地質(zhì)雷達(dá)在城市道路地下典型病害探測(cè)中的應(yīng)用

楊光 李穎

摘 要：道路是一個(gè)城市最重要的基礎(chǔ)設(shè)施，由道路地下空洞等引起的城市道路塌陷是當(dāng)前道路養(yǎng)護(hù)面臨的主要難題。地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)技術(shù)作為一種無(wú)損檢測(cè)方法，以其方便、高效等優(yōu)點(diǎn)被廣泛地應(yīng)用到城市道路病害探測(cè)方面。本文結(jié)合南京某建筑工程附近的道路塌陷隱患區(qū)探測(cè)工程實(shí)例，介紹了地質(zhì)雷達(dá)在城市道路地下典型病害探測(cè)中的應(yīng)用，并參考探測(cè)區(qū)域內(nèi)的工程地質(zhì)資料，對(duì)塌陷隱患區(qū)的形成原因進(jìn)行綜合分析，為后期病害治理和消險(xiǎn)工程提供有力支持。

關(guān)鍵詞：城市道路;典型病害;塌陷災(zāi)害;地質(zhì)雷達(dá)

中圖分類號(hào)：P631.3;TU992.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2021）04-0115-03

Abstract： The urban road is the most important infrastructure of a city， and the urban road collapse caused by the underground cavity is the main problem of road maintenance. As a rapidly developing nondestructive testing technology， ground penetrating radar detection has been widely used in urban road detection because of its convenience and high efficiency.In this paper， combined with an example of a detection project for road collapse hidden danger areas near a construction project in Nanjing， the application of ground penetrating radar （GPR） in the detection of typical underground diseases of urban roads was introduced， and referring to the engineering geological data in the detection area， a comprehensive analysis of the causes of the formation of the hidden danger zone of collapse was carried out to provide strong support for the later disease control and risk elimination projects.

Keywords： urban road;typical hazard;subsidence disaster;ground penetrating radar

隨著城市化建設(shè)的發(fā)展，城市道路建設(shè)、大型建筑建設(shè)及地下空間的開(kāi)發(fā)利用快速推進(jìn)，一些自然因素或人為因素催生地下病害隱患，最終誘發(fā)道路路面塌陷災(zāi)害。因此，在道路塌陷發(fā)生前，只有采取合理的探測(cè)手段，查明城市道路典型地下病害的形成原因，才能防患于未然。近年來(lái)，地面塌陷隱患病害的探測(cè)研究很多[1-2]，從直觀但工作流程煩瑣的鉆探方法到方便快捷的地球物理探測(cè)方法，探測(cè)方法不斷革新。地質(zhì)雷達(dá)作為常用的物探方法，具有快速、無(wú)損探測(cè)的特點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用在城市道路地下病害探測(cè)中，在塌陷病害原因分析和治理工程中發(fā)揮著重要的作用[3-5]。

1 地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)技術(shù)

地質(zhì)雷達(dá)是依據(jù)被探測(cè)體內(nèi)的不同介質(zhì)具有不同的物理性質(zhì)（如電阻率、彈性波速、介電常數(shù)等）進(jìn)行探測(cè)的，它由發(fā)射部分和接收部分組成，如圖1所示。發(fā)射部分由產(chǎn)生高頻脈沖波的發(fā)射機(jī)和向外輻射電磁波的天線（Tx）組成。發(fā)射天線以60°～90°的波束角向地下發(fā)射電磁波，電磁波在傳播途中遇到電性分界面而產(chǎn)生反射。反射波被設(shè)置在某一固定位置的接收天線（Rx）接收，與此同時(shí)，接收天線還接收沿巖層表層傳播的直達(dá)波，反射波和直達(dá)波同時(shí)被接收機(jī)記錄或者終端將兩者顯示出來(lái)。電磁波在介質(zhì)中傳播時(shí)，其路徑、電磁場(chǎng)強(qiáng)度與波形將隨所通過(guò)介質(zhì)的電性及幾何形態(tài)而變化，根據(jù)接收到波的旅行時(shí)間（亦稱雙程走時(shí)）、幅度與波形資料，可推斷地下介質(zhì)的分布情況。根據(jù)電磁場(chǎng)理論，電磁波在傳播過(guò)程中遇到不同電性介質(zhì)，其界面處將發(fā)生反射和折射現(xiàn)象，從而改變電磁波的傳播方向，如圖1所示。通過(guò)沿剖面同步移動(dòng)發(fā)射天線（T）和接收天線（R），人們便可獲得由反射記錄組成的雷達(dá)剖面，其同相軸分布與地下不同介電目標(biāo)體埋深、形態(tài)有直觀的對(duì)應(yīng)關(guān)系[6-10]。

