探地雷達在世界之窗站隧道中的應用

姚云泉，張新剛

(1.中國地質大學(武漢)，武漢 430074;2.中鐵六局有限公司 盾構分公司，北京 102100)

1 工程概況

深圳地鐵二號線沙河東站——世界之窗站盾構區間雙線隧道工程位于世界之窗西南方向，沿線穿越白石三道、白石二道、預留地、白石路及世界之窗，其中線路里程YCK13+144～YCK14+264。擬采用盾構法施工，隧道底板高程－19.3～－13.0 m。為了確切反映出孤石或填石(>1 m)、地層突變分界等的位置，為進一步補勘及施工提供指導性資料，確定采用探地雷達對劃定里程段進行探測，按要求在隧道地面范圍內布置平行隧道方向測線5條，線距1.2 m，點距0.2 m。通過分析雷達剖面圖像，與鉆孔等資料進行綜合分析對比，解釋推斷隧道范圍內及靠隧道頂部附近范圍出現的異常。本次探測共完成探測剖面67條，剖面總長416 m，測點7 568個。探測線路位于左道里程Z13+325～Z13+368及Z13+965～Z13+998和右道里程Y13+325～Y13+409、Y13+812～Y13+860及 Y13+948～Y14+233范圍內。

本區間場地原始地貌為海沖積潮間帶(灘涂)，場地經過填筑，現狀為白石三道、并跨越白石路等，填筑工程于1998年底進行，道路路基下經強夯處理，地面高程2.62～5.50 m;YCK14+374.2～YCK14+845.0段場地原始地貌為低臺地，地形起伏較大。

鉆探揭示，覆土表層為人工填筑的(Qml)素填土(填石)，其下為第四系全新統海積(Q4m)淤泥質黏土、粗砂(含淤泥)、沖洪積(Q4al+pl)黏土、礫砂，第四系上更新統沖洪積(Q3al+pl)淤泥質土、礫砂，中上更新統坡積含礫黏土(Q3－2dl)，中更新統殘積(Qel)礫(砂)質黏土，下伏基巖為燕山晚期粗粒花崗巖(γ53)。通過查詢資料可知，土壤(含水量20%)的介電常數為8～12。

2 探地雷達法原理與方法、儀器

2.1 探地雷達法介紹

探地雷達是利用探測目標體(目的物)與其周圍介質的導電性、介電性的差異，通過高頻脈沖電磁波(主頻為數十MHz至上千MHz)在電性界面上的反射來探測有關的目的物。當電磁波遇到電性不均勻體的分界面時，會出現反射、折射和透射現象，并隨之產生反射波、折射波和透射波等。反射波向上傳播至地表被探地雷達接收天線接收，再經探地雷達專用電纜輸入主機。接收到的反射波能量的強弱與界面的反射系數有關。若某一地質界面上、下地層的相對介電常數分別為ε1、ε2，相對于探地雷達所用的高頻電磁脈沖而言，在地層介質中以位移電流為主，這時，反射系數r和波速ν主要取決于介質的介電常數，其反射系數r和波速ν見式(1)、式(2)。式中c為光速。

設脈沖電磁波從發射天線到接收天線的行程(或稱雙程走時)需時為t(單位:ns)，則有

式中，z為目標體或界面的深度(m);x為兩天線之間的距離(m);而ν為電磁波在地下介質中傳播的速度(m/ns)。

本次物探使用儀器為中國電波傳播研究所生產的LTD－2000探地雷達系統。該系統包括探地雷達主機(見圖1)、收發天線(見圖2)和探地雷達專用電纜。

圖1 LTD-2000探地雷達主機

圖2 配套50 MHz天線

2.2 資料利用與測線布置和完成工作量

1)資料利用。本報告綜合了前期巖土工程勘察資料，利用了地形及設計底圖。平面坐標采用深圳市獨立坐標系，高程采用56黃海高程系統。

2)測線布置和完成工作量。在地面上布置平行隧道走向探測線，線距1.0～1.5 m，點距0.20 m。一般在左右隧道各布置探測線3～5條。本次探地雷達法地面物探共完成探測剖面67條，剖面總長416 m，測點7 568個。完成工作量見表1。

表1 探地雷達工作量一覽表

2.3 場地野外工作

野外探測工作按照設計和規范要求，保證安全施工，取得第一手原始探測數據。依據工程探測目標體的材料特征和結構特征，結合以往經驗及試驗工作現場調試分析結果選擇50 MHz天線。探測時，在布設的測線剖面上用皮尺控制天線的位置，每隔20 cm記錄一道波形。主要參數確定有:①天線偏移距為1 m;②每道(即每個地面采樣點)記錄長度450 ns，2 048個時間采樣點;③采用16點分段增益，由淺至深線性增益。

