探地雷達在檢測地面沉降的應用分析

張亞彬，孫富學，龔敦紅，徐力衙，李俊強

(1.溫州大學 建筑工程學院，浙江 溫州 325000； 2.溫州工程勘察院有限公司，浙江 溫州 325000； 3.溫州市自來水有限公司，浙江 溫州 325000)

近年來，我國大中城市都在最大限度利用地下空間來解決發展用地不足問題，地下綜合管廊、地鐵等成為城市拓展發展空間最重要的基礎設施選擇。沉井施工技術[1]具有施工方便、對周圍建筑物影響小等優點，由于施工條件限制以及地質環境的復雜性，雖然對沉井周圍的地面采取地下連續墻、拉森鋼板樁等多種形式的止水帷幕措施，但是在沉井下沉施工過程中也會不可避免的引起地下水位降低、水土流失、流砂等地層損失現象，最終導致諸如周圍地面沉降、脫空甚至塌陷等災害[2]。施工造成頻繁的地面不均勻沉降、塌陷災害已經嚴重威脅到了人民群眾的生命安全，如2019年12月1日上午，廣州大道北與禹東西路交叉口發生多次地面塌陷造成三人失蹤，2019年12月12日晚，廈門地鐵呂厝路口因施工因素發生500平方米塌陷造成主水管爆裂，淹沒附近地鐵站。針對各個大中城市頻繁出現的地面塌陷災害，利用探地雷達便捷、分辨率高的優點[3]，通過介紹探地雷達的原理[4]和基本使用方法，包括測線布置、數據參數設置采集，對甌江路接收井在下沉施工過程引發的地面沉降進行無損檢測，探測沉降區可能存在的地質不良體的類型、范圍，判斷危險程度，為采取注漿加固措施提供指導。

1 工程概況

接收井位于甌江路西側綠地內，沉井內徑為Φ12 m，壁厚1.1 m，總高度30.42 m，距離外徑2.7 m采用單排深19.5 m拉森鋼板樁做止水帷幕；出洞口加固范圍為6×10.14×10.14(m)，采用高壓旋噴樁地基加固，工程區內地表水主要為甌江江水，地下水為甌江路一側以及七都島一側的地下潛水及承壓水。地表水主要受潮汐影響較大，與地下水存在一定水力聯系，沉井下沉施工時主要涉及的土層及其物理參數如表1所示。

表1 地層及其物理參數

該沉井采用五節制作二次下沉方式如表2所示。沉井采用法排水下沉時，用水力沖泥取土、泥漿泵排泥，依靠沉井自重下沉到設計標高。挖土下沉,取土順序為先中央后四周，并沿刃腳留出土臺，最后對稱分層沖挖，保持高壓水槍沖入井底的泥漿量和滲入的水量與水力吸泥機吸出的泥漿量保持平衡。

一般情況下，沉井施工可能引起的地面沉降災害類型及其特征[5]比較復雜如表3所示，災害發展多為逐漸積累爆發的過程、存在多種災害共存現象，技術人員需要擁有豐富的工程經驗才能準確的判斷地質災害。

表2 甌江路沉井分節制作、分次下沉表 單位：(m)

表3 地下災害類型及特征

2 探地雷達技術原理

探地雷達(Ground Penetrating Radar，簡稱 GPR)是現階段探測地面沉降、地層脫空等不良地質體最便捷高效的儀器，主要由主機、天線及數據處理軟件等組成如圖1所示。

圖1 探地雷達工作示意圖

由置于地面的發射天線不斷向地下發射高頻率電磁波束[6]，當電磁波在地下傳播過程中遇到地下不同介質結構體(介電常數不同)時，傳播路徑也將發生變化，一部分發生折射透過界面繼續向下傳播，另一部分反射到地面被接收天線接收，通過大線傳播、由主機記錄如圖1所示，高頻電磁波在介質體傳播過程中，其電場強度和波形會隨著不同介質體的介電常數[7]差異發生波形和幅度的變化。通過后期數據處理，依據波形/振幅及衰減等信號特征進行判斷地下不良地質體的空間位置。

探地雷達在不斷向地下發射電磁波束過程中，雷達主機可以自動記錄發射波與反射接收波的時間差 ΔT，電磁波在同一種介質中的傳播速度 V 是固定的，即可算出地下探測異常體的大概深度 H：

(1)

(1)式中，H 即為目標的深度.V 是電磁波在地下介質中的傳播速度，其大小可表示為:

(2)

(2)式中，C是電磁波在真空中的傳播速度，大約為 30×108m/s;ε為地層的介電常數。反射信號的振幅與介質的反射系數成正比，在以位移電流為主的低損耗介質中，反射系數r可表示為:

(3)

