基于探地雷达对化工厂道路路基病害隐患探测建模分析

郭 勇，宁兴园，刘吉雷

(山东正元地球物理信息技术有限公司，山东 济南 250101)

化工厂道路塌陷频发严重威胁着人们的出行安全，对社会的影响极其恶劣。预防道路塌陷，成为了城市建设的一项重任。道路塌陷具有突发性、隐蔽性的特点，传统的预防化工厂道路塌陷的方法主要通过人工巡视或者群众举报的方式发现，无法提前对道路下方潜伏的土地进行预防，其结果总是无法预防。化工厂道路中涉及到的市政附属设备较多，带点线缆属于电磁干扰源，如果使用高密度电法或者瞬变电磁法进行抗电磁干扰干预，并不会起到理想的效果。探地雷达罚精度高、成像及时，在化工厂道路塌陷隐患探测中应用效果较好。在城市的道路塌陷隐患探测中，为了提高信号信噪比，需要使用屏蔽型的探地雷达，即使使用此种天线，对化工厂道路周边还是会造成一定的干扰，影响探地雷达的精度和准确性，从而无法准确的探测地下真实病害。因此，设计一款基于探地雷达的化工厂道路塌陷隐患探测模型，对于道路病害的准确性探测具有十分重要的意义。

1 道路塌陷诱因

道路塌陷事故频发，究其原因，可能是因为城市的地下空间工程建设较多，破坏了地下空间原有的平衡，让地下出现了底层空洞，从而导致道路塌陷；也可能是因为地下管线年久老化，在经过长期的腐蚀后出现破裂，造成周围土基的水土流失，从而导致道路塌陷；还有可能是因为地下管线的施工本身存在一定的问题，如回填性不足所造成的土质输送，在车辆震动和地下水双重压力下而发生流沙淘蚀，从而导致道路塌陷。不管出于哪种诱因，都需要对区域的地质地球物理特征进行研究。

以杭州某道路塌陷区域为例，图1为刚开始塌陷的现场。在地下塌陷区域，可以看到有多条管线埋设于此，大量的管线处于悬空状态。污水管已经发生断裂，大量的污水溢出，流入地下空洞。为了保证周边居民的安全，对塌陷现场进行了探测，并及时对断裂管线进行抢修。通过对路面进行开挖后，发现在道路方向塌陷区的四周，地表建筑物均有不同程度的损坏，车辆无法正常通行。

图1 塌陷开始时的现场

在塌陷区域，地层的岩性简单，地表为泥质粉砂土，基岩为凝灰质砾砂岩。塌陷区域浅地表存在人为改造，在开挖的塌陷处，有沥青、混凝土、回填土和地基层，具体数据如表1所示。

表1 各基层电阻率及相对介电常数

根据表1可知，沥青面层和混凝土层的电阻率较高，相对介电常数较低；回填层湿度大，因此相对介电常数要高于沥青面层和混凝土层，随着水量的增加，电阻率就会不断降低。如果地下砂土受到二次冲刷，将会破坏持力层的平衡，从而形成塌陷空洞。当周边土层与塌陷空洞的相对介电常数之间存在较大差异，则需要使用探地雷达进行塌陷空洞的探测。

2 探地雷达探测道路塌陷空洞原理

探地雷达作为一种探测技术，可以确定地下介质的分布，其探测原理是利用发射天线向地下发射电磁波。当发射的电磁波在传输的过程中遭到塌陷空洞，电磁波发射的信号就会被地表接收天线接收，地表接收天线通过分析后，会对接收到的信息进行反射波双城走时与频谱的准备，从而判断地下界面的结构。

探地雷达在进行道路塌陷探测的过程中，如果地层并没有发生塌陷，且沥青层与混凝土之间接近水平，则会在雷达的剖面表现出近似水平；如果地下层发生塌陷空洞，且空洞与回填土层之间存在明显差异，则需要在雷达的剖面形成反射波同相轴。通过分析雷达剖面上的反射波，确定塌陷的位置。

3 化工厂道路塌陷隐患探测模型设计

3.1 数据来源

为了对化工厂道路路基病害的过程进行模拟，为建设化工厂道路塌陷隐患探测模型提供数据支撑，建立了化工厂道路路基病害的物力模型。将该模型置于道路塌陷事故的公联抢险指挥部中，按照化工厂道路的标准进行模型的修建，长度为240 cm，宽度为40 cm，深度为40 cm，模型设计如图3所示。在该模型中，包含了4个不同功能的模型，可以实现不同的功能，根据不同的类型管线和介质条件，模拟路基病害的演变过程。使用探地雷达所采集到的模型病害数据，需要借助雷达数据处理软件的方式，对路基病害的参数进行提取，同时通过开展道路模型在不受到动载荷影响下，开展关于路基密实度和应变量的探测，为路基病害预警模型的建立提供支撑。

