地質雷達在城市道路地下典型病害探測中的應用

楊光 李穎

摘 要：道路是一個城市最重要的基礎設施，由道路地下空洞等引起的城市道路塌陷是當前道路養護面臨的主要難題。地質雷達探測技術作為一種無損檢測方法，以其方便、高效等優點被廣泛地應用到城市道路病害探測方面。本文結合南京某建筑工程附近的道路塌陷隱患區探測工程實例，介紹了地質雷達在城市道路地下典型病害探測中的應用，并參考探測區域內的工程地質資料，對塌陷隱患區的形成原因進行綜合分析，為后期病害治理和消險工程提供有力支持。

關鍵詞：城市道路;典型病害;塌陷災害;地質雷達

中圖分類號：P631.3;TU992.4 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2021）04-0115-03

Abstract： The urban road is the most important infrastructure of a city， and the urban road collapse caused by the underground cavity is the main problem of road maintenance. As a rapidly developing nondestructive testing technology， ground penetrating radar detection has been widely used in urban road detection because of its convenience and high efficiency.In this paper， combined with an example of a detection project for road collapse hidden danger areas near a construction project in Nanjing， the application of ground penetrating radar （GPR） in the detection of typical underground diseases of urban roads was introduced， and referring to the engineering geological data in the detection area， a comprehensive analysis of the causes of the formation of the hidden danger zone of collapse was carried out to provide strong support for the later disease control and risk elimination projects.

Keywords： urban road;typical hazard;subsidence disaster;ground penetrating radar

隨著城市化建設的發展，城市道路建設、大型建筑建設及地下空間的開發利用快速推進，一些自然因素或人為因素催生地下病害隱患，最終誘發道路路面塌陷災害。因此，在道路塌陷發生前，只有采取合理的探測手段，查明城市道路典型地下病害的形成原因，才能防患于未然。近年來，地面塌陷隱患病害的探測研究很多[1-2]，從直觀但工作流程煩瑣的鉆探方法到方便快捷的地球物理探測方法，探測方法不斷革新。地質雷達作為常用的物探方法，具有快速、無損探測的特點，已被廣泛應用在城市道路地下病害探測中，在塌陷病害原因分析和治理工程中發揮著重要的作用[3-5]。

1 地質雷達探測技術

地質雷達是依據被探測體內的不同介質具有不同的物理性質（如電阻率、彈性波速、介電常數等）進行探測的，它由發射部分和接收部分組成，如圖1所示。發射部分由產生高頻脈沖波的發射機和向外輻射電磁波的天線（Tx）組成。發射天線以60°～90°的波束角向地下發射電磁波，電磁波在傳播途中遇到電性分界面而產生反射。反射波被設置在某一固定位置的接收天線（Rx）接收，與此同時，接收天線還接收沿巖層表層傳播的直達波，反射波和直達波同時被接收機記錄或者終端將兩者顯示出來。電磁波在介質中傳播時，其路徑、電磁場強度與波形將隨所通過介質的電性及幾何形態而變化，根據接收到波的旅行時間（亦稱雙程走時）、幅度與波形資料，可推斷地下介質的分布情況。根據電磁場理論，電磁波在傳播過程中遇到不同電性介質，其界面處將發生反射和折射現象，從而改變電磁波的傳播方向，如圖1所示。通過沿剖面同步移動發射天線（T）和接收天線（R），人們便可獲得由反射記錄組成的雷達剖面，其同相軸分布與地下不同介電目標體埋深、形態有直觀的對應關系[6-10]。

地質雷達是一種通過研究反射波相對直達波的往返旅行時間、振幅、頻率和相位特征，確定地下目標體的探測方法，具有探測效率高、對場地和目標體無損、分辨率高和抗干擾能力強等特點，為無損檢測。

2 工程應用實例

在施工過程中，南京某建筑工地附近的基坑出現滲水并攜帶泥沙等介質，滲水點位置附近的路面出現局部沉降和塌陷，周邊部分房屋墻面出現裂縫，產生較大的安全隱患。相關部門立即組織搶險，為保證治理效果，避免出現新的塌陷險情，加固處理前對塌陷點附近道路地下病害進行地質探測。根據地質雷達探測成果圈定的病害位置，現場進行高壓注漿加固處理，進而消除險情。

本次地質雷達探測采用美國GSSI公司生產的SIR-20型地質雷達數據采集系統，該系列探地雷達探測速度快，可以在短時間內迅速采集地下信息，通過靈活設置觀測系統參數，對探測對象進行快速、高密度成像，達到檢測目的。本次雷達探測采用40 MHz低頻組合天線，測量方式為采用沿測線方向點測，點距為0.1 m/點。

