地質(zhì)雷達(dá)探測地鐵沿線未知涵洞的研究與應(yīng)用

黃真萍， 吳陽， 邱宗新， 李萍， 林之航

(1. 福州大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院, 福建 福州 350108； 2. 國土資源部丘陵山地地質(zhì)災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(福建省地質(zhì)災(zāi)害重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)， 福建 福州 350108； 3. 福州市勘測院, 福建 福州 350108)

0 引言

隨著我國城市化速度加快， 素有城市生命線之稱的城市軌道已成為現(xiàn)代交通建設(shè)的主要方向之一， 而在工程建設(shè)中， 各種復(fù)雜的地質(zhì)條件嚴(yán)重阻礙了其發(fā)展進(jìn)程. 因此， 為確保擬建工程順利進(jìn)行， 在施工前， 查明施工范圍及周邊地下隱蔽工程和地下異常地質(zhì)體的位置， 并及時(shí)對其進(jìn)行處理具有重要意義.

近年來， 各類工程已將地質(zhì)雷達(dá)探測技術(shù)作為前期勘察的重要物探手段， 并有眾多學(xué)者對其探測效果進(jìn)行研究. Singh等[1]將地質(zhì)雷達(dá)特征與鉆孔數(shù)據(jù)聯(lián)系起來， 利用其相關(guān)性來查明旁路隧道施工的真實(shí)地層條件； 國內(nèi)外眾多學(xué)者[2-9]用地質(zhì)雷達(dá)探測技術(shù)對地下未知目標(biāo)物進(jìn)行探測， 并取得大量的研究成果， 對工程建設(shè)做出巨大貢獻(xiàn)； 張崇民等[10]將探地雷達(dá)技術(shù)運(yùn)用于隧道超前探測中， 并提出全波形反演的解譯方法； 王署強(qiáng)等[11]詳細(xì)研究了TSP技術(shù)預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性， 并提出精確的預(yù)報(bào)方法； 劉宗輝等[12]在總結(jié)大量工程實(shí)例的基礎(chǔ)上， 得出典型巖溶不良地質(zhì)類型與雷達(dá)屬性參數(shù)具有很好的相關(guān)性， 從而可以較好地區(qū)分巖溶地質(zhì)類型， 在很大程度上提高探地雷達(dá)對目標(biāo)物的識別精度.

綜上所述， 目前對地質(zhì)雷達(dá)的研究一方面是將地質(zhì)雷達(dá)探測技術(shù)進(jìn)行常規(guī)的應(yīng)用, 以初步實(shí)現(xiàn)劃分地層、 揭示地下不良地質(zhì)體位置的目的， 另一方面是在對地質(zhì)雷達(dá)的解譯提出新方法. 但針對于地質(zhì)雷達(dá)探測技術(shù)本身存在多解性問題， 一直影響著該技術(shù)在實(shí)際工程中的廣泛應(yīng)用[13]， 因此怎樣結(jié)合前期地質(zhì)資料設(shè)計(jì)出合理的測線布設(shè)方案以提高分辨率方面的研究仍有待進(jìn)一步深入. 本文側(cè)重分析根據(jù)場地條件和探測的目標(biāo)物選擇縱橫跟蹤剖面和觀測系統(tǒng)， 在設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上采集地質(zhì)雷達(dá)記錄， 并在資料處理時(shí)選擇有效的處理模塊和參數(shù)， 從而得到最佳的地質(zhì)雷達(dá)剖面， 以實(shí)現(xiàn)綜合識別目標(biāo)物的目的.

