張宏萄，張智慧，許 強(qiáng)

(中土建設(shè)(北京)工程檢測(cè)有限公司，北京 100072)

1 引 言

隨著城市建設(shè)的快速發(fā)展，地下空間的利用率迅速提升，而隧道、基坑的開(kāi)挖對(duì)臨近(上、下穿越等)地下建筑物的影響越來(lái)越大。在已經(jīng)建成的地鐵隧道、車站周圍有大量的民用、商用建筑的建設(shè)，不可避免地會(huì)發(fā)生地鐵隧道結(jié)構(gòu)及內(nèi)部設(shè)施受到周邊設(shè)施建設(shè)影響的情況。吉茂杰等[1]、盧喜勝[2]利用數(shù)值模擬的方法分析出地鐵隧道附近基坑開(kāi)挖過(guò)程中各個(gè)階段隧道受力、產(chǎn)生形變的情況；劉松[3]、肖同剛[4]使用地鐵隧道內(nèi)沉降位移監(jiān)測(cè)等手段，在周邊基坑開(kāi)挖過(guò)程中掌握了隧道變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，提出了隧道安全范圍內(nèi)的沉降量限值。

地鐵隧道內(nèi)部軌道結(jié)構(gòu)一般分為普通整體道床、Ⅲ型軌道減震器、彈性短軌枕(彈性支撐塊)、梯形軌枕、鋼彈簧浮置板道床等形式[5]。其中整體道床的病害在地鐵運(yùn)營(yíng)線路中比較常見(jiàn)，給地鐵行車安全帶來(lái)許多不利的影響[6]。在地鐵運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，受地鐵隧道周圍施工影響產(chǎn)生的道床剝離，道床斷裂是較為隱蔽和致命的，病害嚴(yán)重的道床路段甚至?xí)＜暗罔F的行車安全[6]。

近年來(lái)，地質(zhì)雷達(dá)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在隧道檢測(cè)[7-9]中得到了大力的推廣和應(yīng)用，李又云等[10]分析了地質(zhì)雷達(dá)在隧道整體道床檢測(cè)中的可靠性，認(rèn)為地質(zhì)雷達(dá)無(wú)損檢測(cè)可確定道床病害的具體位置及缺陷類型。本文分析了地鐵隧道由周邊基坑、隧道開(kāi)挖引起隧道內(nèi)整體道床病害的地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)結(jié)果，不涉及由滲水引起的道床與結(jié)構(gòu)邊墻剝離、道床出現(xiàn)滲水裂縫[6]和混凝土不密實(shí)[10]等病害的討論。

2 地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)技術(shù)

地質(zhì)雷達(dá)(Ground Penetrating Radar，簡(jiǎn)稱GPR)方法是一種用于確定前方介質(zhì)分布的廣譜(1 MHz～2.5 GHz)電磁波技術(shù)，是近年來(lái)興起的一種新興的地下探測(cè)[11,12]與混凝土建筑物無(wú)損檢測(cè)[13]新技術(shù)。該方法的天線屏蔽干擾小，探測(cè)范圍廣，分辨率高，具有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理和信號(hào)增強(qiáng)的功能，可進(jìn)行連續(xù)透視掃描，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)顯示二維彩色圖像[14]。地質(zhì)雷達(dá)工作示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 地質(zhì)雷達(dá)工作示意圖Fig.1 The working principle of GPR detection

地質(zhì)雷達(dá)通過(guò)雷達(dá)天線對(duì)隱蔽目標(biāo)體進(jìn)行全斷面掃描的方式獲得斷面的掃描圖像，具體工作原理是：雷達(dá)系統(tǒng)利用天線向地下發(fā)射寬頻帶高頻電磁波，電磁波信號(hào)在介質(zhì)內(nèi)部傳播遇到介電差異較大的介質(zhì)界面時(shí)，就會(huì)發(fā)生反射、透射和折射(圖2)。兩種介質(zhì)的介電常數(shù)差異越大，反射的電磁波能量也越大。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(guò)信號(hào)技術(shù)處理，形成全斷面的掃描圖，工程技術(shù)人員通過(guò)對(duì)雷達(dá)圖像的判讀，判斷出地下目標(biāo)物的實(shí)際結(jié)構(gòu)情況。道床剝離、道床內(nèi)部病害與周圍道床混凝土有較大的電性差異[15,16]，采用地質(zhì)雷達(dá)方法具備較好的地球物理前提[17-19]。

圖2 地質(zhì)雷達(dá)工作原理Fig.2 Schematic diagram of GPR prospecting principle

電磁波的傳播取決于介質(zhì)的電性，介質(zhì)的電性主要有電導(dǎo)率μ和介電常數(shù)ε，前者主要影響電磁波的穿透(探測(cè))深度，在電導(dǎo)率適中的情況下，后者決定電磁波在該物體中的傳播速度，因此，所謂電性介面就是電磁波傳播的速度面。不同的地質(zhì)體(物體)具有不同的電性，因此，在不同電性的地質(zhì)體的分界面上，都會(huì)產(chǎn)生回波。

地質(zhì)雷達(dá)基本參數(shù)如下：

1)電磁脈沖波旅行時(shí)間

(1)

式中：z為勘查目標(biāo)體的埋深，單位為m；x為發(fā)射、接收天線的距離，單位為m(式中因z?x，故x可忽略)；v為電磁波在介質(zhì)中的傳播速度，單位為m/ns。

2)電磁波在介質(zhì)中的傳播速度

(2)

式中：c為電磁波在真空中的傳播速度(0.299 79 m/ns)；εr為介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)；μr為介質(zhì)的相對(duì)磁導(dǎo)率，單位為S/m(一般μr≈1)。

