崔 磊,張鳳錄
(北京市測(cè)繪設(shè)計(jì)研究院,北京100038)
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(xiàng)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(cè),掌握準(zhǔn)確可靠的基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)對(duì)于及時(shí)采取防護(hù)措施,完善施工方案,預(yù)防因施工對(duì)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(dá)構(gòu)成及測(cè)量原理,針對(duì)北京地鐵9號(hào)線工程建設(shè)項(xiàng)目,為避免由于地下空洞等異常地質(zhì)對(duì)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(dá)對(duì)玉淵潭公園內(nèi)地鐵途經(jīng)路段地下地質(zhì)情況進(jìn)行了探測(cè),針對(duì)探測(cè)成果對(duì)地下空洞的具體位置、深度及土層結(jié)構(gòu)等進(jìn)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。
地質(zhì)雷達(dá)由一體化主機(jī)、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(dá)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(shí)反射部分電磁波,其反射系數(shù)由介質(zhì)的相對(duì)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(dòng)的接收天線接收后,由雷達(dá)主機(jī)精確記錄下反射回的電磁波的運(yùn)動(dòng)特征,再通過信號(hào)技術(shù)處理,形成全斷面的掃描圖,通過對(duì)雷達(dá)主機(jī)所接收的反射信號(hào)進(jìn)行處理和圖像解譯,判斷出地下目標(biāo)物的實(shí)際結(jié)構(gòu)情況[4]。地質(zhì)雷達(dá)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(dá)記錄上的地面反射波與反射波的時(shí)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(duì)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(dá)工作示意圖
雷達(dá)波反射信號(hào)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(duì)介電常數(shù)。
反射信號(hào)的強(qiáng)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(hào)越強(qiáng)。雷達(dá)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]。
地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)工程位于北京地鐵9號(hào)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(chǎng)探測(cè)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(jìn)行相應(yīng)處理。
為避免地下空洞等異常地質(zhì)體對(duì)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(diǎn),采用瑞典MALA地球物理公司生產(chǎn)的RAMAC X3M系列地質(zhì)雷達(dá),配備100 MHz和500 MHz屏蔽天線探測(cè)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(dá)測(cè)線方向沿地鐵走向布置,局部加密區(qū)域布置交叉測(cè)線,布置在地形起伏較小和表層介質(zhì)相對(duì)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(shí),布置5條測(cè)線;當(dāng)左右地鐵隧道中心線間距>8 m時(shí),布置6條測(cè)線。測(cè)線布設(shè)在左右隧道中心和左右隧道兩側(cè),測(cè)線間距為4 m。測(cè)線布置方案見圖2所示。
圖2 測(cè)線布置示意圖
探測(cè)結(jié)果表明,通過對(duì)探測(cè)成果的分析,探測(cè)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(cè)異常區(qū)域綜合統(tǒng)計(jì)情況詳見表1。
表1 雷達(dá)探測(cè)異常區(qū)域綜合統(tǒng)計(jì)表
針對(duì)部分異常利用復(fù)測(cè)、加密測(cè)線等輔助手段進(jìn)行了驗(yàn)證,對(duì)地下結(jié)構(gòu)異常進(jìn)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(dá)異常圖像見圖3所示。
圖3 1#異常雷達(dá)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(dá)異常圖像見圖4所示。
圖4 2#異常雷達(dá)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(qiáng),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(dá)異常圖像見圖5所示。
圖5 3#異常雷達(dá)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(dá)異常圖像見圖6所示。
實(shí)際探測(cè)過程中,探測(cè)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(cè)區(qū)域地形不平整和障礙物對(duì)探測(cè)結(jié)果產(chǎn)生一定影響。
本文介紹了地質(zhì)雷達(dá)構(gòu)成及測(cè)量原理,針對(duì)北京市地鐵9號(hào)線建設(shè)工程項(xiàng)目,利用地質(zhì)雷達(dá)對(duì)地鐵沿線玉淵潭路段地下地質(zhì)情況進(jìn)行了探測(cè)。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(dá)圖像
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