楊碩

摘 要：為了實(shí)現(xiàn)對地鐵施工區(qū)域地下空洞的探測，以某市軌道交通4號線一期工程火車站—北廣場站空洞探測為研究對象，采取探測雷達(dá)技術(shù)對地下結(jié)構(gòu)存在的異常點(diǎn)進(jìn)行探測，根據(jù)探測雷達(dá)地質(zhì)圖分析并確定空洞位置、發(fā)育特征，并提出一些有針對性的空洞處理建議。但是，由于物探技術(shù)存在解釋多樣性、本身局限性等問題，在實(shí)際探測過程中應(yīng)強(qiáng)化對地下管線的保護(hù)及監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)進(jìn)行治理。希望本文的研究成果可以為其他地鐵施工空洞探測提供一定的經(jīng)驗(yàn)參考。

關(guān)鍵詞：地鐵施工;空洞;探測雷達(dá)

中圖分類號：TU443文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1003-5168（2020）04-0109-03

Abstract： In order to realize the detection of underground cavity in the subway construction area， the detection radar technology was adopted to detect the abnormal points in the underground structure based on the analysis of the geological map of the detection radar to determine the location and development characteristics of the cavity， and some targeted suggestions for the treatment of the cavity were put forward. However， due to the diversity of interpretation and limitations of geophysical exploration technology， the protection and monitoring of underground pipelines should be strengthened in the actual detection process， and problems found should be treated in time. It is hoped that the research results of this paper can provide some experience reference for other subway construction cavity detection.

Keywords： subway construction;cavity;detection radar

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及城鎮(zhèn)化建設(shè)的不斷推進(jìn)，地下空間開發(fā)利用程度不斷提高，地鐵建設(shè)里程以及建設(shè)規(guī)模不斷加大[1]。在地鐵施工過程中存在一系列的地質(zhì)問題，如大型機(jī)械振動及地層擾動帶來的空洞問題。若地下空洞沒有得到較好治理，極可能會造成地表沉陷，給城市道路交通安全帶來不利影響，因此，需要對空洞位置進(jìn)行詳細(xì)探測[2-3]。探測雷達(dá)因具有探測效率高、地層擾動小、成果直觀等優(yōu)點(diǎn)，在地質(zhì)工程探測中應(yīng)用較為廣泛[4]。本文采用探測雷達(dá)技術(shù)對某市城市軌道交通4號線一期工程火車站—北廣場站地下空洞位置進(jìn)行探測，并根據(jù)探測結(jié)果提出針對性的空洞治理技術(shù)。

1 工程概況

某市城市軌道交通4號線一期工程火車站—北廣場站施工采用礦山法，中間建設(shè)有兩個(gè)區(qū)間車站，考慮到地鐵線路折拐，采用探測雷達(dá)探測長度適當(dāng)長于區(qū)間線路長度。探測區(qū)內(nèi)地層從上到下依次為表層雜物、粉土、黏土、黏質(zhì)粉土，探測深度為地面下方8m。

2 地下空洞探測

2.1 探測技術(shù)

由于4號線一期工程為該市城區(qū)交通主干線，周邊商業(yè)繁華，來往車輛、行人繁多，因此，要求采用的空洞探測技術(shù)對周邊環(huán)境影響小，探測精度及探測效率高。探測雷達(dá)可以滿足上述空洞探測要求，具體采用的探測設(shè)備型號為Sir-20。該型號的雷達(dá)具有工作效率高、性能突出的優(yōu)點(diǎn)，天線、主機(jī)的防塵、防振動、防潮濕能力顯著，且不容易受到工作環(huán)境影響，適用范圍廣[5]。

2.2 探測原理

探測雷達(dá)探測的基本原理是將高頻電磁波發(fā)射到探測區(qū)域地下，采用專用設(shè)備回收地質(zhì)單元反射回的電磁波信號。電磁波在探測區(qū)域地質(zhì)單元內(nèi)的傳播服從麥克斯韋方程組（Maxwell's Equations）及傳播介質(zhì)本構(gòu)關(guān)系[6]。

