李 強(qiáng)

(中鐵十六局集團(tuán)地鐵工程有限公司，北京 100023)

0 引言

在隧道暗挖施工過(guò)程中，由于超挖、塌方、地下水以及土質(zhì)松散(粉砂、圓礫)等因素對(duì)地層產(chǎn)生擾動(dòng)后會(huì)留有空洞和土質(zhì)疏松地段。如果這些地段不及時(shí)進(jìn)行處理，會(huì)引起隧道上方地面的沉降和坍塌，使地面構(gòu)筑物及道路受到破壞，造成嚴(yán)重的后果。使用地質(zhì)雷達(dá)可以在隧道內(nèi)部、隧道上方地面進(jìn)行探測(cè)，提早發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并進(jìn)行處理。本文簡(jiǎn)單介紹了地質(zhì)雷達(dá)在地鐵隧道施工中的檢測(cè)原理、方法及應(yīng)用分析。

1 地質(zhì)雷達(dá)儀器簡(jiǎn)介

這里以美國(guó)GSSI公司生產(chǎn)的Sir-3000型地質(zhì)雷達(dá)為例介紹地質(zhì)雷達(dá)儀器的構(gòu)成。Sir-3000系統(tǒng)是由主機(jī)、控制與顯示、天線三大部分組成，系統(tǒng)由一臺(tái)內(nèi)置奔騰Ⅳ計(jì)算機(jī)控制數(shù)據(jù)采集、簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)處理和顯示。Sir-3000在地下工程中的應(yīng)用主要是地層中深部的應(yīng)用，此時(shí)采用的頻段是100 MHz～900 MHz，各個(gè)頻段的天線如圖1所示，Sir-3000可以采用二維或者三維的模式進(jìn)行掃描和成像。應(yīng)用時(shí)通過(guò)主機(jī)在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行地質(zhì)掃描，掃描的數(shù)據(jù)將生成DZT文件，再通過(guò)相關(guān)的軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析和處理，Sir-3000具有儀器輕便，自動(dòng)化程度高，探測(cè)速度快，分辨率高的特點(diǎn)，在地鐵工程建設(shè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

圖1 不同頻段地質(zhì)雷達(dá)天線

2 地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)原理、參數(shù)和應(yīng)用方法簡(jiǎn)述

地質(zhì)雷達(dá)是一種無(wú)損探測(cè)的儀器，其原理和傳統(tǒng)的空中雷達(dá)極為相似，但是應(yīng)用于地下工程探測(cè)又有其不同的地方。它的基本原理就是利用電磁波在地下的傳播進(jìn)行工作，地質(zhì)雷達(dá)發(fā)射寬頻的電磁波脈沖作為信號(hào)，在其途經(jīng)的所有地質(zhì)情況中，遇到不同電性的物體和地質(zhì)構(gòu)造時(shí)都要反射回地面，由地面儀器的天線接收。高頻的電磁波脈沖在地下傳播時(shí)，它的路徑、振幅、波長(zhǎng)、反射強(qiáng)度等參數(shù)都受到它經(jīng)過(guò)的介質(zhì)的大小形態(tài)、電性、位置等因素的影響，所以接受天線通過(guò)分析發(fā)射電磁波的參數(shù)、數(shù)據(jù)，就能分辨和判斷出地質(zhì)體的空間位置和結(jié)構(gòu)大小等信息。地質(zhì)雷達(dá)工作的基本原理如圖2所示。

在地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)中，分辨不同地質(zhì)體依據(jù)的主要物理參數(shù)為地質(zhì)體的介電常數(shù)εr，而在自然界中，不同巖土體的介電常數(shù)相差很多，這為我們采用地質(zhì)雷達(dá)提供了很好的物理前提。一些典型地質(zhì)體的介電常數(shù)參考值如表1所示。

圖2 地質(zhì)雷達(dá)工作原理圖

表1 不同地質(zhì)體的相對(duì)介電常數(shù)