1 地質(zhì)雷達(dá)探測基本原理及特征參數(shù)

1.1 基本原理

圖1 地質(zhì)雷達(dá)原理圖

地質(zhì)雷達(dá)探測技術(shù)是利用高頻電磁波在地下電性界面的反射， 以探測有關(guān)目標(biāo)物的一種物探方法[14]. 地質(zhì)雷達(dá)的發(fā)射和接收天線緊貼地面， 由發(fā)射機(jī)發(fā)射的短脈沖電磁波經(jīng)發(fā)射天線輻射傳入大地， 電磁波在地下傳播過程中遇到介質(zhì)的分界面后便被反射或折射， 反射回地面后被接收天線接收到回波， 回波信號因傳播路徑、 電磁場強(qiáng)度及波形在傳播過程中介質(zhì)的電性差異及幾何形態(tài)的不同而發(fā)生變化， 通過雷達(dá)主機(jī)精確記錄回波信號的運(yùn)動特征， 便可獲得地下介質(zhì)的斷面掃描圖像[15]. 根據(jù)掃描圖的波形及反射波的強(qiáng)度特征可追蹤圖像中同相軸等灰度線或等色線， 結(jié)合其他勘探資料， 即可識別地下目標(biāo)物. 其探測原理如圖1所示.

電磁波的反射信號強(qiáng)度主要取決于上下層介質(zhì)的電性差異， 差異越大反射信號越強(qiáng)[16]. 雷達(dá)波穿透深度與地下介質(zhì)電導(dǎo)率和中心頻率相關(guān)， 即電導(dǎo)率越高， 穿透深度越?。?中心頻率越低， 穿透深度越大.

1.2 特征參數(shù)

電磁波的傳播特性取決于介質(zhì)的電性參數(shù)[17]， 介質(zhì)的電性參數(shù)主要有電導(dǎo)率和介電常數(shù)， 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. 不同的地質(zhì)體(物體)具有不同的電性參數(shù)， 因此， 在不同電性地質(zhì)體的分界面上都會產(chǎn)生回波. 地質(zhì)雷達(dá)基本參數(shù)包括如下兩個(gè)參數(shù).

1) 脈沖電磁波往返需時(shí)

(1)

式中：x為發(fā)射、 接收天線的距離；z為電磁波遇到反射界面的深度；v為電磁波在介質(zhì)中的傳播速度；c為光速；μr為介質(zhì)的相對磁導(dǎo)率， 一般情況下μr≈1；εr為地下巖層的相對介電常數(shù).

圖2 地質(zhì)雷達(dá)工作示意圖

2) 電磁波的反射系數(shù). 電磁波在分界面上的反射系數(shù)主要與介電常數(shù)有關(guān)， 在兩層介質(zhì)的分界面上， 當(dāng)介質(zhì)的介電常數(shù)存在差異時(shí)， 才會發(fā)生反射， 分界面兩側(cè)的介電常數(shù)差異越大， 反射能量越強(qiáng)[18]， 圖2為雷達(dá)波反射的工作示意圖. 垂直發(fā)射點(diǎn)和接收點(diǎn)沿地面位置改變時(shí)所得到的波形圖， 由于入射波抵達(dá)反射界面時(shí)， 兩種不同介質(zhì)界面的反射系數(shù)不同， 所以表征各界面存在的反射波幅度也不一樣[19]. 對于垂直入射的情況， 其反射系數(shù)的模型用下式表示.

(2)

(3)

(4)

(5)

式中：μ1、μ2為不同介質(zhì)磁導(dǎo)系數(shù)；ε1、ε2為不同介質(zhì)介電常數(shù)；σ為介質(zhì)電導(dǎo)率；f為電磁波頻率.

2 應(yīng)用實(shí)例

2.1 工程概況

本研究對象為東南某沿海城市的地下軌道交通工程， 場地主要屬于沖、 淤積區(qū)， 地貌類型總體以山前沖積平原地貌為主， 部分場地為剝蝕殘山地貌. 沿線場地總體地勢起伏不大， 除局部山體， 高程主要在5～13 m之間. 地表水體主要為烏龍江及市區(qū)內(nèi)河水系， 地下上層滯水埋深一般在1.0～2.0 m之間； 沿線場地自上而下分布的地層主要有： 填土、 粉質(zhì)粘土、 淤泥質(zhì)土、 殘積土、 中砂、 卵石、 花崗巖等典型地層.

