基于探地雷達對化工廠道路路基病害隱患探測建模分析

郭 勇，寧興園，劉吉雷

(山東正元地球物理信息技術有限公司，山東 濟南 250101)

化工廠道路塌陷頻發嚴重威脅著人們的出行安全，對社會的影響極其惡劣。預防道路塌陷，成為了城市建設的一項重任。道路塌陷具有突發性、隱蔽性的特點，傳統的預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現，無法提前對道路下方潛伏的土地進行預防，其結果總是無法預防。化工廠道路中涉及到的市政附屬設備較多，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，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確性，從而無法準確的探測地下真實病害。因此，設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，究其原因，可能是因為城市的地下空間工程建設較多，破壞了地下空間原有的平衡，讓地下出現了底層空洞，從而導致道路塌陷；也可能是因為地下管線年久老化，在經過長期的腐蝕后出現破裂，造成周圍土基的水土流失，從而導致道路塌陷；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輸送，在車輛震動和地下水雙重壓力下而發生流沙淘蝕，從而導致道路塌陷。不管出于哪種誘因，都需要對區域的地質地球物理特征進行研究。

以杭州某道路塌陷區域為例，圖1為剛開始塌陷的現場。在地下塌陷區域，可以看到有多條管線埋設于此，大量的管線處于懸空狀態。污水管已經發生斷裂，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，發現在道路方向塌陷區的四周，地表建筑物均有不同程度的損壞，車輛無法正常通行。

圖1 塌陷開始時的現場

在塌陷區域，地層的巖性簡單，地表為泥質粉砂土，基巖為凝灰質礫砂巖。塌陷區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，具體數據如表1所示。

表1 各基層電阻率及相對介電常數

根據表1可知，瀝青面層和混凝土層的電阻率較高，相對介電常數較低；回填層濕度大，因此相對介電常數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。當周邊土層與塌陷空洞的相對介電常數之間存在較大差異，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，可以確定地下介質的分布，其探測原理是利用發射天線向地下發射電磁波。當發射的電磁波在傳輸的過程中遭到塌陷空洞，電磁波發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備，從而判斷地下界面的結構。

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出近似水平；如果地下層發生塌陷空洞，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計

3.1 數據來源

為了對化工廠道路路基病害的過程進行模擬，為建設化工廠道路塌陷隱患探測模型提供數據支撐，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搶險指揮部中，按照化工廠道路的標準進行模型的修建，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，可以實現不同的功能，根據不同的類型管線和介質條件，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據，需要借助雷達數據處理軟件的方式，對路基病害的參數進行提取，同時通過開展道路模型在不受到動載荷影響下，開展關于路基密實度和應變量的探測，為路基病害預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，對于建立城市路基災害預警模型十分重要，如果選擇的指標無法實時反映病害的特征變化，則預測的結果會出現偏差。根據國內外的相關研究，結合當地的城市狀況建立物理模型。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。

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。

3.3 預警流程

概率神經網絡的結構如圖2所示。作為一個4層前饋神經網絡，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據，并將其傳輸到模式層中；模式層主要對輸入向量與節點的距離進行計算，并將計算的結果反饋給求和層。

圖2 概率神經網絡結構

基于概率神經網絡的化工廠道路路基病害預警模型的建立，需要在概率神經網絡的幫助下，對原始的數據進行歸一化處理，通過建立預警模型的方式，嘗試使用不同的方式對網絡進行訓練，并根據仿真的結果確定不同方式所得到的最佳值。最后對樣本的數據進行讀取后，使用設定好的預警模型進行探測，從而得到準確的探測結果。

3.4 數據歸一化

數據歸一化處理實際上就是對原始的數據進行預處理，通過對病害評價指標的分析，得到在不同的量綱情況下，如果不對數據進行預處理，將會影響到神經網絡的輸出效果。采用Z-score標準化方式進行歸一化處理，計算方式為：

式中：表示原始數據；表示均值；表示標準差；表示歸一化后的結果。

3.5 預警模型訓練與仿真

在建立化工廠道路路基病害動態演化模型過程中，采用收集樣本數據的方式，對不同的路基病害危險等級進行分析，使用Matlab神經網絡工具箱，建立路基病害預警模型，并對其進行訓練。

