郭 勇，寧興園，劉吉雷

(山東正元地球物理信息技術(shù)有限公司，山東 濟南 250101)

化工廠道路塌陷頻發(fā)嚴重威脅著人們的出行安全，對社會的影響極其惡劣。預(yù)防道路塌陷，成為了城市建設(shè)的一項重任。道路塌陷具有突發(fā)性、隱蔽性的特點，傳統(tǒng)的預(yù)防化工廠道路塌陷的方法主要通過人工巡視或者群眾舉報的方式發(fā)現(xiàn)，無法提前對道路下方潛伏的土地進行預(yù)防，其結(jié)果總是無法預(yù)防?；S道路中涉及到的市政附屬設(shè)備較多，帶點線纜屬于電磁干擾源，如果使用高密度電法或者瞬變電磁法進行抗電磁干擾干預(yù)，并不會起到理想的效果。探地雷達罰精度高、成像及時，在化工廠道路塌陷隱患探測中應(yīng)用效果較好。在城市的道路塌陷隱患探測中，為了提高信號信噪比，需要使用屏蔽型的探地雷達，即使使用此種天線，對化工廠道路周邊還是會造成一定的干擾，影響探地雷達的精度和準(zhǔn)確性，從而無法準(zhǔn)確的探測地下真實病害。因此，設(shè)計一款基于探地雷達的化工廠道路塌陷隱患探測模型，對于道路病害的準(zhǔn)確性探測具有十分重要的意義。

1 道路塌陷誘因

道路塌陷事故頻發(fā)，究其原因，可能是因為城市的地下空間工程建設(shè)較多，破壞了地下空間原有的平衡，讓地下出現(xiàn)了底層空洞，從而導(dǎo)致道路塌陷；也可能是因為地下管線年久老化，在經(jīng)過長期的腐蝕后出現(xiàn)破裂，造成周圍土基的水土流失，從而導(dǎo)致道路塌陷；還有可能是因為地下管線的施工本身存在一定的問題，如回填性不足所造成的土質(zhì)輸送，在車輛震動和地下水雙重壓力下而發(fā)生流沙淘蝕，從而導(dǎo)致道路塌陷。不管出于哪種誘因，都需要對區(qū)域的地質(zhì)地球物理特征進行研究。

以杭州某道路塌陷區(qū)域為例，圖1為剛開始塌陷的現(xiàn)場。在地下塌陷區(qū)域，可以看到有多條管線埋設(shè)于此，大量的管線處于懸空狀態(tài)。污水管已經(jīng)發(fā)生斷裂，大量的污水溢出，流入地下空洞。為了保證周邊居民的安全，對塌陷現(xiàn)場進行了探測，并及時對斷裂管線進行搶修。通過對路面進行開挖后，發(fā)現(xiàn)在道路方向塌陷區(qū)的四周，地表建筑物均有不同程度的損壞，車輛無法正常通行。

圖1 塌陷開始時的現(xiàn)場

在塌陷區(qū)域，地層的巖性簡單，地表為泥質(zhì)粉砂土，基巖為凝灰質(zhì)礫砂巖。塌陷區(qū)域淺地表存在人為改造，在開挖的塌陷處，有瀝青、混凝土、回填土和地基層，具體數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 各基層電阻率及相對介電常數(shù)

根據(jù)表1可知，瀝青面層和混凝土層的電阻率較高，相對介電常數(shù)較低；回填層濕度大，因此相對介電常數(shù)要高于瀝青面層和混凝土層，隨著水量的增加，電阻率就會不斷降低。如果地下砂土受到二次沖刷，將會破壞持力層的平衡，從而形成塌陷空洞。當(dāng)周邊土層與塌陷空洞的相對介電常數(shù)之間存在較大差異，則需要使用探地雷達進行塌陷空洞的探測。

2 探地雷達探測道路塌陷空洞原理

探地雷達作為一種探測技術(shù)，可以確定地下介質(zhì)的分布，其探測原理是利用發(fā)射天線向地下發(fā)射電磁波。當(dāng)發(fā)射的電磁波在傳輸?shù)倪^程中遭到塌陷空洞，電磁波發(fā)射的信號就會被地表接收天線接收，地表接收天線通過分析后，會對接收到的信息進行反射波雙城走時與頻譜的準(zhǔn)備，從而判斷地下界面的結(jié)構(gòu)。

