摘 要：盐城市地处我国东部沿海地带，地下水位浅，地下土体压缩性较高，强度低，易形成疏松土质，产生不均匀沉降，造成路面局部沉陷、开裂，长期发育形成道路空洞，从而导致道路塌陷。为了排查江苏省盐城市城区主干道地下病害分布情况，盐城市利用探地雷达技术对共计100多千米城市道路展开探查，经过初测、复测、定位、验证等流程，共计发现空洞、脱空、疏松等782处病害体。文章分析了地下病害体形成原因，以及病害体具体位置与城市管网分布的关系，有针对性地为地下病害体处置提出了工作建议，实现了城市道路病害体的提前预知和提前处置。
关键词：探地雷达；城市道路；无损检测
中图分类号：TP391；U418 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2024）20-0135-05
Research on the Application of Ground Penetrating Radar in Municipal Road Detection in Yancheng City， Jiangsu Province
CHEN Qinghua， CHEN Chen
（Yancheng Municipal Facilities Management Office， Yancheng 224000， China）
Abstract： Yancheng city is located in the eastern coastal zone of China， with shallow groundwater level， high compressibility of underground soil， low strength， and it is easy to form loose soil， which produces uneven settlement， resulting in local subsidence and cracking of the road surface. And the long-term development of road holes will lead to road collapse. In order to investigate the distribution of underground diseases on the main roads in Yancheng city， Jiangsu province， more than 100 kilometers of urban roads are explored by using ground penetrating radar technology. After initial test， retest， positioning， verification and other processes， a total of 782 voids， emptying， loose and other disease bodies are found. This paper analyzes the causes of underground disease bodies and the relationship between the specific location of disease bodies and the distribution of urban pipe network， and puts forward targeted work suggestions for the disposal of underground disease bodies to realize the advance prediction and disposal of urban road disease bodies.
Keywords： ground penetrating radar; urban road; nondestructive testing
0 引 言
城市道路是城市的重要基础设施和组成部分，随着我国城市化进程的不断推进，城市道路规模越来越大，结构越来越复杂，由于道路车流量大、路面老化、路基沉降、雨水冲刷、路面渗水、地下管道漏水等原因，时常导致道路路面开裂、变形、沉降、塌陷等[1]，严重威胁人民生命和财产安全。
造成路面开裂、沉降、坍塌的主要原因是道路地下病害，其主要分为空洞、脱空、疏松、富水体，一般是由工程地质、水文地质和工程建设等作用相结合的产物，具有显著的时空突发性、隐蔽性、随机分布等特点[2]。路基病害与路面病害往往相互作用、相互影响。但由于路基病害的隐伏性，其危害性比路面病害更大；因此在道路病害的研究中，重点关注路基疏松、脱空和空洞病害的检测和识别[3-4]。使用传统方法如钻探取心法效率低，容易损害道路，不适合大规模长距离的道路病害探测，不能对潜在的地下病害体进行预警和提前处置。地下小病害发展为造成重大经济损失和人员伤亡的路面大问题时才被人察觉。为了快速、准确、科学地探测道路病害问题，必须采用无损探测方法。探地雷达作为一种快速高效的无损探测方法，被广泛应用于城市道路病害检测[5]。探地雷达法具有精度高，效率快，连续无损，实时成像等优点，是目前城市道路塌陷隐患探测的主要方法[6]。
