張海林,宋明藝,陳敬國(guó)

(1.西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系，陜西 西安 710065；2.延長(zhǎng)油田股份有限公司，陜西 延安 716000；3. 廣東省有色金屬地質(zhì)勘查局地質(zhì)勘查研究院，廣東 廣州 510080；4.中國(guó)石油集團(tuán)東方地球物理公司華北物探處，河北 任丘 062552)

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基于地質(zhì)雷達(dá)的地鐵工程空洞調(diào)查

張海林1,2,宋明藝3,陳敬國(guó)4

(1.西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系，陜西 西安 710065；2.延長(zhǎng)油田股份有限公司，陜西 延安 716000；3. 廣東省有色金屬地質(zhì)勘查局地質(zhì)勘查研究院，廣東 廣州 510080；4.中國(guó)石油集團(tuán)東方地球物理公司華北物探處，河北 任丘 062552)

[摘要]在簡(jiǎn)要介紹北京某地鐵工程工程地質(zhì)背景的基礎(chǔ)上，提出了在盾構(gòu)法施工區(qū)間地質(zhì)雷達(dá)測(cè)線布置方法，通過對(duì)探測(cè)成果的分析研究及對(duì)部分異常的挖探驗(yàn)證，確定了空洞異常的分布范圍及其性質(zhì)。結(jié)果表明，F(xiàn)站～L站區(qū)間內(nèi)共發(fā)現(xiàn)有3處明顯的土體異常：1號(hào)和3號(hào)異常為土層嚴(yán)重疏松，2號(hào)異常為土體脫空；地質(zhì)雷達(dá)能準(zhǔn)確地探測(cè)土層疏松以及空洞異常，進(jìn)而提供地下空洞基礎(chǔ)資料。

[關(guān)鍵詞]空洞調(diào)查；異常識(shí)別；地鐵工程；地質(zhì)雷達(dá)

地質(zhì)雷達(dá)是近年來應(yīng)用于淺層地質(zhì)構(gòu)造、巖性檢測(cè)的一項(xiàng)新技術(shù)，其特點(diǎn)是快速、無損、連續(xù)檢測(cè)，并以實(shí)時(shí)成像方式顯示地下結(jié)構(gòu)剖面，使探測(cè)結(jié)果一目了然，分析、判讀直觀方便[1]。隨著工程地球物理方法和理論的不斷發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域迅速擴(kuò)大，現(xiàn)在已在巖土工程勘察、水文地質(zhì)勘察、工程質(zhì)量檢測(cè)、地下埋藏物探測(cè)、塌陷和巖溶勘察、礦產(chǎn)資源勘探以及考古等眾多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[2-6]。

隨著城市現(xiàn)代化的發(fā)展，國(guó)內(nèi)各大城市加快地鐵工程建設(shè)的步伐。為了消除安全隱患，確保地鐵工程施工安全和周邊環(huán)境安全，有必要對(duì)地鐵工程進(jìn)行空洞調(diào)查。地質(zhì)雷達(dá)作為一種高分辨率探測(cè)技術(shù)，能夠探明施工區(qū)域地下空洞及疏松土層等病害異常，確保地鐵工程施工安全和周邊環(huán)境安全，近年來得到了普遍的應(yīng)用。

北京某地鐵工程采用盾構(gòu)法施工，左線長(zhǎng)1 506 m，右線長(zhǎng)1 409 m。為了避免施工過程中，由于地下空洞等異常對(duì)周邊環(huán)境和施工安全造成不良影響，利用地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)對(duì)該地鐵工程施工區(qū)域進(jìn)行了地下空洞調(diào)查。

1工程地質(zhì)背景

該地鐵工程施工區(qū)域建筑物較為密集，主要為商業(yè)用房和高層住宅。該施工區(qū)域土層分布較為穩(wěn)定，按地層沉積年代及成因類型，可劃分為人工堆積層、近代沉積層、第四紀(jì)晚更新世沖洪積層以及新近紀(jì)天壇組四大類。地下水類型主要為潛水，水位埋深21.26～26.24 m，水位標(biāo)高為21.09～22.75 m，主要含水層為卵石層。