探地雷達在進行道路塌陷探測的過程中，如果地層并沒有發(fā)生塌陷，且瀝青層與混凝土之間接近水平，則會在雷達的剖面表現(xiàn)出近似水平；如果地下層發(fā)生塌陷空洞，且空洞與回填土層之間存在明顯差異，則需要在雷達的剖面形成反射波同相軸。通過分析雷達剖面上的反射波，確定塌陷的位置。

3 化工廠道路塌陷隱患探測模型設(shè)計

3.1 數(shù)據(jù)來源

為了對化工廠道路路基病害的過程進行模擬，為建設(shè)化工廠道路塌陷隱患探測模型提供數(shù)據(jù)支撐，建立了化工廠道路路基病害的物力模型。將該模型置于道路塌陷事故的公聯(lián)搶險指揮部中，按照化工廠道路的標(biāo)準(zhǔn)進行模型的修建，長度為240 cm，寬度為40 cm，深度為40 cm，模型設(shè)計如圖3所示。在該模型中，包含了4個不同功能的模型，可以實現(xiàn)不同的功能，根據(jù)不同的類型管線和介質(zhì)條件，模擬路基病害的演變過程。使用探地雷達所采集到的模型病害數(shù)據(jù)，需要借助雷達數(shù)據(jù)處理軟件的方式，對路基病害的參數(shù)進行提取，同時通過開展道路模型在不受到動載荷影響下，開展關(guān)于路基密實度和應(yīng)變量的探測，為路基病害預(yù)警模型的建立提供支撐。

3.2 致險因子與危險等級

選取道路病害評價指標(biāo)，對于建立城市路基災(zāi)害預(yù)警模型十分重要，如果選擇的指標(biāo)無法實時反映病害的特征變化，則預(yù)測的結(jié)果會出現(xiàn)偏差。根據(jù)國內(nèi)外的相關(guān)研究，結(jié)合當(dāng)?shù)氐某鞘袪顩r建立物理模型。選擇的致險因子為：空洞的長和寬、埋深、含水率、孔隙率、電阻率以及相對介電常數(shù)。

化工廠道路的路基病害分為安全Ⅰ級、潛伏Ⅱ級以及危險Ⅲ級3種狀態(tài)。

3.3 預(yù)警流程

概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。作為一個4層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，每一層都有其特定的功能，如輸入層，主要用于接收來自輸入向量的數(shù)據(jù)，并將其傳輸?shù)侥Ｊ綄又?；模式層主要對輸入向量與節(jié)點的距離進行計算，并將計算的結(jié)果反饋給求和層。

圖2 概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

基于概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的化工廠道路路基病害預(yù)警模型的建立，需要在概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的幫助下，對原始的數(shù)據(jù)進行歸一化處理，通過建立預(yù)警模型的方式，嘗試使用不同的方式對網(wǎng)絡(luò)進行訓(xùn)練，并根據(jù)仿真的結(jié)果確定不同方式所得到的最佳值。最后對樣本的數(shù)據(jù)進行讀取后，使用設(shè)定好的預(yù)警模型進行探測，從而得到準(zhǔn)確的探測結(jié)果。

3.4 數(shù)據(jù)歸一化

數(shù)據(jù)歸一化處理實際上就是對原始的數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，通過對病害評價指標(biāo)的分析，得到在不同的量綱情況下，如果不對數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，將會影響到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出效果。采用Z-score標(biāo)準(zhǔn)化方式進行歸一化處理，計算方式為：

式中：表示原始數(shù)據(jù)；表示均值；表示標(biāo)準(zhǔn)差；表示歸一化后的結(jié)果。

3.5 預(yù)警模型訓(xùn)練與仿真

在建立化工廠道路路基病害動態(tài)演化模型過程中，采用收集樣本數(shù)據(jù)的方式，對不同的路基病害危險等級進行分析，使用Matlab神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱，建立路基病害預(yù)警模型，并對其進行訓(xùn)練。

上述提到的概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，適用于分類問題的解決，使用newpnn函數(shù)進行概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的創(chuàng)建，其格式為：

net=newpnn(,,Spread)

