地質(zhì)雷達在北京地鐵地下空洞探測中的應(yīng)用研究

崔 磊，張鳳錄

(北京市測繪設(shè)計研究院，北京100038)

一、引 言

隨著城市的日益繁榮和發(fā)展，各大中城市地鐵建設(shè)、立交橋建設(shè)、市政施工等工程項目如火如荼地展開，因此，地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)的排查和探測，掌握準(zhǔn)確可靠的基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)對于及時采取防護措施，完善施工方案，預(yù)防因施工對周邊環(huán)境和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)帶來的安全隱患非常重要［1-2］。

本文介紹了地質(zhì)雷達構(gòu)成及測量原理，針對北京地鐵9號線工程建設(shè)項目，為避免由于地下空洞等異常地質(zhì)對地鐵施工和周邊環(huán)境安全造成不良影響，利用地質(zhì)雷達對玉淵潭公園內(nèi)地鐵途經(jīng)路段地下地質(zhì)情況進行了探測，針對探測成果對地下空洞的具體位置、深度及土層結(jié)構(gòu)等進行分析，為后續(xù)地下空洞處理和工程施工提供了安全保障。

二、地質(zhì)雷達構(gòu)成及原理

地質(zhì)雷達由一體化主機、天線及配套軟件等部分構(gòu)成，根據(jù)電磁波在有耗介質(zhì)中的傳播特性，地質(zhì)雷達以寬頻帶短脈沖的形式向介質(zhì)內(nèi)發(fā)射高頻電磁波，當(dāng)遇到不均勻體(界面)時反射部分電磁波，其反射系數(shù)由介質(zhì)的相對介電常數(shù)決定［3］。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，通過對雷達主機所接收的反射信號進行處理和圖像解譯，判斷出地下目標(biāo)物的實際結(jié)構(gòu)情況［4］。地質(zhì)雷達工作如圖1所示。

電磁波在特定介質(zhì)中的傳播速度V是不變的，根據(jù)地質(zhì)雷達記錄上的地面反射波與反射波的時間差ΔT，可得異常的深度H

式中，H為目標(biāo)層深度;V是電磁波在地下介質(zhì)中的傳播速度，其大小由下式表示

式中，C是電磁波在大氣中的傳播速度，約為3×108m/s;ε為相對介電常數(shù)，取決于地下各層構(gòu)成物質(zhì)的介電常數(shù)。

圖1 地質(zhì)雷達工作示意圖

雷達波反射信號的振幅與反射系數(shù)成正比，在以位移電流為主的低損耗介質(zhì)中，反射系數(shù)r可表示為

式中，ε1、ε2為界面上、下介質(zhì)的相對介電常數(shù)。

反射信號的強度主要取決于上、下層介質(zhì)的電性差異，電性差異越大，反射信號越強。雷達波的穿透深度主要取決于地下介質(zhì)的電性和中心頻率。導(dǎo)電率越高，穿透深度越小;中心頻率越高，穿透深度越小。反之亦然［5-6］。

三、探測實例與結(jié)果分析

地質(zhì)雷達探測工程位于北京地鐵9號線建設(shè)工程玉淵潭公園內(nèi)部分路段，地鐵施工主要采用礦山法及盾構(gòu)法。玉淵潭公園地面樹木、花草繁茂，柵欄等障礙物較多，現(xiàn)場探測條件較差。玉淵潭公園東湖南岸邊游船售票處曾發(fā)生過地面塌陷情況，已經(jīng)進行相應(yīng)處理。

為避免地下空洞等異常地質(zhì)體對周邊環(huán)境和施工安全造成不良影響，根據(jù)任務(wù)要求及工程特點，采用瑞典MALA地球物理公司生產(chǎn)的RAMAC X3M系列地質(zhì)雷達，配備100 MHz和500 MHz屏蔽天線探測指定范圍內(nèi)地下5 m范圍內(nèi)的地下空洞和土質(zhì)疏松情況，包括地下空洞的規(guī)模和具體位置。