上述提到的概率神經網絡，適用于分類問題的解決，使用newpnn函數進行概率神經網絡的創建，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的選取關系到網絡的性能，需要不斷的調整獲取最佳的Spread值，經過多次的測試后，將Spread的值設置為1.0時得到的訓練效果最好。以36組樣本建立神經網絡模型，查看得到的分類結果，如圖3所示。

圖3 訓練效果與誤差對比

根據對比結果，可以得到出現樣本判斷錯誤的僅有2個。因此，需要對其進行樣本預測，結果如表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 現場踏勘和探地雷達測線布置

化工廠道路交通環境復雜，干擾源較多，在使用探地雷達進行探測之前，需要對道路的環境、結構層厚度以及地下管的分布情況進行詳細的調查，根據化工廠道路的特點，將地下走水管線作為現場踏勘的重點，明確標出重要管線的埋設位置以及埋設深度，根據埋設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，極其容易出現土地疏松和塌陷的情況，因此需要將其作為重點踏勘區域。根據道路塌陷反復性的特點，對道路塌陷的區域進行重點關注，為了保證路面可以盡快恢復完整，需要盡快找到誘發路面塌陷的原因。

根據現場踏勘的情況進行探測雷達測線的繪制，大多數情況下，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，且與天線的覆蓋區域保持重合。對于地下走水管線，要針對塌陷的區域進行重點檢測。針對檢測出的病害，要追溯病害的現場位置和情況，采用網絡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，從而查找出出現嚴重空洞病害的原因，并對其進行緊急救治，從而預防道路出現大的塌陷事故。

4.2 數據采集參數設置

在采集數據之前要對方案進行反復對比，選擇最優的采集方案，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確， 同時也可以針對不同頻率的天線進行重復檢測；

時窗的設置關系到最大探測深度與介質的電波速度，因此一定要根據波速的變化和目標體的深度進行設定；

采樣率的設定要滿足采樣定律，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據存儲的情況下，讓采樣率的獲取效果更大；

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

增益的設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，要考慮到反射系數的設定，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，出現反射雷達電磁波，并在雷達的剖面上產生了固定圖像。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生的傳播能量很小，主要出現的干擾波與振幅、頻率所發出的信號較為相似，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生的直達波所反映出的一種干擾情況，當地面的金屬物與非金屬物發生碰撞后，會產生反射波，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回波。這些干擾容易縮短目標回波的范圍，降低系統對于反射目標的反映能力。因此，在使用探地雷達進行數據處理的過程中，要重點將干擾波列為衰減對象，以保證數據的準確性。

5 實例分析

當前，探地雷達已經在多個化工廠道路地下病害探測中得到了應用，現以杭州為例，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附近通過三維探底雷達處理后得到的圖像。根據圖像可以看出，在剖面上橫坐標上有一處脫空，大小2 m×2 m，埋深越50 cm左右。在剖面橫坐標脫空不遠處，有一處異常，根據地面雷達圖像分析后，得到此異常應該是由于地表的地鐵沉降檢測樁所造成的。在橫坐標的右側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，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，位于橫坐標大約20 m處有一條過路管線，埋深大約為10 cm，橫坐標大于15～20 m的地方顯示，雷達圖像雖然具有連續性，但地層處于下陷狀態，且顯示雷達的反射波比也十分嚴重，經分析后，得到此處的異常應該是回填不實所致。

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，在剖面的橫坐標大于45 m處應該有過塌陷，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，在橫坐標大于60 cm的地方，污水井在水平切片上表現良好。

圖7 杭州四季青步行街附近的三維探地雷達圖像

6 結語

通過對三維探地雷達原理以及探測模型進行系統分析，結合具體的工程實例，可以得出利用探地雷達探測道路地下災害具有顯著成效。根據工程實踐的分析結果，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，可以準確得出探測結果，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，實現真正的無損探測，而且可以準確確定地下災害的類型和范圍，對其病害產生的原因進行有針對性的解決，為智慧城市的建設助力。