分辨率和探測(cè)深度也是地質(zhì)雷達(dá)的重要參數(shù)，在地下工程領(lǐng)域的應(yīng)用中，地質(zhì)雷達(dá)的探測(cè)深度直接影響到探測(cè)能觸及的范圍和儀器的可利用性情況;其分辨率的大小關(guān)系到地質(zhì)雷達(dá)的精度和工程數(shù)據(jù)處理人員分析和理解數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。地質(zhì)雷達(dá)的探測(cè)深度主要與雷達(dá)的發(fā)射，接受功率，天線增益，目標(biāo)體的截面，目標(biāo)深度傳播媒介的散射損耗等參數(shù)有關(guān)系;其分辨率主要與波速，接收天線的頻譜等參數(shù)有關(guān)，提高發(fā)射信號(hào)的帶寬可以有效的提高地質(zhì)雷達(dá)的垂直分辨率，提高接受信號(hào)頻譜的帶寬可以提高地質(zhì)雷達(dá)的水平分辨率。地質(zhì)雷達(dá)不同的頻段與探測(cè)深度和分辨率的關(guān)系如表2所示。根據(jù)不同的工程性能要求應(yīng)該選用不同的頻段天線，在地下工程，市政工程中，我們常用的頻段為100 MHz，400 MHz和900 MHz天線。

表2 地質(zhì)雷達(dá)天線相應(yīng)頻率的探測(cè)深度和分辨率的經(jīng)驗(yàn)值

在進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)之前，首先要對(duì)地質(zhì)雷達(dá)的參數(shù)進(jìn)行選取和設(shè)置，因?yàn)檫x取參數(shù)的合理與否直接關(guān)系到采集數(shù)據(jù)的質(zhì)量和我們采用地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)的應(yīng)用效果，地質(zhì)雷達(dá)參數(shù)設(shè)置主要包括以下幾個(gè)方面:

1)確定介電常數(shù)，介電常數(shù)的值一般根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)來(lái)定;2)設(shè)置采樣點(diǎn)數(shù)，采樣點(diǎn)數(shù)的數(shù)量影響到掃描線的平滑性;3)確定時(shí)窗長(zhǎng)度，時(shí)窗長(zhǎng)度與地質(zhì)雷達(dá)的探測(cè)深度密切相關(guān);4)確定掃描數(shù)和掃描率，這項(xiàng)參數(shù)關(guān)系到雷達(dá)的分辨率，掃描數(shù)越多，分辨率越高;5)確定延時(shí);6)設(shè)置濾波參數(shù)，濾波是為了改善雷達(dá)的成像質(zhì)量。

在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的工程中，往往還會(huì)有一些干擾信號(hào)會(huì)影響地質(zhì)雷達(dá)的數(shù)據(jù)采集，應(yīng)該注意，不能使電纜線和天線處于平行的位置，雷達(dá)系統(tǒng)應(yīng)遠(yuǎn)離電線電纜，遠(yuǎn)離照明系統(tǒng)和高壓電線，否則會(huì)干擾信號(hào)，造成成像質(zhì)量不佳，甚至?xí)p害到地質(zhì)雷達(dá)系統(tǒng)。

3 地質(zhì)雷達(dá)應(yīng)用實(shí)例

北京地鐵十號(hào)線二期11標(biāo)段西局站—六里橋站區(qū)間右線始發(fā)井至六里橋車站區(qū)間隧道采用盾構(gòu)法施工、淺埋暗挖法施工。其中采用盾構(gòu)法施工的設(shè)計(jì)里程為K44+978.574～K45+051.322。該標(biāo)段地形較為平坦，地面高程范圍46.82 m～47.33 m，處于永定河沖積扇的中上部，為第四系全新統(tǒng)地層。其表層為人工填土層，層厚3 m～5 m;下有第四系新近沉積層，厚度不大，為2 m左右;新近沉積層以下則以密實(shí)的砂性土和卵石為主，暗挖隧道主要穿越卵石層。該標(biāo)段工程地質(zhì)條件差，管線較多，另外還要下穿西局村民房及橫向下穿豐臺(tái)北路，存在著塌方、地面不均勻沉降等施工風(fēng)險(xiǎn)，施工難度非常大，具有工期緊、施工難度大、高風(fēng)險(xiǎn)的特點(diǎn)。

