地質(zhì)雷達技術(shù)在地鐵整體道床病害檢測中的應(yīng)用

張宏萄，張智慧，許 強

(中土建設(shè)(北京)工程檢測有限公司，北京 100072)

1 引 言

隨著城市建設(shè)的快速發(fā)展，地下空間的利用率迅速提升，而隧道、基坑的開挖對臨近(上、下穿越等)地下建筑物的影響越來越大。在已經(jīng)建成的地鐵隧道、車站周圍有大量的民用、商用建筑的建設(shè)，不可避免地會發(fā)生地鐵隧道結(jié)構(gòu)及內(nèi)部設(shè)施受到周邊設(shè)施建設(shè)影響的情況。吉茂杰等[1]、盧喜勝[2]利用數(shù)值模擬的方法分析出地鐵隧道附近基坑開挖過程中各個階段隧道受力、產(chǎn)生形變的情況；劉松[3]、肖同剛[4]使用地鐵隧道內(nèi)沉降位移監(jiān)測等手段，在周邊基坑開挖過程中掌握了隧道變形監(jiān)測數(shù)據(jù)，提出了隧道安全范圍內(nèi)的沉降量限值。

地鐵隧道內(nèi)部軌道結(jié)構(gòu)一般分為普通整體道床、Ⅲ型軌道減震器、彈性短軌枕(彈性支撐塊)、梯形軌枕、鋼彈簧浮置板道床等形式[5]。其中整體道床的病害在地鐵運營線路中比較常見，給地鐵行車安全帶來許多不利的影響[6]。在地鐵運營過程中，受地鐵隧道周圍施工影響產(chǎn)生的道床剝離，道床斷裂是較為隱蔽和致命的，病害嚴(yán)重的道床路段甚至?xí)＜暗罔F的行車安全[6]。

近年來，地質(zhì)雷達無損檢測技術(shù)在隧道檢測[7-9]中得到了大力的推廣和應(yīng)用，李又云等[10]分析了地質(zhì)雷達在隧道整體道床檢測中的可靠性，認(rèn)為地質(zhì)雷達無損檢測可確定道床病害的具體位置及缺陷類型。本文分析了地鐵隧道由周邊基坑、隧道開挖引起隧道內(nèi)整體道床病害的地質(zhì)雷達檢測結(jié)果，不涉及由滲水引起的道床與結(jié)構(gòu)邊墻剝離、道床出現(xiàn)滲水裂縫[6]和混凝土不密實[10]等病害的討論。

2 地質(zhì)雷達探測技術(shù)

地質(zhì)雷達(Ground Penetrating Radar，簡稱GPR)方法是一種用于確定前方介質(zhì)分布的廣譜(1 MHz～2.5 GHz)電磁波技術(shù)，是近年來興起的一種新興的地下探測[11,12]與混凝土建筑物無損檢測[13]新技術(shù)。該方法的天線屏蔽干擾小，探測范圍廣，分辨率高，具有實時數(shù)據(jù)處理和信號增強的功能，可進行連續(xù)透視掃描，現(xiàn)場實時顯示二維彩色圖像[14]。地質(zhì)雷達工作示意圖見圖1。

圖1 地質(zhì)雷達工作示意圖Fig.1 The working principle of GPR detection

地質(zhì)雷達通過雷達天線對隱蔽目標(biāo)體進行全斷面掃描的方式獲得斷面的掃描圖像，具體工作原理是：雷達系統(tǒng)利用天線向地下發(fā)射寬頻帶高頻電磁波，電磁波信號在介質(zhì)內(nèi)部傳播遇到介電差異較大的介質(zhì)界面時，就會發(fā)生反射、透射和折射(圖2)。兩種介質(zhì)的介電常數(shù)差異越大，反射的電磁波能量也越大。反射回的電磁波被與發(fā)射天線同步移動的接收天線接收后，由雷達主機精確記錄下反射回的電磁波的運動特征，再通過信號技術(shù)處理，形成全斷面的掃描圖，工程技術(shù)人員通過對雷達圖像的判讀，判斷出地下目標(biāo)物的實際結(jié)構(gòu)情況。道床剝離、道床內(nèi)部病害與周圍道床混凝土有較大的電性差異[15,16]，采用地質(zhì)雷達方法具備較好的地球物理前提[17-19]。