該軌道交通路線主要呈東西走向， 沿線多為市區(qū)主干道、 住宅、 寫字樓、 商店、 橋梁等. 前期勘查重點(diǎn)是探查軌道交通建設(shè)范圍內(nèi)的不良地質(zhì)體， 包括地下基礎(chǔ)(樁基、 地下室等)、 地下空洞、 管線、 涵洞等. 由于研究區(qū)段位于交通主干線， 來往車輛眾多， 因此需要選擇具有效率高、 精度高， 且對路面和環(huán)境影響小的探測方法， 經(jīng)過對多種物探方法的實(shí)用性進(jìn)行分析后， 選用地質(zhì)雷達(dá)物探方法進(jìn)行探測.

2.2 采樣參數(shù)的選取及測線布置

本次地質(zhì)雷達(dá)探測儀器選用瑞典MALA地球科學(xué)公司生產(chǎn)的RAMAC X3M 型探地雷達(dá). 探測時(shí)， 測線使用發(fā)射頻率為100 MHz 的屏蔽天線， 采樣頻率為1 099 Hz， 采樣時(shí)間為400 ns， 道間距為10 cm， 以連續(xù)方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集.

此次探測主要是為了查明地下即將開挖區(qū)域是否存在不良地質(zhì)體及其分布情況， 經(jīng)現(xiàn)場勘查發(fā)現(xiàn)地鐵施工區(qū)域內(nèi)可能存在雙孔箱涵過水通道. 為更好地進(jìn)行天線選擇、 數(shù)據(jù)處理和解釋工作， 更精確地探測地下涵洞分布情況， 需要根據(jù)場地條件確定地質(zhì)雷達(dá)工作時(shí)的物理參數(shù)， 具體包括： 電磁波在介質(zhì)中的傳播速度、 電磁波的反射系數(shù)、 介質(zhì)密度等. 涵洞中的內(nèi)容物一般為空氣、 水、 砂和淤泥等， 且內(nèi)容物的上層幾乎為空氣和水. 表1為主要介質(zhì)物性參數(shù)統(tǒng)計(jì)表， 由表1可知空氣的相對介電常數(shù)最小為1， 水的相對介電常數(shù)最大為81， 由于內(nèi)容物的介電常數(shù)指標(biāo)與混凝土差異很大， 即應(yīng)用地質(zhì)雷達(dá)探測涵洞邊界的方法可行.

表1 主要介質(zhì)物性參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

圖3 探測剖面布置

結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際工程地質(zhì)條件， 設(shè)計(jì)探地雷達(dá)剖面首要考慮沿軌道走向布設(shè). 根據(jù)已出露涵洞位置位于工程建設(shè)范圍內(nèi)北東方向， 在確定該涵洞具體分布范圍時(shí)， 采用橫向探測與縱向探測相結(jié)合的方式來增大探測密度， 并遵循橫向探測剖面盡量與涵洞走向垂直或與走向大角度相交的原則， 使涵洞斷面與測線相交面積最大. 圖3為涵洞探測的剖面布置圖， 此次探測分三組， 共9個(gè)剖面進(jìn)行布設(shè)， 其中第一組為剖面1-1′～3-3′， 用以探測涵洞的入口位置及規(guī)模； 第二組為剖面4-4′～7-7′， 用以探測涵洞的發(fā)展情況； 第三組為剖面8-8′～9-9′， 用以探測涵洞的出口位置.