式中、表示不同的矩陣;Spread表示擴散的速度。

Spread的選取關(guān)系到網(wǎng)絡(luò)的性能，需要不斷的調(diào)整獲取最佳的Spread值，經(jīng)過多次的測試后，將Spread的值設(shè)置為1.0時得到的訓(xùn)練效果最好。以36組樣本建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，查看得到的分類結(jié)果，如圖3所示。

圖3 訓(xùn)練效果與誤差對比

根據(jù)對比結(jié)果，可以得到出現(xiàn)樣本判斷錯誤的僅有2個。因此，需要對其進行樣本預(yù)測，結(jié)果如表2所示。

表2 測試樣本

4 基于探地雷達的化工廠道路塌陷隱患探測分析

4.1 現(xiàn)場踏勘和探地雷達測線布置

化工廠道路交通環(huán)境復(fù)雜，干擾源較多，在使用探地雷達進行探測之前，需要對道路的環(huán)境、結(jié)構(gòu)層厚度以及地下管的分布情況進行詳細的調(diào)查，根據(jù)化工廠道路的特點，將地下走水管線作為現(xiàn)場踏勘的重點，明確標(biāo)出重要管線的埋設(shè)位置以及埋設(shè)深度，根據(jù)埋設(shè)的深度選擇使用不同的中心頻率探地雷達天線進行探測。由于地鐵沿線的出入通道受到的干擾較大，極其容易出現(xiàn)土地疏松和塌陷的情況，因此需要將其作為重點踏勘區(qū)域。根據(jù)道路塌陷反復(fù)性的特點，對道路塌陷的區(qū)域進行重點關(guān)注，為了保證路面可以盡快恢復(fù)完整，需要盡快找到誘發(fā)路面塌陷的原因。

根據(jù)現(xiàn)場踏勘的情況進行探測雷達測線的繪制，大多數(shù)情況下，探地雷達測線要與車道行車的方向保持平行，滿足全覆蓋的踏勘原則，讓每一個車道都要有一條探地雷達測線，且與天線的覆蓋區(qū)域保持重合。對于地下走水管線，要針對塌陷的區(qū)域進行重點檢測。針對檢測出的病害，要追溯病害的現(xiàn)場位置和情況，采用網(wǎng)絡(luò)測線加密的方式進行驗證，從而判斷病害的類型，縮短病害的范圍，從而查找出出現(xiàn)嚴重空洞病害的原因，并對其進行緊急救治，從而預(yù)防道路出現(xiàn)大的塌陷事故。

4.2 數(shù)據(jù)采集參數(shù)設(shè)置

在采集數(shù)據(jù)之前要對方案進行反復(fù)對比，選擇最優(yōu)的采集方案，并遵照以下原則：

天線的選擇，要選擇合適頻率的天線，在不影響探測深度情況下，選擇中心頻率較高的天線，可以讓探測的深度和分辨率更加準(zhǔn)確， 同時也可以針對不同頻率的天線進行重復(fù)檢測；

時窗的設(shè)置關(guān)系到最大探測深度與介質(zhì)的電波速度，因此一定要根據(jù)波速的變化和目標(biāo)體的深度進行設(shè)定；

采樣率的設(shè)定要滿足采樣定律，采樣率要保證在反射波最高頻率的2倍以上，同時要及時記錄波形的完整性，讓圖像保持一定的清晰度，還要在不影響雷達數(shù)據(jù)存儲的情況下，讓采樣率的獲取效果更大；

道間距的設(shè)置要保持在天線移動的速度之上，只要保證探地雷達系統(tǒng)的不偏離，才能夠保證道間距的設(shè)定值更加準(zhǔn)確，通過增加目標(biāo)體的方式，讓掃描次數(shù)更高，從而保證目標(biāo)成像可以更加清晰；

增益的設(shè)定實際上就是為了讓雷達波與能量保持一致，從而增強地下深層雷達反射波所具備的幅度更大，使用不同深度的雷達反射波，要考慮到反射系數(shù)的設(shè)定，同時還要保證雷達波振幅的最大值不能超出探地雷達測量的值，避免出現(xiàn)圖像失真情況。