當(dāng)專用設(shè)備接收到反射回的電磁波后，即可根據(jù)反射波特征對地質(zhì)單元進(jìn)行分析。在不同的介質(zhì)交互界面上，部分電磁波會被反射，被地表上的接收機(jī)接收;由于電磁特性材料間存在差異，不同的地質(zhì)層間會發(fā)生透射、反射。接收機(jī)將接收到的電磁信號放大處理后得到需要的探測信息。操作人員對探測的地下目標(biāo)進(jìn)行成像處理，從而使探測結(jié)果更為直觀顯示。

介質(zhì)的電特性直接影響在介質(zhì)內(nèi)傳播的波速、波長及衰減等特征，因此探測雷達(dá)的工作參數(shù)與性能極限和介質(zhì)電特性密切相關(guān)。從電導(dǎo)率與穿透深度的關(guān)系圖可以看出（見圖1），電導(dǎo)率直接影響電磁波在介質(zhì)中的穿透能力和穿透深度，介質(zhì)電常數(shù)決定電磁波的傳播速度和覆蓋范圍。

根據(jù)探測雷達(dá)電磁波傳播特性和空洞反射電磁波特性可確定空洞位置、范圍。探測雷達(dá)在地表下方2.5 m深度探測出的不同半徑空洞模擬反射界面如圖2所示。

根據(jù)探測雷達(dá)的探測經(jīng)驗(yàn)及理論模擬分析結(jié)果歸納出的鋼筋耦合探測、空洞探測及地質(zhì)界面平層探測電磁波反射模型如圖3所示。

為了更好地對探測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、解釋，也為了準(zhǔn)確地對地質(zhì)單元內(nèi)空洞位置、直徑等進(jìn)行探測，需要解釋的物理參數(shù)包括探測雷達(dá)的探測時(shí)間、電磁波反射系數(shù)、電磁波傳播速度、電磁脈沖旅行時(shí)間、天線間距及探測深度等。根據(jù)探測經(jīng)驗(yàn)及地鐵4號線火車站—北廣場站地質(zhì)條件、外界環(huán)境等，對空洞精細(xì)探測采用的電磁波頻率為400 MHz，該電磁頻率還可以對脫空、坍塌、疏松等地質(zhì)異常體進(jìn)行探測。具體探測程序?yàn)橄炔捎?70 MHz頻率對深度在8 m的地層展布連續(xù)性進(jìn)行探測，初步確定是否存在空洞;之后采用400 MHz電磁波頻率對探測結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。為了提高探測精度，采用人工移動天線的方式，避免車載方式展布范圍小、靈活性差的問題。

2.3 探測測網(wǎng)布置

根據(jù)探測區(qū)域地表?xiàng)l件以及探測要求，采用測量輪探測方式，具體布置的測線如圖4所示。

在探測雷達(dá)對得到的地質(zhì)異常點(diǎn)進(jìn)行分析后，為了提高對異常點(diǎn)的探測精準(zhǔn)度，采用縱向、橫向探測相結(jié)合的方式，提升探測密度，異常點(diǎn)探測網(wǎng)布置如圖5所示。

在實(shí)際探測時(shí)，布置的測線還要滿足下述要求：①測線布置應(yīng)綜合考慮探測目的、空洞結(jié)構(gòu)及埋深等，比例尺和測線布置應(yīng)能反映探測目標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)，且探測結(jié)果可以在平面圖上清楚標(biāo)識;②測線布置應(yīng)在前期異常點(diǎn)探測基礎(chǔ)上進(jìn)行，對前期探測出的異常點(diǎn)進(jìn)行多次重復(fù)測量，實(shí)現(xiàn)對異常點(diǎn)的精細(xì)探測;③在地下結(jié)構(gòu)復(fù)雜、地表路面展布不規(guī)整的區(qū)域內(nèi)，應(yīng)適當(dāng)加密測線，根據(jù)實(shí)際探測需要，在主測線間增加輔助測線。