(3)式中，ε1、ε2 為界面上、下介質的相對介電常數，常見物質的介電常數如表4所示。

表4 常見物質介電常數

3 現場工作方法

檢測設備使用的是美國勞雷公司(GSSI)生產SIR-3000型探地雷達，該雷達體積小、攜帶方便、功能強大[8]，MLF多頻組合天線能夠按照需要組合多種頻率天線，經過現場多次試驗對比，本次采用80 MHz天線以時間測量模式采集檢測數據，儀器設置主要參數如表5所示。

表5 主要數據設置參數

測線布置要覆蓋沉降區(圖2深色標記區)，現場采用紅油漆劃線打點標記，布置相距兩米的平行測線如圖3所示，技術人員拖動天線沿著測線勻速檢測并進行往返復測，記錄好檢測數據編號與現場對應的位置、方向，方便準確判斷地下不良地質體位置。施工現場是素混凝土硬化地面，場地發生不均勻沉降，探測時確保天線與地面耦合(接觸)，布置的測線長度要同時經過沉降異常區和正常地段形成對比效果，測量過程避開地下管線、金屬物等干擾。

圖2 沉降區標記示意圖

圖3 現場測線布置圖

4 數據處理及解譯

隨著雷達數據處理軟件不斷優化，相關處理步驟更加簡捷，圖形顯示方式更加豐富，為技術人員處理數據提供很大的幫助。常規的數據處理步驟包括時間零點矯正、背景去除、帶通濾波、增益顯示等[9]，技術人員可以根據視圖化需要進一步進行拉伸、壓縮、圖片顏色渲染等操作，增加圖片結果的可辨別性。經過處理的道路測量數據，結合現場勘查地質資料，分析判斷可能出現的地質災害，進行解譯雷達測量數據[10]，以下為雷達檢測數據判斷結果。

測線1剖面測量結果如圖4所示：該測線橫跨正常地段和沉降路段，橫軸為地面水平方向，測線長為35米，豎軸為深度方向，測量深度10米，從測量成果圖中能夠分辨出異常沉降段和正常路段交界處。從測量數據波形、振幅及同性軸特點[11]等方面結合現場具體地質情況進行判斷解譯結果：在深度方向0～3米，同性軸連續性較好，波形，振幅正常，屬于路基雜和填土層，可以判定沒有發生大的脫空等地質不良體；圖中水平坐標13～35米，深3～10米(淤泥砂層)標記異常區(圖4a)與正常路段數據相比，同性軸不連續、錯斷嚴重，反射波波幅異常增大，可以判定，由于地層損失嚴重造成土體不密實、富含地下水，甚至局部脫空現象[12]，由于旁邊行車主干道通行車輛的振動作用以及入海口的潮汐作用產生的水力聯系會加重水土流失，引起地面繼續沉降，累積到一定程度產生脫空、沉陷災害[13]。

圖4 測線1探測成果圖

測線2剖面的測量結果如圖5所示，整條測線在測量過程中經過沉降最嚴重區，相比于正常地面低40 cm，造成測量距離標定存在誤差，但是不影響判斷地下異常位置，綜合判定結果：在深度方向上0～2米范圍內，同性軸連續性較好，為道路的基層和底基層，不存在局部脫空現象；地面深度2米以下區域，同性軸斷斷續續、連續性較差，可以判定受沉井下沉施工影響，發生流砂、地層損失引起地面沉降，需要及時采取地層加固措施。圖中標記區(圖5a)掃描數據同性軸完全錯段，形成塊狀堆積形狀，波幅異常增大，可以判定為地層脫空異常區，甚至不排除已經形成小范圍空洞區。

圖5 測線2探測成果圖

5 結語

地面沉降、塌陷事故主要誘因在于大規模開發利用地下空間，同時破壞了原有的土層應力結構[14]。地面沉降、塌陷事故大多由施工降水引發，接收井同時受甌江潮汐水力聯系，且下沉深度范圍內分布淤泥、淤泥夾砂層，地層結構靈敏度高、極易受外在因素改變土體原來結構造成承載力下降。在沉井排水下沉過程中，地面沉降基本機理可以概括為：地下水流失→產生靜水頭差→周邊水土流動→土層損失→土層固結沉降這樣一個過程，對于出現的地面沉降現象，要及時查明地下是否已經形成地層脫空、空洞地質災害，及時采取地層加固措施，防止出現地面塌陷等次生災害。

探地雷達能夠非常快速準確檢測地面沉降，根據地下地質災害類型呈現差異性的信號特征，可以準確判斷出地面下出現的地層脫空、疏松地質體、富水情況等缺陷。

城市地下廣泛分布著管線，同時會受到外界電磁波干擾、地下水、等因素影響，在一定程度上限制了探地雷達的檢測深度和直接呈相的真實性，技術人員需要根據不同環境地質情況選用合適的頻率天線、參數設置提高檢測效果和精度。現在占領國內市場的幾類工程雷達設備多為外國生產進口，價格昂貴，限制了其大范圍民用生產使用。