城市道路病害探测三维地质雷达应用技术

卢思同，陈 敏，袁家余

（上海市岩土工程检测中心有限公司，上海 200436）

随着城市现代化进程的快速发展，城市道路的作用越来越重要。而近年来，城市路面塌陷事故频发，严重危及生命财产安全[1-2]。国内外先后将二维地质雷达技术引入到道路病害探测中，并取得了良好效果[3-4]。但仍存在较多问题，主要表现在：单天线检测覆盖性差、效率低；二维雷达检测图像判断分析相对抽象，主要依靠检测人员对设备及检测技术的理解程度，检测结果具有很大的不确定性[5]。这些都制约了地质雷达在道路病害探测领域中的大范围应用和发展。三维地质雷达法是近年来迅速发展起来的一种无损检测技术[6]，具有快速、无损、连续检测、检测结果直观等特点。三维地质雷达可以利用车载的方式，对城市的道路交通影响小，并且日均的探测范围大大增加，已经越来越广泛地应用于城市工程建设检测及道路病害检测等领域，并为后续地下病害调查、风险评估、安全监测预警、道路维修改造与病害处治提供重要的技术支持[7]。

1 城市道路病害分析

1.1 病害成因

城市道路病害一般指存在于地面以下的空洞、脱空、疏松体、富水体等威胁城市道路安全的地下不良地质体。其中：空洞定义为地下因水土流失形成或自然发育形成的具有一定规模的洞体；脱空定义为道路水泥混凝土路面、半刚性基层沥青路面、白改黑路面的一种结构层间不连续的病害，以及道路刚性层与土层之间脱开小于10 cm的空腔病害。

通过对道路病害分布情况与地下管线状况、降雨量、工程地质条件、水文地质条件及工程建设等因素之间相关性的综合分析，结合多年道路病害项目普查及详查的经验，总结道路病害成因如下：

（1）路基回填不密实产生脱空、疏松

当道路路基施工、开挖铺设地下管道施工等产生的回填土不密实，路基土在自重固结沉降及外荷载等作用下逐渐密实，地基土与路面刚性板之间形成脱空道路病害，原有的地基土因不密实形成疏松病害。

（2）管线（沟）及井室结构性损坏导致水土流失

区域内分布有排水、给水、箱涵、通讯、电力等地下综合管线，当管线（沟）及井室在不均匀沉降、道路超载等作用下，若年久失修容易发生错位、脱节、破裂、渗漏等结构性损坏，上覆土体（尤其是浅层砂性土）在降雨、管道或箱涵渗漏等水动力及自身重力作用下，沿损坏处流失到管道或箱涵内导致地下水土流失形成空洞。

（3）地下工程及周边基坑施工产生水土流失

当道路附近地铁深基坑、盾构或顶管等地下工程降水、施工时，由于地铁隧道或顶管施工、基坑开挖卸载造成水土平衡破坏产生的位移、水土流失，导致附近路基出现空洞、脱空、疏松等道路病害。

1.2 诱发因素

（1）降雨量

上海市降雨季节性变化很大，年降水60%以上集中在汛期（5～9月），7月、8月降雨尤为集中。由于降水量在固定季节集中，局部地区地势低洼处在汛期可能出现积水成涝。由于无法快速排涝，粉土、砂性土在雨季浸泡冲刷下诱发形成土体疏松。而城市大型泵站排水作业后，在水动力作业下浸泡土体随排水管道快速流失，加剧土体空洞、疏松的形成。因此，雨季是上海市道路病害的高发季节。

（2）地下水

对于地铁盾构、顶管及深基坑施工，潜水、承压水是水土流失的主要诱发因素。尤其是承压水水位较高的区域，若存在地下管道、箱涵等渗漏及上层滞水、层间水，施工措施不够严密，易造成水土流失，诱发地面塌陷病害。

（3）道路超载

道路超载是近年来城市道路病害主要诱发因素，由于道路超载使路基产生较大沉降，当沉降量超过原有的地下设施（如管沟、人防、废弃井室等）允许沉降量时，会造成地下设施结构性破坏，进而引发水土流失，周边土体产生的疏松、空洞等病害。道路周边正在施工的建设工程，由于施工已经造成较明显的土体位移，大型载重货车、工程车的超载又对道路产生过大的附加荷载，这也是道路塌陷病害的诱发因素之一。