2.1 工程地質條件

根據工程勘察資料，探測場地淺地層為雜填土，雜填土以建筑垃圾為主，混雜碎磚塊和混凝土塊，含少量黏性土，雜填土層厚度大約為2 m，局部松散。雜填土層下伏為素填土層，該層以黏性土為主，含少量硬的磚塊和混凝土塊雜質，層厚為2～5 m。素填土層下伏為粉質黏土層，具有一定的強度，層厚介于1.5～2.0 m。粉質黏土層下伏為粉細砂層，層底深度不超過17 m，飽和，稍密，該層在擾動狀態下是最易形成漏水涌砂現象的地層。在正常狀態下，地下水位穩定在2.2 m左右，與基坑底部存在一定的高差，這是形成巖土體滲流的主要動力條件。

2.2 典型異常剖面分析

建筑工地塌陷點附近的基坑發生了漏水涌砂，漏點附近地面出現的沉降與漏水點附近泥沙的大量流失有關，在周圍地下水的不斷補充下，當地形成了一定有影響范圍的滲流路徑，不斷地攜帶地面下方土體中的填充介質，造成路面下方的雜填土層、黏土層或粉細砂層局部形成高孔隙率土體，甚至呈松散狀，本次地質雷達的應用目的正是探測這些不良土體的分布和規模。

本次地質雷達探測的主要異常為滲水區附近的土體密實性改變，局部土體松散，典型的雷達探測成果如圖2和圖3所示。

圖2和圖3為測線1和測線2的地質雷達探測剖面，探測有效深度不超過20 m，根據地質雷達探測資料并結合現場的驗證鉆孔資料，探測所獲得的異常主要為路面下方土體局部欠密實，異常區域主要集中在搶修段的西側（滲漏點附近）。經推斷，異常形成的原因為路面下方土體中細顆粒介質出現流失，水位下降后，土體的孔隙率變大，當電磁波傳播到異常區土體時，其產生了較強的反射、散射和折射，與周圍土體介質形成鮮明對比。滲漏點土體介質的流失使得路面下方水位線以下的土體含水量增大，對電磁波能量的吸收增強，電磁波傳播的速度變小，波長變長，振幅變小，推斷該區域為路面下方的高富水段。在深度0～2 m的范圍，局部存在一些疑似淺層脫空異常、局部欠密實異常的區域，這些異常的分布范圍較小，與其下方大范圍的欠密實區存在一定聯系，經推斷，其也與異常區土體介質的流失有關，因為該深度下的土體中不含地下水，形成較強的反射雷達波異常區域。縱觀圖2和圖3的異常分布位置和深度，人們可以看出，異常區域的分布大體處于同一個位置，說明路面下方異常土體具備一定規模，主要分布在搶修段的西側。

地質雷達探測成果中的異常并不是孤立存在的，它們是相互聯系的，相鄰異常可以合并，通過對所有測線探測的異常進行劃分、歸類和整合，人們可以得出本次地質雷達探測成果的綜合推斷成果圖。由圖4可知，慢車道管道上方存在1處土體松散異常，其位于慢車道中心橫向12～15 m的范圍;搶修段（滲流點）附近路面下方分布有2處土體欠密實異常區，其位于慢車道橫向35～60 m和61～78 m的范圍，兩處異常規模較大，是本次探測所得到的重點土體異常區域。慢車道的北側存在1處雜填土層欠密實區，其位于橫向81～97 m的范圍。后經現場取樣驗證和加固注漿證實，雷達探測成果精確可靠。

3 結語

路面下方土體中的細顆粒介質出現流失后，若水位下降，則土體的孔隙率變大，當電磁波傳播到異常區土體時，其產生較強的反射、散射和折射，與周圍土體介質形成鮮明對比。工程實踐證明，地質雷達在地面塌陷探測中有很好的應用效果，能夠快速、準確地探測出地下欠密實區、土體松散或空洞等典型病害的位置、埋深和規模等。采用地質雷達對城市地下典型病害區進行“把脈聽診”，可以將地下情況以圖像的方式呈現出來，減少不必要的地面開挖工作，并可勘測出地下塌陷隱患的規模、空間分布和空洞大小等情況。人們可以據此分析其成因、可能的發展趨勢，判定其危險性，然后根據實際情況，及時采取灌漿等方法進行修復，在城市道路和地面塌陷的應急搶險階段，采取防治結合的方法，維護城市道路交通及其他基礎設施的安全。

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