牛富俊，陳銀城

1. 華南理工大學 土木與交通學院，廣東 廣州 510006

2. 廣州地下綜合管廊研究中心，廣東 廣州 510006

近年來，國內外頻繁發(fā)生的城市路面塌陷事故引起社會廣泛關注。塌陷是我國主要的地質災害類型之一，路面塌陷是塌陷災害的重要表現(xiàn)形式。隨著我國城市化進程的加快和人類活動的加強，城市道路塌陷災害頻繁發(fā)生，對城市建設、經濟發(fā)展和人民安全構成嚴重威脅，造成了巨大的社會影響和經濟損失。根據不完全公開報告統(tǒng)計，近10 年，我國城市路面塌陷時有發(fā)生，以秦嶺淮河一線為南北分界線，我國南方城市由于在降雨頻繁、氣候濕熱等多因素綜合作用下，出現(xiàn)路面塌陷災害的次數(shù)略高于北方城市[1]，東南沿海城市路面塌陷問題更為嚴重[2]，因此，對南方地區(qū)的城市道路進行系統(tǒng)性的地下病害檢測更為迫切。

廣州地區(qū)地質條件復雜[3]，工程施工面臨的問題大多為：珠三角區(qū)域海相黏土的地基處理問題、活動斷層及地裂縫問題、復雜多元地質結構難題；砂土層的開挖穩(wěn)定性問題；上軟下硬地層的開挖與擾動控制問題；復雜多樣的巖溶地質情況等。而城市道路作為線性工程，其穿越的地質類型復雜多樣，上述地質問題往往會成為城市道路塌陷問題的誘因。廣花一級公路是連接廣州城區(qū)與花都區(qū)之間的省道，南起黃石路口北至花都區(qū)新華鎮(zhèn)街口，全長18.4 km，雙向6～8 車道，大部分地段無人行道，機動車與非機動車混行，交通擁堵嚴重，道路已運營20 多年，沿線有地下綜合管廊建設，道路沿線可能存在多種地質災害，綜合管廊的施工可能造成廣花一級公路道路塌陷，給安全運營帶來極大的潛在隱患，因此有必要對廣花一級公路進行路面探測。

路面隱性病害的探測手段主要有人工觀察法、鉆探法和物探法。人工觀察法方便快捷，但人為主觀性強，誤差大。鉆探法會對道路形成破壞，效率低，會對交通形成影響，而且其檢測是通過隨機取樣的方法來選取樣本點，檢測結果偶然性大。物探方法主要有面波法、高密度電法和探地雷達法[4]，面波法直接測定地層的速度，有利于探測地下介質的密實程度，但方法本身易受道路車輛、地鐵及人類活動振動干擾，且采集效率較低；高密度電法無法避免電極接地的要求，且其受地上地下電線及帶電管線干擾較大；探地雷達法具有檢測速度快、精度高、可無損連續(xù)檢測和自動化程度高等優(yōu)點[5]。廣花一級公路的實際探測作業(yè)中，遇到了道路無法封閉、道路地下管線復雜等問題，因此探地雷達法是比較適用于廣花一級公路的探測方法。

但探地雷達目前仍存在許多關鍵技術需要解決。例如二維探地雷達探測速度慢、橫向分辨率低、探測準確率低，三維探地雷達探測速度快、分辨率高、探測準確性高，但探測深度有限。正確解釋探地雷達掃描圖像的基礎是合理選擇探測參數(shù)、處理數(shù)據得當、足夠的模擬試驗對比以及豐富的解釋經驗，雷達探測剖面通過對比前人探測地下管線以及地雷等障礙物方面模擬試驗的成果對檢測結果進行初步分類。郭士禮等[6]提出了探地雷達探測的重點區(qū)域及其測線布置原則，討論了采集參數(shù)設置及其數(shù)據采集質量的評判方法，研究了正常道路、典型干擾源和典型道路隱性病害的地球物理特征及其對應的探地雷達波組特征。劉敦文等[7]設計了一個由混凝土、礦粉和尾礦等材料制成的空腔試驗模型。模型預留空腔中分別充水、砂、泥和空氣進行模擬試驗。研究了探地雷達探測圖像中不同填充介質的特征和差異，進而識別出不同的填充介質。Elkarmoty[8]和Diamanti 等[9]為了證明探地雷達波在粒狀物質、干土和鹽漬物質中的有效傳播，利用GPR 原位測定不均勻巖土體中介質的介電常數(shù)，均取得了較好的結果。Capineri 等[10]針對地下地雷等障礙物進行2 個室內模擬試驗。Onishi 等[11]利用GPR 區(qū)分濱海地區(qū)的淡水和鹽水的地下分界面。Paniagua 等[12]為了研究探地雷達對地下各種不規(guī)則障礙物的探測規(guī)律，將不同的材料和不同尺寸的材料埋在3 種介電常數(shù)不同的土層中進行試驗：得出了鐵桶、花崗巖墻體、砂層和板巖分界面、電纜、PVC 管以及金屬箱的探測圖譜。這些模擬試驗均為研究者準確識別探地雷達的探測目標提供了幫助。但目前尚沒有完備的原位探測城市地下道路病害圖像的圖譜以幫助探測人員對城市道路探測結果的解譯。

