基于地質雷達的地鐵工程空洞調查

張海林,宋明藝,陳敬國

(1.西北大學地質學系，陜西 西安 710065；2.延長油田股份有限公司，陜西 延安 716000；3. 廣東省有色金屬地質勘查局地質勘查研究院，廣東 廣州 510080；4.中國石油集團東方地球物理公司華北物探處，河北 任丘 062552)

?

基于地質雷達的地鐵工程空洞調查

張海林1,2,宋明藝3,陳敬國4

(1.西北大學地質學系，陜西 西安 710065；2.延長油田股份有限公司，陜西 延安 716000；3. 廣東省有色金屬地質勘查局地質勘查研究院，廣東 廣州 510080；4.中國石油集團東方地球物理公司華北物探處，河北 任丘 062552)

[摘要]在簡要介紹北京某地鐵工程工程地質背景的基礎上，提出了在盾構法施工區(qū)間地質雷達測線布置方法，通過對探測成果的分析研究及對部分異常的挖探驗證，確定了空洞異常的分布范圍及其性質。結果表明，F站～L站區(qū)間內共發(fā)現有3處明顯的土體異常：1號和3號異常為土層嚴重疏松，2號異常為土體脫空；地質雷達能準確地探測土層疏松以及空洞異常，進而提供地下空洞基礎資料。

[關鍵詞]空洞調查；異常識別；地鐵工程；地質雷達

地質雷達是近年來應用于淺層地質構造、巖性檢測的一項新技術，其特點是快速、無損、連續(xù)檢測，并以實時成像方式顯示地下結構剖面，使探測結果一目了然，分析、判讀直觀方便[1]。隨著工程地球物理方法和理論的不斷發(fā)展，其應用領域迅速擴大，現在已在巖土工程勘察、水文地質勘察、工程質量檢測、地下埋藏物探測、塌陷和巖溶勘察、礦產資源勘探以及考古等眾多領域得到廣泛應用[2-6]。

隨著城市現代化的發(fā)展，國內各大城市加快地鐵工程建設的步伐。為了消除安全隱患，確保地鐵工程施工安全和周邊環(huán)境安全，有必要對地鐵工程進行空洞調查。地質雷達作為一種高分辨率探測技術，能夠探明施工區(qū)域地下空洞及疏松土層等病害異常，確保地鐵工程施工安全和周邊環(huán)境安全，近年來得到了普遍的應用。

北京某地鐵工程采用盾構法施工，左線長1 506 m，右線長1 409 m。為了避免施工過程中，由于地下空洞等異常對周邊環(huán)境和施工安全造成不良影響，利用地質雷達技術對該地鐵工程施工區(qū)域進行了地下空洞調查。

1工程地質背景

該地鐵工程施工區(qū)域建筑物較為密集，主要為商業(yè)用房和高層住宅。該施工區(qū)域土層分布較為穩(wěn)定，按地層沉積年代及成因類型，可劃分為人工堆積層、近代沉積層、第四紀晚更新世沖洪積層以及新近紀天壇組四大類。地下水類型主要為潛水，水位埋深21.26～26.24 m，水位標高為21.09～22.75 m，主要含水層為卵石層。

該施工區(qū)域填土層普遍分布，主要為粉土填土層、雜填土層以及圓礫填土層。填土厚度一般約為1.8～3.5 m，土層松散～中密，力學性質差異較大，穩(wěn)定性較差。

該施工區(qū)域近代沉積土層也普遍分布，包括粉土層、粉細砂層以及圓礫層。土層厚度約為1.9～5.1m，以中密為主，土體自穩(wěn)能力較差。

2方法技術

本次地下空洞調查采用美國地球物理勘探儀器設備公司(GSSI)生產的SIR-3000型地質雷達儀。依據建設單位首次空洞調查技術標準及工作要求，需要對工作區(qū)域附近地下埋深5米范圍內是否存在空洞及疏松土層等病害異常進行地質雷達探測。根據探測目的，探測選用100 MHz天線。

施工區(qū)域采用盾構法施工，盾構區(qū)間隧道應在規(guī)定的探測區(qū)域范圍內，沿隧道走向方向布設測線，在左、右線隧道的上方各布設測線，共布置6條測線，測線布置見圖1。其中中間一條測線位于隧道中心線對應的地面位置，兩側再各布設1條測線，測線間距為4 m。

圖1　測線布置斷面圖

3資料處理與解釋

數據處理主要采用了預處理、增益調整、零線標定、背景去噪、濾波等，達到雷達圖像能真實反映下伏土層的特征。處理后雷達波異常剖面顯示，橫坐標為水平距離；縱坐標為電磁波雙程時間，以納秒(ns)為單位。根據以往類似工作經驗[7-9]，確定電磁波速度，最后換算出縱坐標以深度距離米(m)為單位。

在對雷達剖面進行解釋時，常采用對比的方法來識別回波的特征，如回波的相位特征(波峰、波谷沿測線上的變化)、回波的形態(tài)特征(波形、波幅、周期以及包絡線形態(tài)等)。因此，在對雷達異常進行識別的過程中，通常以反射波能量、背景回波、波形的相似性以及連續(xù)性作為主要依據。

本次探測的疏松、脫空異常在雷達圖像上的反映為反射波同相軸不連續(xù)，并向上彎曲，反射波能量強(特別是含水量大的疏松、脫空區(qū))，其回波振幅也反映較強和明顯。依據路面下土層雷達波的相位、頻率與幅值變化進行綜合定性判別，從所發(fā)現異常中剔除土層的自然沉積與填堆積的變化，以及地下管線、地下構筑物或地面各種干擾物引起的異常，將確定的異常按程度劃分為：脫空異常、土層嚴重疏松異常、土層中等疏松異常。