針對(duì)上述施工特點(diǎn)及風(fēng)險(xiǎn)，施工方在施工過(guò)程中采用地質(zhì)雷達(dá)對(duì)主要風(fēng)險(xiǎn)地段進(jìn)行探測(cè)，對(duì)有問(wèn)題的地段及時(shí)發(fā)現(xiàn)并進(jìn)行相應(yīng)的處理。

在整個(gè)盾構(gòu)施工過(guò)程中，施工方都采用了地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)的方法對(duì)開挖的地質(zhì)條件進(jìn)行預(yù)先評(píng)估。在每段采用地質(zhì)雷達(dá)前，技術(shù)人員均根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的地質(zhì)情況設(shè)置了相應(yīng)的地質(zhì)雷達(dá)參數(shù)，來(lái)保證數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性，并通過(guò)相應(yīng)的數(shù)據(jù)分析，得到了比較可靠和接近真實(shí)情況的成像數(shù)據(jù)。如圖3所示是當(dāng)開挖至里程K45+021.022時(shí)采用地質(zhì)雷達(dá)超前預(yù)報(bào)，分析、綜合探測(cè)雷達(dá)數(shù)據(jù)后得到地質(zhì)雷達(dá)成像圖形。在取得現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)的地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)之后，首先通過(guò)分辨反射波的振幅、相位等特征確定掌子面前方土體的分層情況，然后通過(guò)分析反射波組的波形和強(qiáng)度特征，確定反射波組的地質(zhì)含義，最后經(jīng)過(guò)相應(yīng)的成像處理，生成可以用于指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)的地質(zhì)圖像。在成像圖中，橢圓中的部分顏色偏淺，地質(zhì)雷達(dá)分層沉降圖像變化相對(duì)紊亂，經(jīng)過(guò)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)該部分為土質(zhì)疏松;而如圖4所示的地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)成像是良好土質(zhì)條件，如果兩者進(jìn)行對(duì)比，可以很容易的發(fā)現(xiàn)地質(zhì)疏松土質(zhì)的成像規(guī)律。施工方在工程進(jìn)行的前、中、后期都大量密集的應(yīng)用了地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)技術(shù)，提前發(fā)現(xiàn)和暴露了一大批地質(zhì)條件差，地層薄弱的地段，從而做到了早發(fā)現(xiàn)，及早采取措施，有效降低了施工風(fēng)險(xiǎn)。

圖3 土質(zhì)疏松地質(zhì)雷達(dá)成像圖

圖4 土質(zhì)良好地質(zhì)雷達(dá)成像圖

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)，可以準(zhǔn)確探測(cè)到地層中的薄弱環(huán)節(jié)。通過(guò)分析管道頂線圍土雷達(dá)波的相位、頻率與振幅等特性，能夠識(shí)別出因盾構(gòu)施工形成的隧道頂部圍土擾動(dòng)異常，比如土質(zhì)疏松、脫空或空洞等。而土質(zhì)疏松的特點(diǎn)是圍土層位形成明顯變化且有沉降幅度，一般波及到上覆土層;脫空或空洞的特點(diǎn)是由于土層嚴(yán)重疏松引起的脫空或超挖等原因留有的空洞未被填實(shí)。

同時(shí)，通過(guò)地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)的分析結(jié)果，可以快速的做出地層處理的方案。由超挖等原因引起的疏松及脫空，應(yīng)重新注漿處理;根據(jù)雷達(dá)成像圖表顯示有空洞的部位可以采用人工挖孔樁進(jìn)行排查，如果發(fā)現(xiàn)有些地方土層不密實(shí)，甚至有空洞存在時(shí)，應(yīng)采取相應(yīng)措施進(jìn)行加固處理。

由此可見，地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)技術(shù)在地鐵工程中能夠起到很好的空洞判斷作用，能夠有效的減少后續(xù)可能發(fā)生的安全、質(zhì)量隱患，為工程勘察和施工帶來(lái)了很大的便利。相信地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)技術(shù)在地下工程勘察和施工領(lǐng)域內(nèi)會(huì)得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

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