3.2 致险因子与危险等级

选取道路病害评价指标，对于建立城市路基灾害预警模型十分重要，如果选择的指标无法实时反映病害的特征变化，则预测的结果会出现偏差。根据国内外的相关研究，结合当地的城市状况建立物理模型。选择的致险因子为：空洞的长和宽、埋深、含水率、孔隙率、电阻率以及相对介电常数。

化工厂道路的路基病害分为安全Ⅰ级、潜伏Ⅱ级以及危险Ⅲ级3种状态。

3.3 预警流程

概率神经网络的结构如图2所示。作为一个4层前馈神经网络，每一层都有其特定的功能，如输入层，主要用于接收来自输入向量的数据，并将其传输到模式层中；模式层主要对输入向量与节点的距离进行计算，并将计算的结果反馈给求和层。

图2 概率神经网络结构

基于概率神经网络的化工厂道路路基病害预警模型的建立，需要在概率神经网络的帮助下，对原始的数据进行归一化处理，通过建立预警模型的方式，尝试使用不同的方式对网络进行训练，并根据仿真的结果确定不同方式所得到的最佳值。最后对样本的数据进行读取后，使用设定好的预警模型进行探测，从而得到准确的探测结果。

3.4 数据归一化

数据归一化处理实际上就是对原始的数据进行预处理，通过对病害评价指标的分析，得到在不同的量纲情况下，如果不对数据进行预处理，将会影响到神经网络的输出效果。采用Z-score标准化方式进行归一化处理，计算方式为：

式中：表示原始数据；表示均值；表示标准差；表示归一化后的结果。

3.5 预警模型训练与仿真

在建立化工厂道路路基病害动态演化模型过程中，采用收集样本数据的方式，对不同的路基病害危险等级进行分析，使用Matlab神经网络工具箱，建立路基病害预警模型，并对其进行训练。

上述提到的概率神经网络，适用于分类问题的解决，使用newpnn函数进行概率神经网络的创建，其格式为：

net=newpnn(,,Spread)

式中、表示不同的矩阵;Spread表示扩散的速度。

Spread的选取关系到网络的性能，需要不断的调整获取最佳的Spread值，经过多次的测试后，将Spread的值设置为1.0时得到的训练效果最好。以36组样本建立神经网络模型，查看得到的分类结果，如图3所示。

图3 训练效果与误差对比

根据对比结果，可以得到出现样本判断错误的仅有2个。因此，需要对其进行样本预测，结果如表2所示。

表2 测试样本

4 基于探地雷达的化工厂道路塌陷隐患探测分析

4.1 现场踏勘和探地雷达测线布置

化工厂道路交通环境复杂，干扰源较多，在使用探地雷达进行探测之前，需要对道路的环境、结构层厚度以及地下管的分布情况进行详细的调查，根据化工厂道路的特点，将地下走水管线作为现场踏勘的重点，明确标出重要管线的埋设位置以及埋设深度，根据埋设的深度选择使用不同的中心频率探地雷达天线进行探测。由于地铁沿线的出入通道受到的干扰较大，极其容易出现土地疏松和塌陷的情况，因此需要将其作为重点踏勘区域。根据道路塌陷反复性的特点，对道路塌陷的区域进行重点关注，为了保证路面可以尽快恢复完整，需要尽快找到诱发路面塌陷的原因。

根据现场踏勘的情况进行探测雷达测线的绘制，大多数情况下，探地雷达测线要与车道行车的方向保持平行，满足全覆盖的踏勘原则，让每一个车道都要有一条探地雷达测线，且与天线的覆盖区域保持重合。对于地下走水管线，要针对塌陷的区域进行重点检测。针对检测出的病害，要追溯病害的现场位置和情况，采用网络测线加密的方式进行验证，从而判断病害的类型，缩短病害的范围，从而查找出出现严重空洞病害的原因，并对其进行紧急救治，从而预防道路出现大的塌陷事故。