圖2 地質(zhì)雷達工作原理Fig.2 Schematic diagram of GPR prospecting principle

電磁波的傳播取決于介質(zhì)的電性，介質(zhì)的電性主要有電導(dǎo)率μ和介電常數(shù)ε，前者主要影響電磁波的穿透(探測)深度，在電導(dǎo)率適中的情況下，后者決定電磁波在該物體中的傳播速度，因此，所謂電性介面就是電磁波傳播的速度面。不同的地質(zhì)體(物體)具有不同的電性，因此，在不同電性的地質(zhì)體的分界面上，都會產(chǎn)生回波。

地質(zhì)雷達基本參數(shù)如下：

1)電磁脈沖波旅行時間

(1)

式中：z為勘查目標(biāo)體的埋深，單位為m；x為發(fā)射、接收天線的距離，單位為m(式中因z?x，故x可忽略)；v為電磁波在介質(zhì)中的傳播速度，單位為m/ns。

2)電磁波在介質(zhì)中的傳播速度

(2)

式中：c為電磁波在真空中的傳播速度(0.299 79 m/ns)；εr為介質(zhì)的相對介電常數(shù)；μr為介質(zhì)的相對磁導(dǎo)率，單位為S/m(一般μr≈1)。

3)電磁波的反射系數(shù)

電磁波在介質(zhì)傳播過程中，當(dāng)遇到相對介電常數(shù)明顯變化的地質(zhì)現(xiàn)象時，電磁波將產(chǎn)生反射及透射現(xiàn)象，其反射和透射能量的分配主要與異常變化界面的電磁波反射系數(shù)有關(guān)：

(3)

式中：r為界面電磁波反射系數(shù)；ε1為第一層介質(zhì)的相對介電常數(shù)；ε2為第二層介質(zhì)的相對介電常數(shù)。本文中使用的介質(zhì)的介電常數(shù)見表1。

表1 介質(zhì)電性特征

4)地質(zhì)雷達記錄時間和勘查深度的關(guān)系

(4)

式中：z為檢測目標(biāo)體的深度，單位為m；t為雷達記錄時間，單位為ns。

實測時將雷達天線緊貼于探測面，沿測線連續(xù)滑動，采用測距輪進行定位，根據(jù)系統(tǒng)配置和天線滑行速度設(shè)定空間采樣率，雷達主機實時記錄每個測點反射波的時間和振幅值，構(gòu)成連續(xù)雷達剖面。當(dāng)?shù)来蚕路降牟ㄋ僖阎獣r，根據(jù)所探測到的雙程旅行時，就可以求得目標(biāo)體的位置和埋深。應(yīng)用專業(yè)軟件，分析反射波同相軸的波形和波阻特征，就可以獲得道床下方的結(jié)構(gòu)信息。

3 工程實例

檢測兩段整體道床使用的設(shè)備是瑞典MALA公司生產(chǎn)的X3M地質(zhì)雷達主機及配套的500 MHz、 800 MHz屏蔽天線。在初次檢測時，對兩種天線進行了測試，依據(jù)檢測時的《城市工程地球物理探測規(guī)范》,確定使用800 MHz 屏蔽天線對地鐵隧道內(nèi)整體道床進行檢測。詳細(xì)檢測參數(shù)見表2。檢測道床情況見表3。與地質(zhì)雷達檢測同步進行的是對發(fā)現(xiàn)問題隧道主體結(jié)構(gòu)進行了檢測，并記錄了發(fā)現(xiàn)的問題(表4)。

表2 檢測參數(shù)

表3 檢測道床情況

表4 隧道主體結(jié)構(gòu)異常情況

4 檢測結(jié)果與驗證

現(xiàn)場檢測結(jié)束后，第一時間對數(shù)據(jù)進行了分析，北京地鐵某號線左線K7+998～K8+016結(jié)果見圖3，北京地鐵某號線左線K23+304～K23+326結(jié)果見圖4；對兩處道床病害位置的分析見表5。

圖3 左線K7+998～K8+016地質(zhì)雷達異常圖像Fig.3 The left line K7+998～K8+016 abnormal GPR images

圖4 左線K23+304～K23+326地質(zhì)雷達異常圖像Fig.4 The left line K23+304～K23+326 abnormal GPR images

表5 道床病害明細(xì)

1)由圖3可知，隧道左線K7+998～K8+016道床內(nèi)部鋼筋排布在同一深度，無明顯錯位現(xiàn)象，說明此處道床內(nèi)部沒有發(fā)生形變，整體性較好；K8+007附近道床與結(jié)構(gòu)底板間反射幅值明顯增大，同時雷達波同相軸發(fā)生變形，與周圍道床與地板間分界面有明顯區(qū)分，這是主體結(jié)構(gòu)與整體道床之間產(chǎn)生剝離(空氣層)的典型特征，推斷此處道床與隧道結(jié)構(gòu)底板間有剝離病害發(fā)生[20]。