2 三维地质雷达探测技术

2.1 技术原理

地质雷达是通过发射天线（T）向地下发射高频短脉冲电磁波，由接收天线（R）接收反射波，并根据其回波旅行时间t（又称双程走时）、幅度与波形资料，经过图像处理和解译，以确定地下界面或地下介质的空间分布[8]。地质雷达法（电磁波反射法）是根据地下介质的电性差异，利用天线向地下发射电磁脉冲，并接收地下不同介质界面的反射波。通过分析反射波的特征和路径时间，可以判定地下介质的结构及界面的埋深[9]。由于地下隐患区域与周围的土层介质在物理性质（介电常数、导电率、磁导率）上存在较大的差异，在连续剖面上利用相同深度上地质雷达仪发射的电磁波经过地下隐患体（空洞、空隙、疏松）和土层产生的反射波在波形、相位、速度、能量等方面差异，可分析地下隐患体的边界情况及埋深[10]。根据这些特征在剖面上的变化情况，就可以得到地下隐患的部分信息。地质雷达工作原理示意如图1所示。

图1 地质雷达工作原理Fig.1 Working principle of GPR

2.2 数据采集

选用瑞典MALA公司生产的MIRA三维阵列地质雷达8通道200 MHz阵列天线。该雷达系统采用并行数据处理技术，能做到多个通道、高速采集。同时配合RTK GPS进行实时定位，携带三维滤波雷达数据处理软件rSlicer，能实现三维数据处理，及时显示地质结构的细节、地下管道及地下空洞等地下异常体的埋深及分布形态。天线阵列分布示意见图2。

图2 MALA三维阵列雷达200MHz 8通道天线阵列分布示意图Fig.2 Distribution diagram of 200MHz 8-channel antenna array of MALA 3D GPR

2.3 检测参数

在探测作业中，三维雷达天线加载GPS，由于城市道路附近往往有较多高楼遮挡卫星信号，影响测量定位收敛速度，因此探测速度不宜过快。200 MHz频率天线在采样点数和采样间隔固定时，数据采集叠加2次，采样速度20～30 km/h比较符合实际探测情况，既保证数据质量，又提高探测效率。根据现阶段的仪器综合性能，经过多年数据采集的经验，形成三维地质雷达探测频率天线参数建议值，如表1所示。

表1 三维地质雷达（200 MHz）天线参数值Table 1 Antenna parameter values of 3D GPR (200 MHz)

3 工程应用分析

3.1 案例1：闵行区江桦路地面塌陷应急探测

（1）工程概况

2019年8月18日傍晚17:30左右，一辆土方车由西向东经过江桦路（浦锦路—浦驰路）后，该路段发生一处地面塌陷。架设三维激光扫描仪对塌陷路段进行扫描（图3a），现场测量得知，该地面塌陷规模约5.3 m × 4.0 m × 2.4 m。开展三维地质雷达及二维地质雷达探测，共完成三维地质雷达测线6条，约300 m，二维地质雷达测线10条，约230 m，布线方式采取顺向布线，沿塌陷区域路面一侧满域布置。

现场探测时，道路已经封闭，市政抢修队已进场，场地内堆放抢修材料，现场探测场地有限，三维地质雷达采用人工拖拉方式探测（图3b）。经现场确认塌陷区内存在一根埋深约2.5 m，直径约600 mm的污水管道，路基层及路面沥青层散布在坑内，管道已经损坏。

图3 三维激光扫描(a)与三维地质雷达探测(b)Fig.3 3D laser scanning (a) and 3D GPR detection (b)

（2）结果分析

经三维雷达探测后水平切面显示塌陷边缘浅表存在大片闭合、内部颜色单一，尺寸约为2.9 m × 2.7 m，面积约7.0 m2，切片深度约为0.13 m的图形阴影异常（图4）。从左上方的垂直剖面图中可以看出，反射波组形态表现为平板状，且有一定的延伸规模；顶界面具有同向性、连续性等特征。通过对探测结果分析，发现塌陷点周边一定范围内的多条测线上存在疑似空洞的雷达反射波异常（图5），将每条测线上的异常点展布到平面图上圈定出疑似塌陷范围（图6）。

