精确探测，提前发现道路下方隐蔽的空洞，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，实现对城市路况的综合评价和应急保障，为市政道路管理部门及时排除隐患提供有力的技术手段。

同时将“路上病害、路下病灶”信息贯入到 GIS地理信息系统，城市道路管理部门籍此平台可实时查询、分析城市道路的全方位信息，并可配合应用部门实现与“数字道路、智慧城市”平台的对接。

（一）LTD-60探地雷达综合检测系统工作原理

探地雷达综合检测系统配置了六通道阵列雷达，由探地雷达主机、GC100MHz、GC270MHz、GC400MHz、GC900MHz 和 AL1.5GHz 五种频率共十付天线组成。探地雷达工作时，向地下介质发射一定强度的高频电磁脉冲（几十兆赫至几千兆赫），电磁脉冲遇到不同电性介质的分界面时即产生反射或散射，探地雷达系统接收并记录这些信号，再通过进一步的信号处理和解释即可获取地下空洞的大小、深度及方位信息（图 2）。

（二）LTD-60探地雷达综合检测系统的组成

LTD-60探地雷达综合检测系统共有11个子系统组成：

（1）车载平台：全顺 17 座车（改造）承载雷达系统进行快速检测。

（2）控制及显示平台及供电系统：LED液晶显示器;控制整体系统的数据采集、存储、显示和处理工作的2*2 组合系统;综合电源一台，提供整体系统工作电源供应及充电管理免维护 300AH24V蓄电池组。

（3）警示设备：警示灯及提示条，提醒行人规避，保证行车安全。

（4）系统控制及数据处理中心及决策平台：系统控制、数据采集、同步融合、显示、存储及分析软件，基于 GIS地理信息系统的查询、数据同步、采集、显示、处理、存储、查询及决策软件，是整个系统的大脑。

（5）定位子系统：高精度GPS系统含定位设备和系统接口软件，精度达到厘米级，作为系统工作触发源（编码器），并为系统检测提供距离和时间标定，用于缺陷及病害定位并可贯入到 GIS 系统。

（6）双路光电编码器。

（7）具备同步触发和距离计量功能的道路塌陷灾害预警雷达子系统。

（8）雷达控制及六通道雷达主机。

雷达控制及同步单元：一套本系统提供多通道探地雷达系统，配置不同频率阵列天线组合，可对路下由浅至深 0-5米范围内（视探测目的和介质特性而定）的结构层病害、地下坍塌、管线等隐蔽设施进行探测、定位和预警，达到防患于未然的目的。

雷达控制及同步单元：一套（与⑧ 一起放到 LTD-60E 机箱）本系统提供多通道探地雷达系统，配置不同频率阵列天线组合，可对路下由浅至深 0-2米范围内（视探测目的和介质特性而定）的结构层厚度及裂隙、脱空等病害进行探测和定位，弥补了传统综合探测车只是对道路表面路况进行检测的不足，真正实现了道路质量综合检测评价。

（9）低频阵列天线。地面耦合天线：GC400MHz两副（含支架）GC270MHz两副（含支架）GC100MHz两副（含支架）。

（10）雷达系统软件。探地雷达数据采集、显示、处理及病害识别软件及道路质量综合检测评价子系统。

三、LTD-60探地雷达综合检测系统的应用实例

（一）在石家庄城市街道的应用

进入雨季以来，石家庄市区在多条主要的城市道路上，先后发生了多起城市道路塌陷的的地质灾害，造成了较大的损失，相关部门虽然采取了各种措施，但由于城市道路塌陷所具有的特殊性，总是难以快速、准确地探查明了那些隐伏潜在的再好危险区段。

本项目针对石家庄市内中山路的使用现状，采用全路面精细覆盖，配合差分 GPS进行精确定位，全面评价平安大街青园街的路面路基情况，得到以下主要结论：

检测路段存在的病害情况主要以层位错断为主，有疑似空洞两处，明显空洞一处。下图为探测成果图的详细解释。

①114.49730834° 38.04266333° 2.50 0.74 2.24 疑似空洞

②114.50941336° 38.04229500° 5.60 0.44 2.10 层位错断

③114.49731988° 38.04268238° 3.20 0.67 2.32 疑似空洞

④114.49571270° 38.04261753° 6.30 0.78 3.00 空洞

⑤114.50883001° 38.04236333° 3.50 0.60 1.18 层位错断

（二）在广州机场高速道路的应用

利用综合探测车对广州机场高速长 31.8km，双向 8 车道的道路进行了全覆盖检测，根据道路综合评价规范要求，对道路面基层厚度、路面损坏状况、路面平整度、路面车辙、构造深度、路面结构强度、路基状况、沿线设施状况、路基脱空及水稳层完整性等道路指标进行了自动化记录和调查，同时记录了探测过程中的 GPS坐标信息。

通过雷达检测发现，机场高速部分路段破碎情况比较多，且大多以瀝青层下方水稳层破碎为主，表面有大量的修补裂缝，有部分裂缝已经对道路下方产生影响。通多对多处路下含水区域病害的分析，给出养护建议：查找水源、整治路基，防止涌水对沥青结构层的破坏，达到根治该处病害的目的。

四、结论

（1）随着我国城市道路建设规模不断扩大，随之各种原因导致的城市道路塌陷灾害逐渐增多，城市道路塌陷灾害具有形成隐蔽时间长、发生突然无预警、影响破坏范围广、防治治理难度大、灾害发生后难以恢复等特点，已成为影响我国现代化城市建设发展的主要灾害。

（2）LTD-60探地雷达综合检测系统为市政道路管理部门提前发现道路下方隐蔽的空洞，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，实现对城市路况的综合评价和应急保障，为及时排除隐患提供有力的技术手段。

参考文献：

[1]毛海和.地质雷达应用于隧道健康诊断的试验研究与实例分析[D].上海：同济大学硕士学位论文，2004.

[2]徐磊.地质雷达探测正演模拟及其工程应用[D].山东：山东大学硕士学位论文，2015.

[3]李松.公路隧道支护结构无损检测及安全评估研究[D].重庆：重庆大学硕士学位论文，2011.

[4]吴丰收.混凝土探测中探地雷达方法技术应用研究[D].长春：吉林大学博士学位论文，2009.

[5]吴丰收，曾昭发，黄玲，张玲玲.探地雷达信号的高阶时间域有限差分模拟[J].物探化探计算技术，2009，31（4）：308-313.

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