為確保廣花一級公路安全運營以及其下部綜合管廊施工的順利進行，需在道路改造前探明地下病害情況。本文以廣花一級公路地下綜合管廊及道路快捷化改造配套工程為例，闡述城市道路探地雷達檢測（GPR）的原理，并對檢測精度影響因素進行了分析，通過實際檢測案例提出了正在運營的城市道路不封路條件下聯(lián)合二維和三維探地雷達的病害快速檢測優(yōu)化方法，建立了城市道路病害的檢測圖譜，以期為城市道路病害檢測工作提供參考。

1 探地雷達無損探測原理

GPR 采用非接地空氣耦合測量，可做快速連續(xù)檢測，檢測數(shù)據存儲一般為2～2.5 km，可以快速、直觀地表現(xiàn)檢測目標。探地雷達技術成為地球物理勘探的重要方法之一，尤其是在正在運營且無法交通管制的城市道路病害檢測中得到廣泛的應用。

在GPR 探測數(shù)據中，影響目標體在城市道路下縱向定位精度的主要因素是雙向走時和電磁波速度。但在實際檢測中發(fā)現(xiàn)，由目標特性決定的雙行程時誤差很小，真正影響目標定位精度的因素是波速。測定場電磁波速度的方法有很多，目前用于檢測中速度求解的方法主要歸納為以下4 種[13]：

1）介電常數(shù)法

介電常數(shù)是物質相對于真空來說增加電容器電容能力的度量。介電常數(shù)ε與電磁波波速v的關系為

式中C為電磁波在真空中的傳播速度。

電磁波的反射系數(shù)計算公式為

式中：Ri為電磁波從介質i-1 傳播到介質i的反射系數(shù)；εi為介質i的介電常數(shù)。如果Ri的絕對值大于零，表示2 種介質之間存在介電特性差異，則邊界上將發(fā)生反射。

介電常數(shù)不僅可以決定電磁波的波速，還決定了邊界的反射特性。因此，正確分析GPR 探測數(shù)據需要對擬探測材料的介電常數(shù)進行測定。通常，探地雷達的數(shù)據庫中儲存了各類典型介質的介電常數(shù)，通過查找被測材料對應的介電常數(shù)即可預測波速。但是查到的數(shù)據為被測材料的典型值，可能并不適用于當?shù)禺敃r的對象，尤其是材質中水分的變化，往往對介電常數(shù)的大小影響很大。介電常數(shù)ε也可以通過實驗測定，但此方法需要足夠多的樣本，受實驗室條件和設備的限制，具有一定的局限性。

2）幾何刻度法

該方法通過天線運動過程中來自地下目標的電磁波的不同反射路徑得到電磁波在地下介質中的傳播速度。幾何刻度法計算原理如圖1 所示。

圖1 幾何刻度法求取波速[13]

計算公式為

式中：t(x) 為當前位置x到探測目標體的雙程走時，t0為沿垂直路徑到探測目標體的雙程走時，v為電磁波波速，W為反射路徑，H為目標埋深。

3）共中心點(common depath point，CDP)法

共中心點法與幾何刻度法類似，原理如圖2所示。從發(fā)射到接收經探測目標體反射后的雙程走時為

圖2 CDP 法求取波速

式中：t(x)為偏移距x處的雙程走時，t0為零偏移距處的雙程走時。

可以看出，利用探地雷達實測數(shù)據可反求出電磁波波速，但運用的前提是已知目標體的實際位置(如埋深等)，需要借助已有的城市道路管線物探資料等作為輔助計算參數(shù)。