摸清城市道路病害地下分布，保障城市可持续发展，是维护城市道路安全的一项重要任务[7]。道路病害的探测范围广，难度大，使用传统方法（如钻探取心法）效率低，检测能力差，容易损害道路，不适合大规模长距离的道路病害的检测。
为了快速、准确、科学地检测道路病害问题，必须采用无损探测方法。探地雷达（Ground Penetrating Radar， GPR）向地下发射高频电磁波并接收反射信号，通过解释反射信号从而确认地下目标结构，作为一种快速高效的无损探测方法，被广泛应用于城市道路病害检测。盐城市将探地雷达应用在城市道路地下病害检测领域，积极解决困扰城市发展的城市病，及时发现潜在的地下病害，做到小病害早发现、早处置，有利于消除路面重大安全问题。
1 探地雷达检测原理
探地雷达是用高频无线电磁波来确定道路地下物质分布情况的一种地球物理方法，具有高分辨率、非接触、高效率、抗干扰能力强等特点。探地雷达工作时，由发射天线向地下发射宽频带短脉冲形式的高频电磁波（106～109 Hz），当电磁波在地下遇到与周围介质有介电性差异的目标时，电磁波会发生折射，部分能量折射回地面被接收天线接收，通过分析接收天线接收到的回波信号，可以推断出地下目标体的分布范围、规模、结构特征，从而对地下道路病害体的探测[8]。接收天线接收到的脉冲波形走时为：
其中，z为反射体所在深度，x为发射天线和接收天线间的距离，v为波速。在实际测量中两天线间的距离是确定的，通过测量到的脉冲波形走时便可确定出地下反射体的深度。
为了保证探测的准确性，还应该考虑探地雷达的分辨率和探测深度，分辨率就是分辨最小地下异常的能力[5]。探地雷达分辨率取决于电磁波波长，波长越短分辨率越高，探测就越精准；波长越长探测深度越深。因此在保证探测深度的前提下，尽量提高工作频率缩短波长。
通过记录脉冲反射波形，波形的正负峰分别用黑、白表示，可得到雷达图像。
2 探测雷达应用
2.1 盐城地质概况
盐城市处于我国东部沿海地带，位于长江三角辐射区，区内人口密集，经济交通发达，地势低而平坦且河沟纵横，水网密布，50 km以上的大型河流有12条。其地质构造为典型的冲积平原，区内地层主要为数百至数千米的第四纪与新近纪沉积物[9]。土层含水量高，整体透水性不佳，要表现为粉土、粉质黏土、淤泥质土等土层，地下水埋层浅，土层中的中小颗粒土随着地下水活动逐步散失，粉土渗透系数较大，加速了水土流失速率，形成疏松土质，长期发育形成空洞，导致道路塌陷。淤泥质土压缩性较高，强度低，易产生不均匀沉降，造成路面局部沉陷、开裂。
2.2 探测雷达在实际项目中的应用
按照盐城市住房和城乡建设局的要求，于2023年9月13日开始对盐城市世纪大道、新都路、解放路、人民路、大庆路、西环路、青年路、建军路、开放大道、毓龙路，共计10条（段）道路进行了探地雷达无损探测，排查上述道路塌陷隐患。良好的前期勘察工作对后期的雷达数据解释有极大助力，项目探测作业开始前应对目标路段进行全面的现场勘察，主要勘察工作有：
1）确定目标路段道路的建成时间，道路垫层、基层、面层的材质及厚度，土层含水量，路面沉降问题。
2）确定目标路段的交通状况，包括道路通行高峰期、车道分布、有无交通隔离栏。
3）确定目标路段周围有无影响测量的在建工程项目（如顶管和拖拉管施工、地下通道施工基坑施工）。
4）确定目标路段道路变形、凹陷情况。
5）确定目标路段地下管线、管廊、窨井特别是自来水管线的分布情况。
结合前期勘察结果和现场实际情况对目标探测路段进行测线加密布设探测。
2.3 盐城地下病害体
地下病害体一般是由工程地质、水文地质和工程建设等作用相结合的产物，具有显著的时空突发性、随机分布等特点，地下病害体主要分为空洞、脱空、疏松、富水体[1]。盐城地下病害体如表1所示。
3 探测成果
3.1 数据处理与地下干扰
在对雷达数据进行分析之前，需要对探地雷达采集到的原始数据进行处理。数据处理可以压制原始数据中的噪声，增强信号，提高信噪比，提高病害的识别准确性[10]。探地雷达数据处理的一般流程可分为三步。第一步数据编辑：包括数据合并，废道剔除，侧线方向一致化，漂移处理。第二部常规处理：数字滤波，反褶积，偏移处理等。第三步：雷达图像的增强处理。通过人工分析经过处理后的雷达图谱是否存在异常区域，可作为是否存在地下病害体的依据。
由于城市道路地下情况复杂，地下管线、管廊、窨井密布，其图谱可能会对后期地下病害体图谱的识别产生影响，降低病害体的识别准确率，故在项目正式开始探测前，应对所探测目标路段内的常见地下干扰物图谱进行分类。钢筋典型图谱如图1所示，窨井典型图谱如图2所示，管线典型图谱如图3所示，管廊典型图谱如图4所示。
3.2 典型病害体图谱