地質(zhì)雷達(dá)是一種通過(guò)研究反射波相對(duì)直達(dá)波的往返旅行時(shí)間、振幅、頻率和相位特征，確定地下目標(biāo)體的探測(cè)方法，具有探測(cè)效率高、對(duì)場(chǎng)地和目標(biāo)體無(wú)損、分辨率高和抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，為無(wú)損檢測(cè)。

2 工程應(yīng)用實(shí)例

在施工過(guò)程中，南京某建筑工地附近的基坑出現(xiàn)滲水并攜帶泥沙等介質(zhì)，滲水點(diǎn)位置附近的路面出現(xiàn)局部沉降和塌陷，周邊部分房屋墻面出現(xiàn)裂縫，產(chǎn)生較大的安全隱患。相關(guān)部門立即組織搶險(xiǎn)，為保證治理效果，避免出現(xiàn)新的塌陷險(xiǎn)情，加固處理前對(duì)塌陷點(diǎn)附近道路地下病害進(jìn)行地質(zhì)探測(cè)。根據(jù)地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)成果圈定的病害位置，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行高壓注漿加固處理，進(jìn)而消除險(xiǎn)情。

本次地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)采用美國(guó)GSSI公司生產(chǎn)的SIR-20型地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該系列探地雷達(dá)探測(cè)速度快，可以在短時(shí)間內(nèi)迅速采集地下信息，通過(guò)靈活設(shè)置觀測(cè)系統(tǒng)參數(shù)，對(duì)探測(cè)對(duì)象進(jìn)行快速、高密度成像，達(dá)到檢測(cè)目的。本次雷達(dá)探測(cè)采用40 MHz低頻組合天線，測(cè)量方式為采用沿測(cè)線方向點(diǎn)測(cè)，點(diǎn)距為0.1 m/點(diǎn)。

2.1 工程地質(zhì)條件

根據(jù)工程勘察資料，探測(cè)場(chǎng)地淺地層為雜填土，雜填土以建筑垃圾為主，混雜碎磚塊和混凝土塊，含少量黏性土，雜填土層厚度大約為2 m，局部松散。雜填土層下伏為素填土層，該層以黏性土為主，含少量硬的磚塊和混凝土塊雜質(zhì)，層厚為2～5 m。素填土層下伏為粉質(zhì)黏土層，具有一定的強(qiáng)度，層厚介于1.5～2.0 m。粉質(zhì)黏土層下伏為粉細(xì)砂層，層底深度不超過(guò)17 m，飽和，稍密，該層在擾動(dòng)狀態(tài)下是最易形成漏水涌砂現(xiàn)象的地層。在正常狀態(tài)下，地下水位穩(wěn)定在2.2 m左右，與基坑底部存在一定的高差，這是形成巖土體滲流的主要?jiǎng)恿l件。

2.2 典型異常剖面分析

建筑工地塌陷點(diǎn)附近的基坑發(fā)生了漏水涌砂，漏點(diǎn)附近地面出現(xiàn)的沉降與漏水點(diǎn)附近泥沙的大量流失有關(guān)，在周圍地下水的不斷補(bǔ)充下，當(dāng)?shù)匦纬闪艘欢ㄓ杏绊懛秶臐B流路徑，不斷地?cái)y帶地面下方土體中的填充介質(zhì)，造成路面下方的雜填土層、黏土層或粉細(xì)砂層局部形成高孔隙率土體，甚至呈松散狀，本次地質(zhì)雷達(dá)的應(yīng)用目的正是探測(cè)這些不良土體的分布和規(guī)模。

本次地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)的主要異常為滲水區(qū)附近的土體密實(shí)性改變，局部土體松散，典型的雷達(dá)探測(cè)成果如圖2和圖3所示。

