探地雷达技术用于城市道路地下空洞塌陷灾害探测的创新与实践

　　摘要：全国城市道路塌陷事故频出对城市居民的生命财产安全构成了巨大的威胁和影响。因此，有必要发展一种快速、方便、准确、经济的方法来检测和评价城市道路下方土体情况，及时排除城市道路塌陷的隐患危害，保障基础设施的良好运行，更好地为社会提供安全保障服务。目前，地质雷达探测技术是最合适的技术方法，特别在人口密集的大中型城市，利用探地雷达进行城市道路塌陷灾害的探测和评估的方法已经被频繁使用，但仍然需要不断创新、改进和完善，相信未来地质雷达探测技术将在城市道路安全隐患排查中发挥更大的作用。

　　关键词：探地雷达;城市道路;地下空洞塌陷;创新

　　1城市道路地下空洞塌陷问题及影响因素

　　城市道路坍塌的原因是多种多样的，但近年来，随着城市的飞速发展和周边环境的不断扩张，目前城市道路坍塌事故发生频率越来越高，已经具有一定的普遍性。从理论上讲，城市路面塌陷的原因可以归纳为以下几个方面。(1)自然地质环境因素。主要原因是城市道路塌陷引起的自然地质条件，如岩溶塌陷引起的岩石或地下水变化或道路塌陷引起的地质活动;(2)人类的活动所导致的路面坍塌。例如，人类过度开采地下水会导致路面塌陷;开采后遗留在矿区的采空区容易导致路面塌陷。(3)和人类的活动有关系。也就是说，城市道路建设项目的实施，如地铁、地下设施和城市建设项目的实施，导致原有的地下室层被破坏，城市道路表面坍塌。(4)城市地下各种管道的运行不正常。例如，城市地下液体输送管道破裂也会导致路面塌陷。比如，城市地下水管破裂，会造成路基土被水冲刷和腐蚀，久而久之，它又会回流，造成土壤颗粒被自来水冲走，最终导致道路坍塌。

　　探测技术论文投稿刊物：《科技创新与应用》杂志2011年哈尔滨市创刊发行，征稿刊发具有一定学术和应用价值的学术文献和反映各学科、各领域的新成果、新工艺、新产品等方面的论述文章。

　　2探地雷达测试原理

　　通孔穿透雷达(GPR)可以将特定波长的高频电磁波传输到地面，使其通过均匀的地层介质，实现稳定的传播。高频电磁波不能直接穿过，会产生反射和透射。通过对软件和硬件的分析，可以对不同的波形进行分析和处理，确定路面结构层的厚度、地下隐藏物的位置和几何尺寸、新的市政道路的质量控制和检测。高速、高精度、无结构损伤的声穿透雷达在公路建设和维修中得到了广泛的应用。

　　3探地雷达目标识别技术发展现状

　　通过研究和分析，发现大多数目标识别方法都是针对常规目标(如地雷和管道)进行设计和实现的。相对而言，关于城市道路地下空洞的检测与识别的文献较少。许多研究方法对地雷目标的检测和分类都有很好的效果。然而，在地下隧道目标的探测和识别中的应用并不一定是有效的。从理论上讲，地下洞室的探测率和识别率低有两个原因。

　　3.1实验数据的积累较为困难，大量实验的开展难以进行

　　根据研究，产生道路下方土体病害的原因非常复杂，构成坍塌威胁的空洞直径大小不均，通过无损检测的方法对实际路面的影响程度很难判断，需要大量的数据、经验积累。在实验中制作这样的空靶既费时又费力，而且设定的靶一般形状规则，不具有普遍性和代表性。在目标识别实验中，为了得到可靠的识别结果，需要研究人员对大量的样本数据进行分析和处理。

　　3.2特征提取方法有待研究

　　空洞目标信号特征描述中最重要且不可克服的难点是，地下空洞的形成复杂且形式多样，不能用一个或多个特征来描述空洞目标的目标反射特征。不同的空心物体可能有不同的形状，其中的介质也可能不同，因为它可能充满空气，也可能一半是空气，一半是水。因此，即使相同的特征在不同的中空物体之间是不同的，也难以获得特征的一般描述。