2.3 處理模塊及參數(shù)選擇

地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)處理的目的是對各種干擾信號進(jìn)行壓制， 最大化凸顯有用信號， 以便從地質(zhì)雷達(dá)圖像中把目標(biāo)物的真實(shí)情況盡量具體、 準(zhǔn)確、 明顯地解釋出來. 本文采用REFLEXW地質(zhì)雷達(dá)處理軟件中的2D數(shù)據(jù)分析模塊， 根據(jù)如圖4所示處理流程對地質(zhì)雷達(dá)所采集的記錄圖像進(jìn)行處理. 在對信號進(jìn)行濾波處理過程中， 不同的濾波參數(shù)會影響濾波效果， 因此濾波參數(shù)的選取與雷達(dá)剖面圖像的最終處理結(jié)果直接相關(guān). 本文在對時(shí)間域進(jìn)行一維濾波去直流漂移處理時(shí)， 開始濾波時(shí)間取總時(shí)窗的2/3， 結(jié)束時(shí)間可取總時(shí)窗時(shí)間； 增益調(diào)節(jié)過程選取能量衰減模式較自動增益調(diào)節(jié)模式更為合理[20]； 在進(jìn)行二維濾波處理時(shí)， 可選擇抽取平均道或背景消除兩種方式； 本文選擇常用的巴特沃斯帶通濾波器， 以頻率域算法進(jìn)行一維濾波處理， 其頻率域須包括有效頻率信號范圍， 并去除無用的高頻信號.

圖4 地質(zhì)雷達(dá)處理流程

2.4 探測成果綜合解釋

圖5為剖面1-1′附近的鉆孔柱狀圖， 結(jié)合涵洞露頭處的結(jié)構(gòu)特征及典型鉆孔柱狀圖， 可直觀判斷出路基填土加固處理深度約為4 m， 雙孔箱涵寬約5.0 m、 高約2.0 m. 在對剖面的雷達(dá)記錄進(jìn)行增益、 濾波等一系列處理后得到最終的雷達(dá)成果圖像， 由剖面1-1′段的成果圖可建立各目標(biāo)物的典型特征圖像， 通過對特征圖像的時(shí)間剖面、 波形及振幅的變化規(guī)律進(jìn)行追蹤， 從而實(shí)現(xiàn)綜合識別地下目標(biāo)物的目的.

經(jīng)現(xiàn)場勘查發(fā)現(xiàn)涵洞露頭位置， 布置與涵洞露頭走向相垂直的剖面1-1′確定其大致走向及規(guī)模， 選取一個(gè)與初始剖面1-1′近乎平行的剖面2-2′， 以確定涵洞的延伸方向， 考慮到涵洞分布的方位及規(guī)?？赡馨l(fā)生改變， 因此布設(shè)與剖面2-2′相垂直的剖面3-3′驗(yàn)證涵洞走向. 地質(zhì)雷達(dá)成果圖如圖6～8所示.

由圖6可知， 點(diǎn)位0～1.4 m、 6.6～8.2 m區(qū)間深度0～4.0 m范圍內(nèi)， 同相軸基本呈水平分布、 連續(xù)性較好、 波組關(guān)系較穩(wěn)定， 振幅中強(qiáng)， 頻率中等. 結(jié)合場地工程地質(zhì)條件和地物情況調(diào)查分析認(rèn)為： 點(diǎn)位0～1.4 m、 6.6～8.2 m區(qū)間深度0～3.6 m范圍的路基巖土體較為密實(shí)， 判定其經(jīng)過加固處理. 點(diǎn)位1.4～6.6 m區(qū)間同相軸分布與兩側(cè)同相軸明顯不同， 振幅、 頻率也發(fā)生改變. 根據(jù)振幅、 連續(xù)性變化， 大致可將1-1′剖面分成以下幾個(gè)區(qū)域： 點(diǎn)位1.4～1.8 m、 6.0～6.5 m區(qū)間深度0.2～2.5 m范圍同相軸波組關(guān)系較穩(wěn)定、 呈弧形分布， 振幅中強(qiáng)、 頻率較低； 點(diǎn)位1.8～3.8 m、 4.2～6.2 m區(qū)間深度1.0～2.5 m范圍同相軸波組關(guān)系較穩(wěn)定、 連續(xù)性較好、 呈水平連續(xù)分布， 振幅極強(qiáng)、 頻率較低， 多次波明顯； 點(diǎn)位1.4～6.8 m區(qū)間深度2.5～3.6 m范圍振幅較強(qiáng)、 頻率較低， 同相軸連續(xù)性較差. 結(jié)合場地工程地質(zhì)條件和地物情況調(diào)查分析認(rèn)為： 點(diǎn)位1.4～1.8 m、 6.0～6.5 m深度0.2～2.5 m范圍為該雙孔箱涵的邊墻； 點(diǎn)位1.8～3.8 m、 4.2～6.2 m區(qū)間深度1.0～2.5 m范圍為雙孔箱涵過水通道； 點(diǎn)位1.4～6.8 m區(qū)間深度2.5～3.6 m范圍為雙孔箱涵的基礎(chǔ).