該施工區(qū)域填土層普遍分布，主要為粉土填土層、雜填土層以及圓礫填土層。填土厚度一般約為1.8～3.5 m，土層松散～中密，力學(xué)性質(zhì)差異較大，穩(wěn)定性較差。

該施工區(qū)域近代沉積土層也普遍分布，包括粉土層、粉細(xì)砂層以及圓礫層。土層厚度約為1.9～5.1m，以中密為主，土體自穩(wěn)能力較差。

2方法技術(shù)

本次地下空洞調(diào)查采用美國(guó)地球物理勘探儀器設(shè)備公司(GSSI)生產(chǎn)的SIR-3000型地質(zhì)雷達(dá)儀。依據(jù)建設(shè)單位首次空洞調(diào)查技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及工作要求，需要對(duì)工作區(qū)域附近地下埋深5米范圍內(nèi)是否存在空洞及疏松土層等病害異常進(jìn)行地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)。根據(jù)探測(cè)目的，探測(cè)選用100 MHz天線。

施工區(qū)域采用盾構(gòu)法施工，盾構(gòu)區(qū)間隧道應(yīng)在規(guī)定的探測(cè)區(qū)域范圍內(nèi)，沿隧道走向方向布設(shè)測(cè)線，在左、右線隧道的上方各布設(shè)測(cè)線，共布置6條測(cè)線，測(cè)線布置見圖1。其中中間一條測(cè)線位于隧道中心線對(duì)應(yīng)的地面位置，兩側(cè)再各布設(shè)1條測(cè)線，測(cè)線間距為4 m。

圖1　測(cè)線布置斷面圖

3資料處理與解釋

數(shù)據(jù)處理主要采用了預(yù)處理、增益調(diào)整、零線標(biāo)定、背景去噪、濾波等，達(dá)到雷達(dá)圖像能真實(shí)反映下伏土層的特征。處理后雷達(dá)波異常剖面顯示，橫坐標(biāo)為水平距離；縱坐標(biāo)為電磁波雙程時(shí)間，以納秒(ns)為單位。根據(jù)以往類似工作經(jīng)驗(yàn)[7-9]，確定電磁波速度，最后換算出縱坐標(biāo)以深度距離米(m)為單位。

在對(duì)雷達(dá)剖面進(jìn)行解釋時(shí)，常采用對(duì)比的方法來識(shí)別回波的特征，如回波的相位特征(波峰、波谷沿測(cè)線上的變化)、回波的形態(tài)特征(波形、波幅、周期以及包絡(luò)線形態(tài)等)。因此，在對(duì)雷達(dá)異常進(jìn)行識(shí)別的過程中，通常以反射波能量、背景回波、波形的相似性以及連續(xù)性作為主要依據(jù)。

本次探測(cè)的疏松、脫空異常在雷達(dá)圖像上的反映為反射波同相軸不連續(xù)，并向上彎曲，反射波能量強(qiáng)(特別是含水量大的疏松、脫空區(qū))，其回波振幅也反映較強(qiáng)和明顯。依據(jù)路面下土層雷達(dá)波的相位、頻率與幅值變化進(jìn)行綜合定性判別，從所發(fā)現(xiàn)異常中剔除土層的自然沉積與填堆積的變化，以及地下管線、地下構(gòu)筑物或地面各種干擾物引起的異常，將確定的異常按程度劃分為：脫空異常、土層嚴(yán)重疏松異常、土層中等疏松異常。

本次工作中現(xiàn)場(chǎng)采集的正常地段雷達(dá)圖像見圖2，可看出雷達(dá)反射波同相軸連續(xù)，振幅、相位和頻率無明顯變化，無異?；夭ǚ瓷?，表明地面下土層穩(wěn)定、密實(shí)。

圖2　正常地段雷達(dá)圖像

探測(cè)區(qū)域地下管線、地面條件等干擾較多，特別是局部地段路邊停放有車輛，給外業(yè)工作和資料解釋帶來一定影響，這些干擾因素在雷達(dá)探測(cè)成果圖中均有體現(xiàn)。經(jīng)過對(duì)探測(cè)成果的細(xì)致分析，施工區(qū)域共發(fā)現(xiàn)有3處明顯的土體異常。