　　4工作方法技术

　　4.1探测方法

　　探地雷达(GPR)以宽带短脉冲的形式通过发射天线将高频电磁波发射到地面，然后通过具有不同电特性的地下层返回地面。根据回波振幅、波形和频率的运动学和动力学特性，推导出地下目标的结构和物理特性。目前，常用的GPR测量方法包括反射剖面法，一般中心法和广角法。电磁波在检测介质中的传播速度是使用公共中心法和广角法来计算的。GPR的发射天线和接收天线沿测量线同步移动，并保持一定距离以收集数据。

　　4.2使用天线的频率、参数设定和水平的分辨能力

　　采用100MHz天线时，路基中层分辨率约为1.5米，深度为1米时，路基中层分辨率在2米左右，分辨率小于2米，提高了400兆赫天线的水平分辨率。采用100MHz和200MHz天线时，参数设定为采样时窗80ns和160ns、采样点数512和1024，一般可以满足检测要求，探测到路面以下约5米内的范围。

　　4.3雷达高速探测与跟踪定位技术结合使用

　　以往采用的标记和卷尺定位方法已不能用于高速检测。高速检测需要与实时GPS相结合，保证坐标异常点的快速定位，同时实时探测离群点还可以在大比例尺地图上进行初步的干扰因素分析，有效地减少了工作量，保证了快速分析和评价。

　　4.4资料处理及解释

　　雷达图像通常是由脉冲反射波的波形记录,和探地雷达的探测曲线显示的波形或灰度。因为地下介质相当于一个复杂的滤波器，所以当脉冲到达接收天线时，由于吸收波的程度不同以及介质的不均匀性，脉冲的幅度将减小，其波形与原始波形不同。另外，不同水平的随机噪声和干扰也会影响测量数据。因此，需要对接收到的信号进行适当的处理，以提高数据的信噪比，为进一步的分析和解释提供清晰的图像。探地雷达的资料处理过程:①对原始数据进行一维滤波，消除直流漂移;②求直达波和运动起始时间的静校正;③控制增益处理，将深部信号放大;④采用二维滤波器提取平均轨迹，去除图像的水平部分;⑤对高频和低频信号进行一维滤波;⑥二维滤波，移动平均抑制噪声，使图像更加平滑。

　　图像解释是异常识别和经验积累的过程。根据过去的工程实践中获得的实际结果，可以获得基于GPR图像的前向结果的解释。通过获取高质量的雷达图像并正确识别异常，可以获得可靠，准确的地质解释结果。

　　5城市道路探地雷达检测注意事项

　　5.1确定底界面的回波

　　在使用探地雷达探测市政道路前，通过提取同一界面的波信号源来确定底部界面的回波。目前由于技术水平的限制，无法将反射波与路基界面区分开。区分检测波和干扰波，采取技术措施抑制或发现干扰波是必要的，但前提是准确地确定底界面的回波信号。在检测过程中，我们通过检测图像找到道路结构最厚的位置，并进行对比分析。也可以通过分析检测波形来确定，或者通过钻孔来确定最厚的位置。

　　5.2确定电磁波的实际传播时间

　　准确地确定底界面回波时间，需要确定电磁波在市政道路结构中的传播时间。同时，为了准确地确定每一结构层的厚度，需要判断每一结构层的位置，准确地确定每一结构层的厚度。

　　5.3标定路面的介电常数

　　为了提高市政路面结构层厚度检测的准确性，在测量前对路面介电常数进行标定。路面介电常数受路面组成材料、施工环境、施工工艺、路面结构层密实度等因素的影响。另外，对于不同的检测点，介电常数也会有所不同。确定路面检测点后，要做好标定，钻孔取样做对比实验，保证检测结果的准确性。

　　6结语

　　传统的检测方法效率低、操作难度大、成本高且无法满足目前城市道路安全隐患排查的要求，采取一种高效、操作便利、破坏性小、有一定经济性的检测方法势在必行，这使得探地雷达成为城市道路灾害检测的首选技术。然而，在实际探测空洞目标时，探地雷达资料的解释和解释结果其准确度常常依赖于技术人员的经验水平，因经验不足而产生的误判也时常发生。因此，对探地雷达目标检测和识别方法的研究具有十分重要的意义。

　　参考文献：

　　[1]林芳辈.市政道路无损检测技术的综合应用[J].科技创新与应用，2014，4(15)：107.

　　作者：邵佳琳陈佳悦