2.4 數據處理

野外觀測數據處理采用中國電波傳播研究所開發的IDSP5.0探地雷達處理解釋軟件完成，處理過程包括預處理和處理分析。

1)預處理步驟:①修改文件頭參數;②標記和樁號校正;③剖面翻轉和道標準化;④添加標題、標識等。

2)處理分析步驟:①瀏覽整個剖面，查找明顯的異常;②頻譜分析;③濾波去噪;④振幅增強;⑤異常特征和面層對應相位分析;⑥剖面修飾等。

3 地面物探有效性分析與成果解釋

3.1 地面物探有效性分析

1)探地雷達剖面與瞬變電磁法剖面對比。圖3(a)為右線里程(原定)Y14+115～Y14+215瞬變電磁法反演剖面圖，圖3(b)為右線里程(現定)Y14+143～Y14+233探地雷達剖面圖。由圖3可看出，探地雷達剖面與瞬變電磁法剖面有相似形態特征，反映地下垂向和水平雙方向復雜地層變化規律。

圖3 瞬變電磁法反演剖面圖和探地雷達剖面圖

2)地面物探剖面圖反映沿水平方向地層垂向變化。圖4(a)為GZ3#鉆孔巖土芯照片，圖4(b)為GZ4#鉆孔巖土芯照片，分別是瞬變電磁法 GZ3#和 GZ4#異常點驗證孔。GZ3#孔與GZ4#孔兩相鄰鉆孔揭露長度相差1 m，這說明瞬變電磁法剖面圖反映出里程(原定)Z13+520～Z12+535為地層塌落區，引起地層松散或地層垂向變化大的推斷結果是正確的。

3.2 成果解釋

通過對剖面圖的解釋，作出地質、物探綜合解釋推斷剖面圖，可對剖面位置下是否存在孤石或填石、地層突變分界、斷裂作出判別。解釋推斷時，利用探地雷達圖像上同相位反射波的同相軸可劃分土層與巖層的界面;弧形弱反射異常為松散軟弱層;呈現同相軸不連續及強反射間斷出現特點為填石、底層松散并有較大填石或殘積層中存在硬石塊;弧形強反射異常為孤石或石堆或出現陡壁基巖。

經數據處理后，得出測線的探地雷達圖像，剖面解釋推斷結果見異常解釋推斷一覽表(表2)。由表2可對場地內的孤石或松散層分布情況、規模及埋深做出解釋推斷，在已有的地質鉆孔剖面上結合鉆孔資料，繪制綜合工程地質解釋剖面圖。

4 結論

本次采用探地雷達法地面物探對沙河東站——世界之窗站盾構區間隧道場地進行了探測，在已有勘察成果的基礎上，基本查明該場地范圍內地層分布特征，劃分出反映隧道范圍內孤石或松散異常分布區以及反映隧道上部及頂部填石或松散發育異常區，并得出以下結論:

表2 各測線剖面異常解釋推斷一覽表

圖4 GZ3#、GZ4#鉆孔巖土芯對比圖

1)綜合分析結果，探測線范圍內除探地雷達劃分出4個孤石或松散層發育區和4個填石或松散發育異常區外，其它地段發育程度低。4個孤石或松散層區存在于左線里程 Z13+970～Z14+010和左線里程Z14+050～Z14+130;4個填石或松散發育異常區存在于右線里程Y13+965～Y14+010和右線里程Y14+040～Y14+080。

2)同一測線，探地雷達法探測剖面圖與瞬變電磁法探測剖面圖有相似特征，并與地質剖面圖有可對比關系，充分說明探地雷達法地面探測與瞬變電磁法地面探測均能查明整個探測剖面范圍路線隧道地層變化情況。

3)本次探測結果中，同時列出解釋為砂層、松散、軟土地層位置，目的是對于其中隧道上部及下部附近異常點，在隧道施工過程中引起注意，必要時應作注漿或其它加固工作。

4)從探測結果可推斷得出，盾構區間隧道范圍內及隧道上部附近局部存在著孤石或填石，還有基巖局部突起或縱向分界以及地層松散、塌陷等不良地質現象出現，說明隧道沿線存在垂直方向松散破碎帶或軟硬地層分界面。

5)物探單一方法存在條件性、多解性、地區性，同時受探測線上地形影響以及測量點限制，加上本區地層垂向突變明顯、探測物小(<1 m者為多)特點，給探測結果帶來一定的誤差或存在誤判。鉆探反映的是點上地層的變化，對小地質體也難以發現。因此采用鉆探—物探—鉆探—物探方法，兩種方法不斷補充和完善。

［1］董新平，關風良.探地雷達在隧道襯砌施工質量控制中的應用研究［J］.鐵道建筑，2009(5):56-60.

［2］薄會申.地質雷達技術適用手冊［M］.北京:地質出版社，2006:10-20.

［3］謝昭輝，李金銘.我國探地雷達的應用現狀及展望［J］.工程勘察，2007(11):73-74.

［4］李大心.探地雷達方法與應用［M］.北京:地質出版社，1994:3-18.