圖5 剖面1-1′處鉆孔柱狀圖

圖6 剖面1-1′地質(zhì)雷達(dá)成果圖

如圖7所示， 結(jié)合同相軸的分布情況、 波組關(guān)系、 振幅及頻率等參數(shù)可分析認(rèn)為： 點(diǎn)位7.5～16.5 m區(qū)間深度0.3～2.8 m范圍為雙孔箱涵； 點(diǎn)位7.0～16.8 m區(qū)間深度2.8～4.0 m范圍為雙孔箱涵的基礎(chǔ)； 點(diǎn)位15.0 m 深度1.8 m處同相軸呈弧形分布， 且存在明顯多次反射波， 初步判定此處有塑料排水管通入該箱涵. 在剖面3-3′的地質(zhì)雷達(dá)成果圖中(圖8)， 點(diǎn)位0.3～0.8、 5.6～6.0 m區(qū)間深度0.5～2.8 m范圍為該雙孔箱涵的邊墻； 點(diǎn)位0～6.4 m區(qū)間深度2.6～3.8 m范圍為雙孔箱涵的基礎(chǔ)； 點(diǎn)位6.4～14.0 m區(qū)間深度0～4.0 m范圍內(nèi)經(jīng)過加固處理. 由于涵洞內(nèi)存在城市排水帶來的多年松散沉積物且涵洞基礎(chǔ)下部有含水率較高、 密實(shí)度較差的淤泥質(zhì)土， 導(dǎo)致在地質(zhì)雷達(dá)剖面上顯現(xiàn)出同相軸較雜亂、 連續(xù)性較差但反射能量較強(qiáng)的特征. 路基加固處理區(qū)下部土體較密實(shí)且含水率相對較低， 因此同相軸連續(xù)性較好， 波組關(guān)系較穩(wěn)定.

圖7 剖面2-2′地質(zhì)雷達(dá)成果圖

圖8 剖面3-3′地質(zhì)雷達(dá)成果圖

綜合分析以上成果， 可以認(rèn)為在1-1′～3-3′的雷達(dá)剖面中所顯示地下箱涵的橫向分布范圍由5 m變化為9.5 m再變化約為5 m. 對比剖面1-1′與3-3′解譯成果， 箱涵在雷達(dá)剖面圖中分布范圍大致相同， 則表明該兩個(gè)剖面與涵洞走向相垂直， 結(jié)合剖面2-2′的成果圖可知涵洞走向在此處發(fā)生改變， 最終通過剖面2-2′的方位及現(xiàn)場工程地質(zhì)狀況， 確定工程區(qū)域內(nèi)涵洞露頭的分布范圍.

為分析涵洞的延伸方向， 仍采用縱橫跟蹤的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行剖面布設(shè)： 剖面4-4′垂直于道路布設(shè)， 剖面5-5′～7-7′沿道路兩側(cè)進(jìn)行布設(shè)， 選取4-4′、 7-7′兩個(gè)典型的地質(zhì)雷達(dá)剖面圖進(jìn)行分析. 根據(jù)探測范圍內(nèi)振幅強(qiáng)弱， 頻率變化， 同相軸的連續(xù)性及分布情況， 可以基本確定路基加固處理區(qū)域及雙孔箱涵的分布范圍， 解譯結(jié)果如圖9所示. 據(jù)此可以判定WT2雙孔涵洞沿剖面7-7′延伸， 其寬度不變， 大致為5 m. 從剖面7-7′的探測成果圖中可以看出， 路基加固處理區(qū)下部多次波反射現(xiàn)象明顯， 且在測線長度為32 m處， 同相軸發(fā)生錯(cuò)斷現(xiàn)象. 可推測在該斷面處， 路基加固處理區(qū)下部土體性質(zhì)發(fā)生改變， 在32 m斷面右側(cè)土體夯實(shí)效果較差且含水率較高， 導(dǎo)致該區(qū)域內(nèi)多次波明顯、 反射能量較強(qiáng).