4）霍夫變換法

霍夫變換是圖像處理中從圖像中識別幾何形狀的基本方法之一。在計算電磁波傳播速度時，首先通過霍夫變換確定地下目標的反射曲線輪廓，然后利用類似幾何比例法的原理自動計算波速。

在探地雷達對城市道路病害的探測中，計算電磁波波速是確保探測精度的關鍵之一。根據大量實驗和實際探測工程經驗發(fā)現(xiàn)，采用介電常數(shù)法、幾何刻度法、霍夫變換法以及共中心點法求出波速是可以實現(xiàn)的[14-19]，但具體操作中存在一些問題，如：加固或修補過的混凝土路面受到鋼筋網片的多次反射影響，其探測波速很難得出精確結果；城市道路埋設了錯綜復雜的市政管線，管側的不密實情況較多，且廣州地區(qū)地質條件富水、復雜，致使共中心點探測條件不理想。

除介電常數(shù)法外，其他3 個方法都只能給出單一探測頻率下的介電常數(shù)數(shù)值，對于其他探測頻率工程無法使用。探地雷達的基本原理即電磁波在地下傳播過程遇到不同介電常數(shù)、電導率以及磁導率的介質時，電磁波的傳播路徑及波形特征會發(fā)生相應改變，采取合理方法對比分析雷達反射波的相位、頻率和振幅等參數(shù)的差異，結合探測目標和周圍介質的介電差異，可分析探測目標的位置、形態(tài)等特征。

2 城市道路病害探測

城市道路地下病害主要包括土體松散、富水區(qū)、脫空和空洞[20]。上述類型病害是誘發(fā)道路塌陷發(fā)生的直接原因。為解決城市道路病害探測，需要關注上述病害問題的探測圖像發(fā)生的位置信息（深度、平面位置）、病害類型、發(fā)育情況，因此探測目標明確。雖然廣州地區(qū)地層復雜，特別是地下常水位位于地面以下1 m 以內，這對雷達探測圖像的解譯工作造成了一定的影響。本次探測中采用真三維雷達(200 MHz)疊加32 位二維雷達(70 MHz+300 MHz)同步探測，基本可以消除深度、平面位置等因素的影響。

常規(guī)的數(shù)據解譯工作包含數(shù)據處理（雷達檢測、定位測量和攝影測量等）、異常識別和數(shù)據解譯，其中數(shù)據解譯一般情況下需要經驗豐富的解譯工程師完成。為克服經驗帶來的主觀誤差及解譯精度問題，本文提出通過三維雷達初判與二維雷達深化相結合的方法，實現(xiàn)病害精確定位。解譯具體步驟為：1）拼接三維雷達數(shù)據模型；2）通過沿城市道路深度方向每0.1 m 為一個橫剖面，逐步剖切；3）確定雷達探測圖像異常點并定位和記錄異常點位置；4）對應三維雷達探測圖像中異常點位置進行二維雷達探測，得到二維雷達探測圖像。通過對物探資料中明確的地下通道和橋梁等地下構筑物進行判定，并驗證在GPR 探測作業(yè)中的全球定位系統(tǒng)（global positioning system，GPS）定位信息是否準確。

以本次探測出的某處病害為例，首先進行三維探地雷達探測，找到異常點位置，拼接得到三維探地雷達探測出的圖像如圖3 所示。

圖3 深度為0.8～1.0 m 的三維雷達圖像

橫剖面位于地面以下0.8～1.0 m 時，圖像表現(xiàn)為弱反射特征，兩側為傾斜的水平狀反射波和不規(guī)則的散射波，頂界面強反射，界面底部呈連續(xù)水平狀反射波等特征，初判該位置存在道路病害；再對該異常點進行二維雷達深入探測，得到該位置對應的二維雷達探測圖像（圖4），對應測線位置顯示出空洞的病害圖像特征，因此可快速地判斷該處存在空洞病害，并經現(xiàn)場驗證。