3 探測數(shù)據(jù)分析

采用探測雷達(dá)完成區(qū)域探測后，要對獲取的雷達(dá)數(shù)據(jù)及記錄文件進(jìn)行整理，對接收到的電磁波數(shù)據(jù)進(jìn)行前期預(yù)處理，后續(xù)精細(xì)化處理。處理后的電磁波數(shù)據(jù)具備更高的可度性及信噪比。作業(yè)人員可根據(jù)道路結(jié)構(gòu)、材料等市政工程信息，地質(zhì)資料，前期異常點(diǎn)探測結(jié)果，應(yīng)用現(xiàn)階段具備的解釋技術(shù)對探測數(shù)據(jù)進(jìn)行評估分析。

采用探測雷達(dá)的主要目的是確定探測區(qū)內(nèi)的空洞。當(dāng)探測區(qū)內(nèi)存在空洞（包括地層脫空、疏松區(qū)域）時(shí)，接收器接收到的反射波波幅會突然增加，在含水率高的區(qū)域內(nèi)更為明顯，反射波同軸出現(xiàn)不連續(xù)現(xiàn)象。

4 探測結(jié)果分析

探測范圍內(nèi)地下管線密布且布置較為復(fù)雜，周邊的機(jī)電設(shè)備、車輛及構(gòu)筑物等對探測雷達(dá)探測數(shù)據(jù)解釋以及異常點(diǎn)的確定具有一定的不利影響。通過對探測數(shù)據(jù)進(jìn)行精細(xì)化處理和多樣化解釋，在地鐵4號線火車站—北廣場站范圍內(nèi)共圈定20個(gè)地質(zhì)異常點(diǎn)，結(jié)合探測雷達(dá)探測圖像，對具有代表性的A、B、C、D四個(gè)典型異常點(diǎn)展開分析，并提出治理措施。

4.1 異常點(diǎn)A

異常點(diǎn)A的主要問題是地層不聯(lián)系，探測不存在空洞。經(jīng)與市政部分溝通確認(rèn)，在異常點(diǎn)A處不存在地下管線，異常缺陷等級為中等。對于這類問題，可以暫時(shí)不做處理，并加強(qiáng)對沉陷的監(jiān)測，若發(fā)現(xiàn)問題要及時(shí)處理。

4.2 異常點(diǎn)B

探測雷達(dá)探測出B類異常點(diǎn)反射的電磁波異常，主要原因是地下管道周邊土體密實(shí)度差，淺層有一定程度下陷，地面出現(xiàn)一定程度的開裂，異常缺陷等級判定為嚴(yán)重。對于這類異常點(diǎn)，建議采取淺層路面修補(bǔ)措施。

4.3 異常點(diǎn)C

探測雷達(dá)探測出C類異常點(diǎn)位于路面下方0.3m處且存在有鋼板，在鋼板下方探測有空洞存在，空洞附近存在污水管線。經(jīng)與市政部門溝通，確認(rèn)附近確有污水管線，異常缺陷等級判定為嚴(yán)重。對于此類空洞異常點(diǎn)，可采取注漿加固措施，對存在的空洞進(jìn)行填充，避免后續(xù)出現(xiàn)地表下沉問題，給地面交通正常進(jìn)行造成不利影響。

4.4 異常點(diǎn)D

由探測雷達(dá)探測結(jié)果得知，在異常點(diǎn)D處反射的電磁波異常，附近管線密集，在管線兩側(cè)回填土周邊密實(shí)度不夠，淺層存在坍塌，局部區(qū)域存在小直徑空洞，判定的異常缺陷等級判定為嚴(yán)重。對于此類問題，建議采取淺中層路面修補(bǔ)措施。

5 結(jié)語

①地鐵施工多集中在城區(qū)繁華位置，在施工及地下空洞治理過程中，應(yīng)注意確定地下管線埋設(shè)位置，并提出具體的保護(hù)措施。

②由于采取的探測雷達(dá)技術(shù)本身存在一定的局限性，同時(shí)物探數(shù)據(jù)的解釋具有多樣性、地下隱蔽工程復(fù)雜，實(shí)際探測出來的剖面位置處介質(zhì)電性參數(shù)與標(biāo)定處介質(zhì)電性參數(shù)存在差異，這是導(dǎo)致探測結(jié)果存在偏差的主要原因。因此，在探測施工過程中應(yīng)強(qiáng)化監(jiān)測工作，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)進(jìn)行治理。

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