4.2 数据采集参数设置

在采集数据之前要对方案进行反复对比，选择最优的采集方案，并遵照以下原则：

天线的选择，要选择合适频率的天线，在不影响探测深度情况下，选择中心频率较高的天线，可以让探测的深度和分辨率更加准确， 同时也可以针对不同频率的天线进行重复检测；

时窗的设置关系到最大探测深度与介质的电波速度，因此一定要根据波速的变化和目标体的深度进行设定；

采样率的设定要满足采样定律，采样率要保证在反射波最高频率的2倍以上，同时要及时记录波形的完整性，让图像保持一定的清晰度，还要在不影响雷达数据存储的情况下，让采样率的获取效果更大；

道间距的设置要保持在天线移动的速度之上，只要保证探地雷达系统的不偏离，才能够保证道间距的设定值更加准确，通过增加目标体的方式，让扫描次数更高，从而保证目标成像可以更加清晰；

增益的设定实际上就是为了让雷达波与能量保持一致，从而增强地下深层雷达反射波所具备的幅度更大，使用不同深度的雷达反射波，要考虑到反射系数的设定，同时还要保证雷达波振幅的最大值不能超出探地雷达测量的值，避免出现图像失真情况。

4.3 化工厂道路地下病害探测的干扰识别与衰减

空中干扰

发生空中干扰的主要因素是由于地面上被遗弃的物体，在使用探地雷达进行探测时，出现反射雷达电磁波，并在雷达的剖面上产生了固定图像。由于这些物体的反射波是通过空气传播的，因此电磁波在空气中所产生的传播能量很小，主要出现的干扰波与振幅、频率所发出的信号较为相似，波速为电磁波在空气中的传播速度不能超过0.3 m/ns。

地面干扰

地面干扰是通过探地雷达与地面之间产生的直达波所反映出的一种干扰情况，当地面的金属物与非金属物发生碰撞后，会产生反射波，这种干扰波的特点就是能量衰减小，且波形杂乱，会进行多次反射，且在到达时间上要早于目标回波。这些干扰容易缩短目标回波的范围，降低系统对于反射目标的反映能力。因此，在使用探地雷达进行数据处理的过程中，要重点将干扰波列为衰减对象，以保证数据的准确性。

5 实例分析

当前，探地雷达已经在多个化工厂道路地下病害探测中得到了应用，现以杭州为例，展开探地雷达在探测道路地下病害的成效。

5.1 脱空

图4是位于余杭塘路浙江大学附近通过三维探底雷达处理后得到的图像。根据图像可以看出，在剖面上横坐标上有一处脱空，大小2 m×2 m，埋深越50 cm左右。在剖面横坐标脱空不远处，有一处异常，根据地面雷达图像分析后，得到此异常应该是由于地表的地铁沉降检测桩所造成的。在横坐标的右侧可以看到有一个过路管线，埋深大约不到1 m。

图4 浙江大学附近三维探地雷达图像

5.2 空洞

图5是省政府一路段的三维探地雷达探测结果，在12 ns处有一水平切片，在红色方框中存在一异常，位于道路南侧，处于道路中心，南北长度大于为40 cm，东西长度大约为10 cm。从图像上可以明显看出有一双层双曲线信号样式，可能为空洞。

图5 省政府附近三维探地雷达图像

5.3 回填不实

图6为杭州印象城商场附近的三维探地雷达探测结果，在20 ns的一处有水平切片，在下图有一垂且剖面，在剖面上，位于横坐标大约20 m处有一条过路管线，埋深大约为10 cm，横坐标大于15～20 m的地方显示，雷达图像虽然具有连续性，但地层处于下陷状态，且显示雷达的反射波比也十分严重，经分析后，得到此处的异常应该是回填不实所致。

图6 杭州印象城附近三维探地雷达图像

5.4 密实回填

图7是位于杭州四季青步行街附近的三维探地雷达探测结果，在2 ns的地方有一处水平切片，在下图有一垂且剖面，在剖面的横坐标大于45 m处应该有过塌陷，并针对此处的塌陷进行了回填处理，在雷达图像上可以看出，此处塌陷的地方，回填处密实，而且回填的范围显示清晰，在横坐标大于60 cm的地方，污水井在水平切片上表现良好。

图7 杭州四季青步行街附近的三维探地雷达图像

6 结语

通过对三维探地雷达原理以及探测模型进行系统分析，结合具体的工程实例，可以得出利用探地雷达探测道路地下灾害具有显著成效。根据工程实践的分析结果，对探地雷达探测道路地下病害的干扰方式进行了分类，探地雷达对于存在物性差异的地质，可以准确得出探测结果，满足对于化工厂道路地下病害探测的目的。这种形式不仅不会破坏道路表面，实现真正的无损探测，而且可以准确确定地下灾害的类型和范围，对其病害产生的原因进行有针对性的解决，为智慧城市的建设助力。