圖9 涵洞路徑探測地質(zhì)雷達(dá)剖面成果圖

為判定WT2涵洞的出口位置， 采用試測法進(jìn)行多次剖面布設(shè)并采集地質(zhì)雷達(dá)剖面圖， 經(jīng)過解譯分析， 最終以剖面8-8′、 9-9′所得成果圖以確定涵洞出口位置及其分布范圍(圖10). 對剖面8-8′、 9-9′的地質(zhì)雷達(dá)成果圖的解譯分析可知， 剖面8-8′所確定的箱涵寬度為5.0 m. 剖面9-9′所確定的箱涵寬度為2.5 m， 較其他剖面所確定的涵洞寬度減小一半， 故判定剖面9-9′所確定的涵洞應(yīng)該為雙孔涵洞的一支， 并且從剖面9-9′的布設(shè)位置可以看出， 該支單孔涵洞離開道路， 發(fā)生偏轉(zhuǎn)， 并向路旁區(qū)域延伸.

圖10 涵洞出口探測地質(zhì)雷達(dá)成果圖

2.5 探測成果總結(jié)

圖11 涵洞地質(zhì)雷達(dá)探測成果圖

經(jīng)過上述對各剖面的地質(zhì)雷達(dá)成果圖進(jìn)行解譯分析可得出如下結(jié)論： WT2涵洞(雙孔箱涵)寬約5.0 m， 高約2.3 m， 箱涵底板埋深約2.8 m， 箱涵下基礎(chǔ)寬約5.5 m， 高約1.2 m， 基礎(chǔ)底埋深約4.0 m， 箱涵兩側(cè)邊墻寬約0.4 m.

從東鶴路右側(cè)發(fā)現(xiàn)該涵洞入口起， 涵洞右拐進(jìn)入主干道并斜向延伸到中線， 并與路中線平行延伸約230 m， 進(jìn)入東鶴路左道， 然后離開道路向路旁區(qū)域延伸至其中一個(gè)涵洞出口. 該涵洞出口為單孔箱涵， 另一涵洞出口可能在道路右側(cè)未布測線的區(qū)域， 具體位置未知. 雙孔箱涵分布區(qū)域內(nèi)未發(fā)現(xiàn)其它特殊障礙物， 涵洞地質(zhì)雷達(dá)探測成果如圖11所示.

3 結(jié)語

1) 地質(zhì)雷達(dá)作為一種無損檢測方法， 在場地探測中具有設(shè)備便攜、 探測速度快、 剖面連續(xù)等技術(shù)優(yōu)勢， 在工程前期大范圍場地勘查中利于推廣.

2) 地質(zhì)雷達(dá)探測線路的剖面布設(shè)應(yīng)建立在前期異常點(diǎn)勘查成果的基礎(chǔ)上， 采用橫向與縱向聯(lián)合布置剖面的方法， 對異常區(qū)域進(jìn)行著重加密并對異常部位進(jìn)行比較分析， 是判別不良地質(zhì)體分布范圍的關(guān)鍵.

3) 結(jié)合現(xiàn)場工程地質(zhì)特征， 對地質(zhì)雷達(dá)圖像中涵洞分布范圍與剖面布設(shè)的走向?qū)Ρ确治觯?結(jié)果表明， 利用地質(zhì)雷達(dá)探測方法確定箱涵的分布范圍是可行的， 方法合理、 效果理想， 可為日后類似工程提供參考依據(jù).