本次工作中現場采集的正常地段雷達圖像見圖2，可看出雷達反射波同相軸連續(xù)，振幅、相位和頻率無明顯變化，無異常回波反射，表明地面下土層穩(wěn)定、密實。

圖2　正常地段雷達圖像

探測區(qū)域地下管線、地面條件等干擾較多，特別是局部地段路邊停放有車輛，給外業(yè)工作和資料解釋帶來一定影響，這些干擾因素在雷達探測成果圖中均有體現。經過對探測成果的細致分析，施工區(qū)域共發(fā)現有3處明顯的土體異常。

1號異常雷達反射波同相軸不連續(xù)，振幅、相位和頻率變化明顯，反射波能量較強，其回波振幅也反映較強和明顯，在雷達記錄上沿測線延伸長度約3 m，深度約1.3～3.0 m。推斷1號異常性質為土層嚴重疏松，雷達異常顯示圖像見圖3。

圖3　1號異常雷達圖像

2號異常雷達反射波同相軸不連續(xù)，并向上彎曲，振幅、相位和頻率明顯變化，反射波能量強，其回波振幅也反映較強和明顯，在雷達記錄上沿測線延伸長度約3 m，深度約2.0～4.0 m。推斷2號異常性質為土層脫空，雷達異常顯示圖像見圖4。

圖4　2號異常雷達圖像

3號異常雷達反射波同相軸不連續(xù)，振幅、相位和頻率變化明顯，反射波能量較強，其回波振幅也反映較強和明顯，在雷達記錄上沿測線延伸長度約13 m，深度約1.0～2.7 m。推斷3號異常性質為土層嚴重疏松，雷達異常顯示圖像見圖5。

圖5　3號異常雷達圖像

4檢測結果驗證

為了確保雷達檢測資料的可靠性，驗證其科學性與精度，對各類異常有必要進行驗證[10]。本次驗證工作主要針對所解釋的疏松、脫空異常采用洛陽鏟人工挖探的方式進行驗證，利用實際挖探過程地層的變化情況對探測結果進行驗證，該方法具有直觀、準確等特點。在實際挖探過程中，由于不能對道路、現有大型構(建)筑物及其他公共設置產生破壞，位于道路上的2號、3號異常點未能驗證。

驗證結果表明，1號異常性質為土層嚴重疏松，深度為1.5～3.5 m，與解釋結果非常吻合。該異常的形成可能是由于異常區(qū)域前期地下管線施工過程土體開挖回填不密實及道路下方土體不密實并受上層滯水影響造成。

5結語

(1) 正常地段雷達雷達反射波同相軸連續(xù)，振幅、相位和頻率無明顯變化，無異?；夭ǚ瓷?，表明地面下土層穩(wěn)定、密實；疏松、空洞異常在雷達圖像上的反映為反射波同相軸不連續(xù)，并向上彎曲，反射波能量強，其回波振幅也反映較強和明顯。

(2) 施工區(qū)域內共發(fā)現有3處明顯的土體異常：1號和3號異常為土層嚴重疏松，2號異常為土體脫空。

(3) 地質雷達能準確地探測土層疏松以及脫空異常，進而提供地下空洞基礎資料，以便采取有效處理措施，消除安全隱患，確保地鐵工程施工安全和周邊環(huán)境安全。

參考文獻

[1]葛增超,劉東升. 應用地質雷達檢測地下工程襯砌的施工質量[J]. 四川建筑科學研究.2006,32(1):115-117.

[2]謝昭暉,李金銘. 我國地質雷達的應用現狀及展望[J].工程勘察. 2007,11:71-75.

[3]李嘉,郭成超,王復明,等. 探地雷達應用概述[J].地球物理學進展. 2007,22(2):629-636.

[4]陳培德. 地質雷達檢測技術在隧道襯砌質量檢測中的應用[J].中外公路. 2010, 30(2): 182-185.

[5]李華, 焦彥杰, 楊俊波. 淺析地質雷達技術在我國的發(fā)展及應用[J]. 物探化探計算技術. 2010, 32(3): 292-299.

[6]祝云華. 地質雷達在隧道檢測中的應用[J].水利與建筑工程學報. 2015, 13(2): 140-143.

[7]葛雙成,張莎,李強,等. 探地雷達在海塘堤腳掏空損傷檢測中的應用試驗及分析[J]. 地球物理學進展. 2007, 22(3):989-993.

[8]高陽,張慶松,原小帥,等. 地質雷達在巖溶隧道超前預報中的應用[J]. 山東大學學報(工學版). 2009, 39(4): 82-86.

[9]劉傳孝,蔣金泉,楊永杰. 地質雷達應用于探測拱橋、空洞的效果驗證[J]. 巖土力學. 2001, 22(1):106-108.

[10]汪興旺,李建華. 探地雷達技術在隧道襯砌質量檢測中的應用[J]. 成都理工大學學報(自然科學版). 2007, 34(3):354-358.

[收稿日期]2015-03-14

[基金項目]陜西省教育廳專項科研計劃項目資助(14JK1579)

[作者簡介]張海林(1979-)，男，陜西榆林人，工程師，主要從事油氣田勘探開發(fā)及物探資料解釋工作。

[中圖分類號]P641.2

[文獻標識碼]A

[文章編號]1004-1184(2016)01-0246-02