图4 地表浅部0.13 m脱空三维雷达成果图Fig.4 0.13 m airborne 3D GPR achievement map at the shallow surface

图5 三维激光扫描塌陷区俯视图（左）及侧视图（右）Fig.5 3D laser scanning top view (left) and side view (right) of the subsidence area

图6 地表浅部0.13 m脱空三维雷达成果图Fig.6 0.13 m airborne 3D GPR achievement map at the shallow surface

根据探测结果，现场寻找对应部位，查看后发现塌陷边缘存在地表沥青层与混凝土路基层空洞。空洞顶距离地面约0.12 m，空洞顶底高度约为7 cm，其面积、深度与探测结果基本一致。

道路空洞是发育于路面结构层面之间或结构层底面与下卧土层顶面之间的净空小于等于20 cm、水平方向有一定延伸宽度的规模较小的空隙。本处空洞是道路塌陷引起的“连锁反应”，在塌陷一瞬间，塌陷处路基下部结构（水稳层、混凝土层）在坍塌过程中连带周边路基下沉，空洞处地表沥青层保持稳定，从而形成空洞。

通过对二维雷达、三维雷达探测结果、三维激光扫描结果及现场塌陷分布情况的综合分析，判定该处道路塌陷是由于污水管道破裂导致水土流失，掏空路基，在地面重型卡车经过后刚性路面承载力无法承受后瞬间塌陷。

3.2 案例2：大渡河路重点监测区域探测

（1）工程概况

2019年6月初上海市地矿工程勘察院地面塌陷巡查工作组在巡查过程中发现大渡河路（金沙江路—同普路）东侧路面存在2处明显凹陷，其中位于中间绿化带侧的1处凹陷出现明显破碎、下沉。2处地面凹陷处下方主要存在DN2460合流污水管、DN600雨水管、电力管线、燃气管线以及15号线上行线隧道。

（2）结果分析

水平切片截图测线4～9范围约36.0～43.0 m之间对应垂直切片截图中9.7～17.0 m处，时间0～10 ns范围存在多处同相轴错乱，呈抛物线状，推测地下0.5 m范围内可能存在浅部空洞，命名为疑似地面病害隐患区YHD9-1；

水平切片截图测线4～9范围约29.0～35.7 m之间对应垂直切片截图中4.0～11.0 m处，时间0～40 ns范围存在较厚的反射层且形成多次反射波，结合路面多次修补推测可能存在空隙层，命名为疑似地面病害隐患区YHD9-2；

水平切片截图测线4～9范围约43.0～49.0 m之间对应垂直切片截图中17.0～23.0 m处，时间0～40 ns范围存在较厚的反射层且形成多次反射波，结合路面多次修补推测可能存在空隙层，命名为疑似地面病害隐患区YHD9-3（图7）。

图7 疑似地面病害隐患区三维雷达数据水平切片截图Fig.7 Horizontal section screenshots of 3D GPR data in suspected ground collapse affected area

从垂直切片图8中可以看出，探测到的三处隐患在垂直切片图的对应位置均有明显的异常，其中YHD9-1处与YHD9-3同相轴均呈现明显向下弯曲的畸变特征，YHD9-2处雷达信号呈现多次反射，两侧同相轴向下弯曲、错断。

图8 疑似地面病害隐患区三维雷达数据垂直切片截图Fig.8 Vertical section screenshots of 3D radar data in suspected ground collapse affected area

采用内窥镜进行验证探测，发现有一处2级滴漏结构性缺陷，水间断从缺陷点滴出，水流不连续。此案例证实前述雨污水管道结构性损坏导致水土流失会造成地面病害隐患。

4 结语

三维地质雷达技术在道路空洞、脱空、疏松体、富水体病害探测中可视化和定量化效果显著，结合道路病害成因分析，有助于对道路病害类型的判定，为地下病害风险评估、安全监测预警提供数据支撑。

不足之处：设备天线有效宽幅较小，且当GPS信号缺失后，将极大增加后期数据处理工作量。建议提高天线有效覆盖道路宽幅和引入惯导技术改进三维地质雷达系统。