4.3 化工廠道路地下病害探測的干擾識別與衰減

空中干擾

發(fā)生空中干擾的主要因素是由于地面上被遺棄的物體，在使用探地雷達進行探測時，出現(xiàn)反射雷達電磁波，并在雷達的剖面上產(chǎn)生了固定圖像。由于這些物體的反射波是通過空氣傳播的，因此電磁波在空氣中所產(chǎn)生的傳播能量很小，主要出現(xiàn)的干擾波與振幅、頻率所發(fā)出的信號較為相似，波速為電磁波在空氣中的傳播速度不能超過0.3 m/ns。

地面干擾

地面干擾是通過探地雷達與地面之間產(chǎn)生的直達波所反映出的一種干擾情況，當(dāng)?shù)孛娴慕饘傥锱c非金屬物發(fā)生碰撞后，會產(chǎn)生反射波，這種干擾波的特點就是能量衰減小，且波形雜亂，會進行多次反射，且在到達時間上要早于目標(biāo)回波。這些干擾容易縮短目標(biāo)回波的范圍，降低系統(tǒng)對于反射目標(biāo)的反映能力。因此，在使用探地雷達進行數(shù)據(jù)處理的過程中，要重點將干擾波列為衰減對象，以保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

5 實例分析

當(dāng)前，探地雷達已經(jīng)在多個化工廠道路地下病害探測中得到了應(yīng)用，現(xiàn)以杭州為例，展開探地雷達在探測道路地下病害的成效。

5.1 脫空

圖4是位于余杭塘路浙江大學(xué)附近通過三維探底雷達處理后得到的圖像。根據(jù)圖像可以看出，在剖面上橫坐標(biāo)上有一處脫空，大小2 m×2 m，埋深越50 cm左右。在剖面橫坐標(biāo)脫空不遠處，有一處異常，根據(jù)地面雷達圖像分析后，得到此異常應(yīng)該是由于地表的地鐵沉降檢測樁所造成的。在橫坐標(biāo)的右側(cè)可以看到有一個過路管線，埋深大約不到1 m。

圖4 浙江大學(xué)附近三維探地雷達圖像

5.2 空洞

圖5是省政府一路段的三維探地雷達探測結(jié)果，在12 ns處有一水平切片，在紅色方框中存在一異常，位于道路南側(cè)，處于道路中心，南北長度大于為40 cm，東西長度大約為10 cm。從圖像上可以明顯看出有一雙層雙曲線信號樣式，可能為空洞。

圖5 省政府附近三維探地雷達圖像

5.3 回填不實

圖6為杭州印象城商場附近的三維探地雷達探測結(jié)果，在20 ns的一處有水平切片，在下圖有一垂且剖面，在剖面上，位于橫坐標(biāo)大約20 m處有一條過路管線，埋深大約為10 cm，橫坐標(biāo)大于15～20 m的地方顯示，雷達圖像雖然具有連續(xù)性，但地層處于下陷狀態(tài)，且顯示雷達的反射波比也十分嚴重，經(jīng)分析后，得到此處的異常應(yīng)該是回填不實所致。

圖6 杭州印象城附近三維探地雷達圖像

5.4 密實回填

圖7是位于杭州四季青步行街附近的三維探地雷達探測結(jié)果，在2 ns的地方有一處水平切片，在下圖有一垂且剖面，在剖面的橫坐標(biāo)大于45 m處應(yīng)該有過塌陷，并針對此處的塌陷進行了回填處理，在雷達圖像上可以看出，此處塌陷的地方，回填處密實，而且回填的范圍顯示清晰，在橫坐標(biāo)大于60 cm的地方，污水井在水平切片上表現(xiàn)良好。

圖7 杭州四季青步行街附近的三維探地雷達圖像

6 結(jié)語

通過對三維探地雷達原理以及探測模型進行系統(tǒng)分析，結(jié)合具體的工程實例，可以得出利用探地雷達探測道路地下災(zāi)害具有顯著成效。根據(jù)工程實踐的分析結(jié)果，對探地雷達探測道路地下病害的干擾方式進行了分類，探地雷達對于存在物性差異的地質(zhì)，可以準(zhǔn)確得出探測結(jié)果，滿足對于化工廠道路地下病害探測的目的。這種形式不僅不會破壞道路表面，實現(xiàn)真正的無損探測，而且可以準(zhǔn)確確定地下災(zāi)害的類型和范圍，對其病害產(chǎn)生的原因進行有針對性的解決，為智慧城市的建設(shè)助力。