圖2和圖3為測(cè)線1和測(cè)線2的地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)剖面，探測(cè)有效深度不超過(guò)20 m，根據(jù)地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)資料并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的驗(yàn)證鉆孔資料，探測(cè)所獲得的異常主要為路面下方土體局部欠密實(shí)，異常區(qū)域主要集中在搶修段的西側(cè)（滲漏點(diǎn)附近）。經(jīng)推斷，異常形成的原因?yàn)槁访嫦路酵馏w中細(xì)顆粒介質(zhì)出現(xiàn)流失，水位下降后，土體的孔隙率變大，當(dāng)電磁波傳播到異常區(qū)土體時(shí)，其產(chǎn)生了較強(qiáng)的反射、散射和折射，與周圍土體介質(zhì)形成鮮明對(duì)比。滲漏點(diǎn)土體介質(zhì)的流失使得路面下方水位線以下的土體含水量增大，對(duì)電磁波能量的吸收增強(qiáng)，電磁波傳播的速度變小，波長(zhǎng)變長(zhǎng)，振幅變小，推斷該區(qū)域?yàn)槁访嫦路降母吒凰?。在深?～2 m的范圍，局部存在一些疑似淺層脫空異常、局部欠密實(shí)異常的區(qū)域，這些異常的分布范圍較小，與其下方大范圍的欠密實(shí)區(qū)存在一定聯(lián)系，經(jīng)推斷，其也與異常區(qū)土體介質(zhì)的流失有關(guān)，因?yàn)樵撋疃认碌耐馏w中不含地下水，形成較強(qiáng)的反射雷達(dá)波異常區(qū)域?？v觀圖2和圖3的異常分布位置和深度，人們可以看出，異常區(qū)域的分布大體處于同一個(gè)位置，說(shuō)明路面下方異常土體具備一定規(guī)模，主要分布在搶修段的西側(cè)。

地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)成果中的異常并不是孤立存在的，它們是相互聯(lián)系的，相鄰異?？梢院喜ⅲㄟ^(guò)對(duì)所有測(cè)線探測(cè)的異常進(jìn)行劃分、歸類和整合，人們可以得出本次地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)成果的綜合推斷成果圖。由圖4可知，慢車道管道上方存在1處土體松散異常，其位于慢車道中心橫向12～15 m的范圍;搶修段（滲流點(diǎn)）附近路面下方分布有2處土體欠密實(shí)異常區(qū)，其位于慢車道橫向35～60 m和61～78 m的范圍，兩處異常規(guī)模較大，是本次探測(cè)所得到的重點(diǎn)土體異常區(qū)域。慢車道的北側(cè)存在1處雜填土層欠密實(shí)區(qū)，其位于橫向81～97 m的范圍。后經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)取樣驗(yàn)證和加固注漿證實(shí)，雷達(dá)探測(cè)成果精確可靠。

3 結(jié)語(yǔ)

路面下方土體中的細(xì)顆粒介質(zhì)出現(xiàn)流失后，若水位下降，則土體的孔隙率變大，當(dāng)電磁波傳播到異常區(qū)土體時(shí)，其產(chǎn)生較強(qiáng)的反射、散射和折射，與周圍土體介質(zhì)形成鮮明對(duì)比。工程實(shí)踐證明，地質(zhì)雷達(dá)在地面塌陷探測(cè)中有很好的應(yīng)用效果，能夠快速、準(zhǔn)確地探測(cè)出地下欠密實(shí)區(qū)、土體松散或空洞等典型病害的位置、埋深和規(guī)模等。采用地質(zhì)雷達(dá)對(duì)城市地下典型病害區(qū)進(jìn)行“把脈聽(tīng)診”，可以將地下情況以圖像的方式呈現(xiàn)出來(lái)，減少不必要的地面開(kāi)挖工作，并可勘測(cè)出地下塌陷隱患的規(guī)模、空間分布和空洞大小等情況。人們可以據(jù)此分析其成因、可能的發(fā)展趨勢(shì)，判定其危險(xiǎn)性，然后根據(jù)實(shí)際情況，及時(shí)采取灌漿等方法進(jìn)行修復(fù)，在城市道路和地面塌陷的應(yīng)急搶險(xiǎn)階段，采取防治結(jié)合的方法，維護(hù)城市道路交通及其他基礎(chǔ)設(shè)施的安全。

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