地質(zhì)雷達測線方向沿地鐵走向布置，局部加密區(qū)域布置交叉測線，布置在地形起伏較小和表層介質(zhì)相對均勻的地段，避開干擾源。具體布設(shè)方式如下:當(dāng)左右地鐵隧道中心線間距≤8 m時，布置5條測線;當(dāng)左右地鐵隧道中心線間距＞8 m時，布置6條測線。測線布設(shè)在左右隧道中心和左右隧道兩側(cè)，測線間距為4 m。測線布置方案見圖2所示。

圖2 測線布置示意圖

探測結(jié)果表明，通過對探測成果的分析，探測區(qū)域共發(fā)現(xiàn)土層疏松引起的異常2處，土質(zhì)嚴(yán)重疏松引起的異常2處，探測異常區(qū)域綜合統(tǒng)計情況詳見表1。

表1 雷達探測異常區(qū)域綜合統(tǒng)計表

針對部分異常利用復(fù)測、加密測線等輔助手段進行了驗證，對地下結(jié)構(gòu)異常進行定性解釋。

1)1#異常。該異常位于左線K12+957處，異常范圍約為4 m，深度約1．0～2．2 m。該處圖像反射波同相軸斷裂，并伴隨弱反射，判斷異常性質(zhì)為土層嚴(yán)重疏松、疑似空洞，雷達異常圖像見圖3所示。

圖3 1#異常雷達圖像

2)2#異常。該異常位于左線K12+951處，異常范圍約為2 m，深度約為1．5～3．0 m。該處圖像反射波同相軸不連續(xù)，成波浪狀，判斷異常性質(zhì)為土層疏松，雷達異常圖像見圖4所示。

圖4 2#異常雷達圖像

3)3#異常。該異常位于右線K12+965處，異常范圍約為3 m，深度1．2～2．5 m。該處圖像反射波同相軸不連續(xù)，振幅較強，部分缺失，并伴隨嚴(yán)重松散，判斷異常性質(zhì)為土層嚴(yán)重疏松，雷達異常圖像見圖5所示。

圖5 3#異常雷達圖像

4)4#異常。該異常位于左線K12+873處，異常范圍約為5 m，深度約1．5～2．5 m。該處圖像反射波同相軸不連續(xù)，并伴隨松散，判斷異常性質(zhì)為土層疏松，雷達異常圖像見圖6所示。

實際探測過程中，探測區(qū)域復(fù)雜的地下管線、障礙物、旁側(cè)建筑等干擾較多，探測區(qū)域地形不平整和障礙物對探測結(jié)果產(chǎn)生一定影響。

四、結(jié)束語

本文介紹了地質(zhì)雷達構(gòu)成及測量原理，針對北京市地鐵9號線建設(shè)工程項目，利用地質(zhì)雷達對地鐵沿線玉淵潭路段地下地質(zhì)情況進行了探測。結(jié)果表明，部分路段地下存在空洞及土質(zhì)疏松情況，提供了地下空洞的具體位置、深度及土層結(jié)構(gòu)等基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)，為后續(xù)制定合理的地下空洞處理方案和保障工程施工安全提供了可靠依據(jù)。

圖6 4#異常雷達圖像

［1］ 張弛．探地雷達在成都地鐵2號線盾構(gòu)施工擾動帶探測中的應(yīng)用研究［D］．成都:西南交通大學(xué)，2009:36-56．

［2］ 孫計同．探地雷達技術(shù)在青島地鐵隧道超前地質(zhì)預(yù)報中的應(yīng)用研究［D］．青島:中國海洋大學(xué)，2012:34-54．

［3］ 王春和，胡通海，崔海濤，等．探地雷達技術(shù)用于地下空洞塌陷災(zāi)害探測的創(chuàng)新與實踐［J］．測繪通報，2013(S0):13-16．

［4］ 李強，劉保生．地下空洞的探地雷達圖像解釋技術(shù)研究［J］．工程勘察，2015(6):88-93．

［5］ 田增彪，李杰．探地雷達于城市道路塌陷災(zāi)害檢測評估的應(yīng)用探討［J］．測繪通報，2013(S0):116-118．

［6］ 苗宇寬，郭景力．地質(zhì)雷達在城市道路地下空洞勘察中的應(yīng)用［J］．巖土工程，2008，11(9):95-88．