1號(hào)異常雷達(dá)反射波同相軸不連續(xù)，振幅、相位和頻率變化明顯，反射波能量較強(qiáng)，其回波振幅也反映較強(qiáng)和明顯，在雷達(dá)記錄上沿測(cè)線延伸長(zhǎng)度約3 m，深度約1.3～3.0 m。推斷1號(hào)異常性質(zhì)為土層嚴(yán)重疏松，雷達(dá)異常顯示圖像見圖3。

圖3　1號(hào)異常雷達(dá)圖像

2號(hào)異常雷達(dá)反射波同相軸不連續(xù)，并向上彎曲，振幅、相位和頻率明顯變化，反射波能量強(qiáng)，其回波振幅也反映較強(qiáng)和明顯，在雷達(dá)記錄上沿測(cè)線延伸長(zhǎng)度約3 m，深度約2.0～4.0 m。推斷2號(hào)異常性質(zhì)為土層脫空，雷達(dá)異常顯示圖像見圖4。

圖4　2號(hào)異常雷達(dá)圖像

3號(hào)異常雷達(dá)反射波同相軸不連續(xù)，振幅、相位和頻率變化明顯，反射波能量較強(qiáng)，其回波振幅也反映較強(qiáng)和明顯，在雷達(dá)記錄上沿測(cè)線延伸長(zhǎng)度約13 m，深度約1.0～2.7 m。推斷3號(hào)異常性質(zhì)為土層嚴(yán)重疏松，雷達(dá)異常顯示圖像見圖5。

圖5　3號(hào)異常雷達(dá)圖像

4檢測(cè)結(jié)果驗(yàn)證

為了確保雷達(dá)檢測(cè)資料的可靠性，驗(yàn)證其科學(xué)性與精度，對(duì)各類異常有必要進(jìn)行驗(yàn)證[10]。本次驗(yàn)證工作主要針對(duì)所解釋的疏松、脫空異常采用洛陽鏟人工挖探的方式進(jìn)行驗(yàn)證，利用實(shí)際挖探過程地層的變化情況對(duì)探測(cè)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，該方法具有直觀、準(zhǔn)確等特點(diǎn)。在實(shí)際挖探過程中，由于不能對(duì)道路、現(xiàn)有大型構(gòu)(建)筑物及其他公共設(shè)置產(chǎn)生破壞，位于道路上的2號(hào)、3號(hào)異常點(diǎn)未能驗(yàn)證。

驗(yàn)證結(jié)果表明，1號(hào)異常性質(zhì)為土層嚴(yán)重疏松，深度為1.5～3.5 m，與解釋結(jié)果非常吻合。該異常的形成可能是由于異常區(qū)域前期地下管線施工過程土體開挖回填不密實(shí)及道路下方土體不密實(shí)并受上層滯水影響造成。

5結(jié)語

(1) 正常地段雷達(dá)雷達(dá)反射波同相軸連續(xù)，振幅、相位和頻率無明顯變化，無異常回波反射，表明地面下土層穩(wěn)定、密實(shí)；疏松、空洞異常在雷達(dá)圖像上的反映為反射波同相軸不連續(xù)，并向上彎曲，反射波能量強(qiáng)，其回波振幅也反映較強(qiáng)和明顯。

(2) 施工區(qū)域內(nèi)共發(fā)現(xiàn)有3處明顯的土體異常：1號(hào)和3號(hào)異常為土層嚴(yán)重疏松，2號(hào)異常為土體脫空。

(3) 地質(zhì)雷達(dá)能準(zhǔn)確地探測(cè)土層疏松以及脫空異常，進(jìn)而提供地下空洞基礎(chǔ)資料，以便采取有效處理措施，消除安全隱患，確保地鐵工程施工安全和周邊環(huán)境安全。

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[收稿日期]2015-03-14

[基金項(xiàng)目]陜西省教育廳專項(xiàng)科研計(jì)劃項(xiàng)目資助(14JK1579)

[作者簡(jiǎn)介]張海林(1979-)，男，陜西榆林人，工程師，主要從事油氣田勘探開發(fā)及物探資料解釋工作。

[中圖分類號(hào)]P641.2

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

[文章編號(hào)]1004-1184(2016)01-0246-02