为保证探测准确性，为后期采取处置措施提供便利，对初步判定为地下病害体的目标进行二次复测和钻孔判定，其中脱空、空洞、疏松三种道路病害体易产生路面坍塌事故，对城市道路的威胁较大。
脱空指路面结构层与路基土层之间产生不连续接触的现象，埋置深度浅，易在车辆荷载等因素作用下引发路面沉陷或塌陷。空腔净深≤0.5 m可判断为脱空，其纵断面探地雷达图谱（B-Scan图）绕射波多次波明显，病害区域内振幅明显增强，雷达波衰减较慢，顶部反射波与入射波同向，底部反射波与入射波反向，其初测图谱如图5所示，复测图谱如图6所示。
空洞指路基土层中发育的具有一定规模的空腔，上部土体或结构具有失稳风险，易引发路面沉陷或塌陷。空腔净深＞0.5 m可判断为空洞，其纵断面探地雷达图谱（B-Scan图）绕射波多次波明显饶射波两侧明显，净空较大时可见饶射交叉波，病害区域内振幅明显增强，雷达波衰减较慢，顶部反射波与入射波同向，底部反射波与入射波反向，其初测图谱如图7所示，复测图谱如图8所示。
疏松指的是路基土层中局部土体的密实度明显低于周边土体，局部土体相对松散，浸水后易变形或流失，易引发土体的空洞，造成路面沉陷或塌陷。其纵断面探地雷达图谱（B-Scan图）特征与脱空和空洞图谱相似，其初测图谱如图9所示，复测图谱如图10所示，需经实地钻孔验证后方可得出准确的结论。
3.3 病害体位置与相关性分析
本次雷达探测项目范围内的10条路段，共发现782处病害体，其中空洞14处、脱空545处，严重疏松205处，土体疏松18处。根据原始雷达数据，雷达图谱数据，病害体复测、钻孔验证，现场照片等数据，标注了各路段病害体目标的详细位置，如图11所示。
通过对10条路段病害分布情况分析，统计制作了各路段病害分布情况柱状图，如图12所示，发现西环路、人民路、青年路、建军路、开放大道、世纪大道，这些路段病害体密度较大，且存在较为严重的空洞病害，其主要原因是：上述路段车流量大，道路路面在机动车尤其是重载车辆的长期频繁碾压、震动下，易形成开裂、车辙、局部下沉等现象，破坏路面结构层，地表雨水下渗，软化路基，引起土体流失，长期发育形成空洞，导致道路塌陷。
通过对已发现782处病害实地调查的基础上，统计分析了病害位置与周边基础设施相关性如表2所示，发现与地下管网分布相关占比约为70%，其他因素占比约为30%。具体信息如下：雨水管线228处，约占比29%；污水管线61处，约占比8%；电力管线212处，约占比27%；燃气管线13处，约占比2%；给水管线32处，约占比4%。周边未发现基础设施分布的病害共236处，占总比30%。
地下管网附近地下病害体分布较为密集，主要原因是：
1）地下管线的超期服役、管材老化损坏断裂，造成带水管道“跑、冒、滴、漏”等问题，引起土体软化、湿陷下沉，形成swEIY5yvxB36jLZaIWqyCFwuoeo175fxkJAZNqvizCY=沉陷。涉水管线破损漏水同时将冲刷侵蚀路基土，形成掏空，逐步发育成空洞，尤其是压力管道进一步加强了冲刷效应，加大了水土流失速率，最终引发道路塌陷。
2）道路下方或道路周边进行顶管和拖拉管等非开挖施工时，可能会引起土体液化、管涌流砂、进出洞口漏水漏泥，出现水土流失现象，形成掏空垮落带、松散发育带和变形沉降带，最终导致路面塌陷。顶管周边土体注浆加固不到位，以及土体长期固结沉降（包括超孔隙水压消散引起的主固结沉降，土体骨架蠕变引起的次固结沉降）时，也将形成水土流失带、掏空垮落带、松散发育带和变形沉降带，最终可能会形成地下空洞，引发道路塌陷。
3）盐城地区河网密布，道路下方暗河、暗浜加固处理不到位，或回填土较松散、管线开挖回填不密实，路基土体透水性增强，路基土容易被地下水或管道漏水冲刷侵蚀、软化路基，引起土体流失，逐渐发展形成空洞，导致道路塌陷。
4 病害体处置
参考《城市地下病害体综合探测与风险评估技术标准》JGJ/T 437—2018，结合盐城市地质条件及道路病害体特点，对盐城市各类型道路病害体提出如表3所示的处置方法。
5 一般疏松 18 定期巡查、定期检测
5 结 论
盐城市市区主干道地下空洞预警探测项目利用探地雷达技术，对盐城市世纪大道、新都路、解放路、人民路、大庆路、西环路、青年路、建军路、开放大道、毓龙路，共计10条（段）道路进行了全面、高效的无损探测。经过数据统计及分析，对存在的782处地下病害进行了精准分类和定位，确定了病害的性质、规模和发展趋势，有利于消除盐城市地下病害，推动了盐城地下空间病害防治，极大降低了城市道路坍塌的可能性，为城市建设地下空间信息数据库，动态监控地下工程施工扰动和路面地下地质结构变化提供了宝贵数据，实现了对塌陷隐患形成的提前预警，完成了从空洞探测到道路安全治理的跨越，保证了市民的出行安全。
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作者简介：陈清华（1978—），男，汉族，江苏响水人，高级工程师，学士学位，研究方向：市政工程建设管理；陈晨（1978—），男，汉族，江苏射阳人，高级工程师，学士学位，研究方向：市政管理。