圖4 深度為0.8～1.0 m 的二維雷達圖像

3 案例分析

3.1 檢測方案

本工程主要采用的MALA MIRA 200 MHz 8 通道三維雷達，其有效測幅寬度為0.91 m；廣花一級公路每條行車車道寬度約為3.75 m。由于GPR 探測作業(yè)中無法進行交通管制，考慮到不能因探測工作造成廣花路繁忙交通狀況增添新的擁堵負擔，實際工作中在每條車道主體車轍位置布置測線，因此每個車道設置2 條測線。對于2 條測線之間的間隔采用Crossover CO730（70 MHz+300 MHz）雷達進行檢測，基本可以對行車道全覆蓋。詳細測線布置示意圖如圖5 所示。

圖5 雷達測線布置

本檢測中雷達的布設盡量實現(xiàn)完整性和連續(xù)性要求；現(xiàn)場作業(yè)狀況如圖6 所示。

圖6 GPR 現(xiàn)場探測作業(yè)

3.2 檢測過程

二維及三維雷達檢測過程數(shù)據采集均采用車載式，由工程車輛牽引行進，后方設置保護車。三維雷達定位系統(tǒng)采用RTK 實時定位方式，二維雷達采用內置GPS 定位系統(tǒng)，測區(qū)周邊較為空曠，高大建筑物較少，基本無山體及樹木遮擋，GPS信號較為穩(wěn)定。檢測作業(yè)過程中通過奧維互動地圖對每道測試數(shù)據的起終點進行定位點布置。運用這種方法可以高效地將雷達檢測結果與里程樁號進行對應，并將外置GPS 數(shù)據與奧維互動地圖的數(shù)據相互校核。需要指出的是：檢測范圍中K0+000～K2+200 位于機場高速高架橋下方，影響GPS 信號，采用奧維互動地圖設置定位點，結合現(xiàn)場里程信息在檢測采集軟件中進行了標記，以實現(xiàn)檢測數(shù)據與施工里程樁號的一一對應。

現(xiàn)場作業(yè)中三維探地雷達采用MIRASOFT采集軟件進行數(shù)據采集作業(yè)。

3.3 檢測結果

依據前述方法對本工程進行了探測，快速有效地評估了本工程的道路病害。本次探測共檢測出55 處疑似病害區(qū)，包含溶洞、脫空、裂隙、土體松散、富水區(qū)等。圖7 為本次檢測的部分（里程K4+526～K4+650）雷達探測現(xiàn)場及部分解譯圖。

圖7 雷達探測現(xiàn)場及解譯圖

3.4 檢測圖譜

通過大量的現(xiàn)場檢測作業(yè)，依據雷達圖像的解譯結果及相關規(guī)范和文獻對照，建立了廣州地區(qū)城市道路病害檢測圖譜，如圖8 所示。道路病害檢測圖譜包含：1）健康道路雷達圖像；2）5 種城市道路病害雷達圖像-土體不密實/富水區(qū)、松散、脫空、空洞、裂隙；3）地下基礎設施雷達圖像-金屬管線、井蓋、混凝土管道、箱涵等；4）特殊地質情況雷達圖像-溶洞等。其圖譜特征如表1所示。

表1 城市道路病害圖譜

圖8 城市道路病害檢測圖譜

與規(guī)范《道路塌陷隱患雷達檢測技術規(guī)范》（T/CMEA2—2018）中的檢測圖譜相比，用上述優(yōu)化方法建立的檢測圖譜圖像更加清晰，對其他道路病害檢測后的解譯工作也更有有參考價值，進行解譯工作時，能更快速地分辨出異常點的準確位置和病害類型，有利于道路病害的及時處理和復測。

4 結論

本文對正在進行快捷化改造施工的廣花一級公路（里程K0+000～K18+400）道路進行探地雷達探查，經過現(xiàn)場探地雷達檢測作業(yè)；并進行數(shù)據處理、分析及解譯，得出以下結論。

1）提出了正在運營的城市道路不封路條件下，聯(lián)合二維和三維探地雷達的病害快速檢測優(yōu)化方法，以三維雷達圖像定位異常點位置，進行病害初判，二維雷達深入檢測，根據得到的二維雷達圖像特征，判斷道路病害類型，實現(xiàn)道路病害的精確解譯。該優(yōu)化方法可以不阻斷交通，適用于核心城區(qū)的城市道路檢測。

2）依據雷達圖像的解譯結果及相關規(guī)范和文獻對照建立了廣州地區(qū)城市道路病害的檢測圖譜，相比于規(guī)范中的圖譜，本文建立的檢測圖譜圖像更加清晰，更有利于其他道路病害檢測后的解譯工作，以及道路病害的及時處理和復測。