2)由圖4可知，礦山法區(qū)間隧道左線K23+304～K23+326段道床內(nèi)部界面變形量較大，其中K23+308～K23+324段界面同相軸與原層位同相軸深度不一致，K23+310～K23+321段同相軸向淺部(道床上表面)移動，K23+310、K23+317、K23+323三個部位深度4～6ns時間處地質(zhì)雷達波同相軸斷開，可推斷K23+303～K23+327段道床完整性較差，其中K23+310～K23+321段道床形變量較大，整體道床在K23+310、K23+317、K23+323三個部位發(fā)生斷裂病害。

圖5 道床厚度、病害深度驗證Fig.5 Verification of track bed thickness and disease depth

檢測結(jié)果上報后，地鐵運營機構(gòu)對檢測結(jié)果進行了驗證工作：

1)對北京地鐵某號線左線K8+007處病害部位進行了鉆孔驗證[6]，并在鉆孔貫穿道床后，對鉆孔進行注水，發(fā)現(xiàn)此處的確發(fā)生了道床剝離病害，鉆孔深度見圖5，注水驗證照片見圖6，需要指出的是，在地質(zhì)雷達圖像上左線K8+007處顯示病害范圍較小，在驗證時與該部位相距2 m(K8+005、 K8+009)的鉆孔未發(fā)現(xiàn)道床脫空病害；

圖6 道床剝離驗證Fig.6 Verification of track bed stripping

2)北京地鐵某號線左線K23+303～K23+327處病害部位，由于深度較淺，且地質(zhì)雷達圖像上顯示病害深度接近中央排水溝底部，地鐵運維人員將排水溝內(nèi)積水排凈后，對排水溝內(nèi)污泥等雜物進行沖洗，發(fā)現(xiàn)圖像異常指向部位確實發(fā)生了道床斷裂病害，且排水溝底部與側(cè)壁斷裂處有能夠伸入手掌的病害。

通過對這兩處道床病害的驗證，說明地質(zhì)雷達檢測對不同深度、不同種類的地鐵整體道床病害是有效果的。

5 結(jié) 論

通過本文中兩種地鐵隧道內(nèi)整體道床地質(zhì)雷達檢測工作，可以獲得以下結(jié)論：

1)地質(zhì)雷達對地鐵隧道內(nèi)整體道床病害有明顯的檢測效果，無論是道床底部與隧道主體結(jié)構(gòu)間的剝離病害，還是道床內(nèi)部的混凝土破損病害，在地質(zhì)雷達圖像上都能有清晰的顯示。

2)當(dāng)隧道主體結(jié)構(gòu)底部與整體道床結(jié)合較為緊密時，混凝土結(jié)構(gòu)破壞的位置可能在道床內(nèi)部發(fā)生，此時應(yīng)對道床內(nèi)部即檢測深度小于道床厚度的部位予以關(guān)注。

3)當(dāng)隧道主體結(jié)構(gòu)底部與整體道床結(jié)合稍弱時，道床整體與隧道主體間相對位置容易發(fā)生變化，道床剝離病害更易產(chǎn)生，此時應(yīng)對道床與隧道主體結(jié)構(gòu)結(jié)合部位即檢測深度接近道床厚度予以關(guān)注。

4)由于整體道床內(nèi)部或者底部產(chǎn)生的病害都是隱蔽病害，所以當(dāng)?shù)罔F隧道處于周邊設(shè)施施工影響范圍內(nèi)或者接近影響范圍時，針對地鐵隧道內(nèi)的整體道床的專項檢測是必要的；當(dāng)?shù)V山法隧道受到影響的范圍內(nèi)主體結(jié)構(gòu)裂縫異常增多，盾構(gòu)法隧道管片間錯臺現(xiàn)象異常增多，隧道的位移量及位移速率突然增大，都是提示道床內(nèi)部病害須檢測的信號。

5)地質(zhì)雷達檢測成果明確了周圍工程開挖對既有結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀的影響，為結(jié)構(gòu)安全評估提供了實測參數(shù)，并為加強既有軌道交通設(shè)施的維護管理，以及安全可靠的運營提供了數(shù)據(jù)支持。