3)電磁波的反射系數(shù)

電磁波在介質(zhì)傳播過(guò)程中，當(dāng)遇到相對(duì)介電常數(shù)明顯變化的地質(zhì)現(xiàn)象時(shí)，電磁波將產(chǎn)生反射及透射現(xiàn)象，其反射和透射能量的分配主要與異常變化界面的電磁波反射系數(shù)有關(guān)：

(3)

式中：r為界面電磁波反射系數(shù)；ε1為第一層介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)；ε2為第二層介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)。本文中使用的介質(zhì)的介電常數(shù)見(jiàn)表1。

表1 介質(zhì)電性特征

4)地質(zhì)雷達(dá)記錄時(shí)間和勘查深度的關(guān)系

(4)

式中：z為檢測(cè)目標(biāo)體的深度，單位為m；t為雷達(dá)記錄時(shí)間，單位為ns。

實(shí)測(cè)時(shí)將雷達(dá)天線緊貼于探測(cè)面，沿測(cè)線連續(xù)滑動(dòng)，采用測(cè)距輪進(jìn)行定位，根據(jù)系統(tǒng)配置和天線滑行速度設(shè)定空間采樣率，雷達(dá)主機(jī)實(shí)時(shí)記錄每個(gè)測(cè)點(diǎn)反射波的時(shí)間和振幅值，構(gòu)成連續(xù)雷達(dá)剖面。當(dāng)?shù)来蚕路降牟ㄋ僖阎獣r(shí)，根據(jù)所探測(cè)到的雙程旅行時(shí)，就可以求得目標(biāo)體的位置和埋深。應(yīng)用專業(yè)軟件，分析反射波同相軸的波形和波阻特征，就可以獲得道床下方的結(jié)構(gòu)信息。

3 工程實(shí)例

檢測(cè)兩段整體道床使用的設(shè)備是瑞典MALA公司生產(chǎn)的X3M地質(zhì)雷達(dá)主機(jī)及配套的500 MHz、 800 MHz屏蔽天線。在初次檢測(cè)時(shí)，對(duì)兩種天線進(jìn)行了測(cè)試，依據(jù)檢測(cè)時(shí)的《城市工程地球物理探測(cè)規(guī)范》,確定使用800 MHz 屏蔽天線對(duì)地鐵隧道內(nèi)整體道床進(jìn)行檢測(cè)。詳細(xì)檢測(cè)參數(shù)見(jiàn)表2。檢測(cè)道床情況見(jiàn)表3。與地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)同步進(jìn)行的是對(duì)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題隧道主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了檢測(cè)，并記錄了發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題(表4)。

表2 檢測(cè)參數(shù)

表3 檢測(cè)道床情況

表4 隧道主體結(jié)構(gòu)異常情況

4 檢測(cè)結(jié)果與驗(yàn)證

現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)束后，第一時(shí)間對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，北京地鐵某號(hào)線左線K7+998～K8+016結(jié)果見(jiàn)圖3，北京地鐵某號(hào)線左線K23+304～K23+326結(jié)果見(jiàn)圖4；對(duì)兩處道床病害位置的分析見(jiàn)表5。

圖3 左線K7+998～K8+016地質(zhì)雷達(dá)異常圖像Fig.3 The left line K7+998～K8+016 abnormal GPR images

圖4 左線K23+304～K23+326地質(zhì)雷達(dá)異常圖像Fig.4 The left line K23+304～K23+326 abnormal GPR images

表5 道床病害明細(xì)

1)由圖3可知，隧道左線K7+998～K8+016道床內(nèi)部鋼筋排布在同一深度，無(wú)明顯錯(cuò)位現(xiàn)象，說(shuō)明此處道床內(nèi)部沒(méi)有發(fā)生形變，整體性較好；K8+007附近道床與結(jié)構(gòu)底板間反射幅值明顯增大，同時(shí)雷達(dá)波同相軸發(fā)生變形，與周圍道床與地板間分界面有明顯區(qū)分，這是主體結(jié)構(gòu)與整體道床之間產(chǎn)生剝離(空氣層)的典型特征，推斷此處道床與隧道結(jié)構(gòu)底板間有剝離病害發(fā)生[20]。

2)由圖4可知，礦山法區(qū)間隧道左線K23+304～K23+326段道床內(nèi)部界面變形量較大，其中K23+308～K23+324段界面同相軸與原層位同相軸深度不一致，K23+310～K23+321段同相軸向淺部(道床上表面)移動(dòng)，K23+310、K23+317、K23+323三個(gè)部位深度4～6ns時(shí)間處地質(zhì)雷達(dá)波同相軸斷開(kāi)，可推斷K23+303～K23+327段道床完整性較差，其中K23+310～K23+321段道床形變量較大，整體道床在K23+310、K23+317、K23+323三個(gè)部位發(fā)生斷裂病害。

圖5 道床厚度、病害深度驗(yàn)證Fig.5 Verification of track bed thickness and disease depth

檢測(cè)結(jié)果上報(bào)后，地鐵運(yùn)營(yíng)機(jī)構(gòu)對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證工作：

1)對(duì)北京地鐵某號(hào)線左線K8+007處病害部位進(jìn)行了鉆孔驗(yàn)證[6]，并在鉆孔貫穿道床后，對(duì)鉆孔進(jìn)行注水，發(fā)現(xiàn)此處的確發(fā)生了道床剝離病害，鉆孔深度見(jiàn)圖5，注水驗(yàn)證照片見(jiàn)圖6，需要指出的是，在地質(zhì)雷達(dá)圖像上左線K8+007處顯示病害范圍較小，在驗(yàn)證時(shí)與該部位相距2 m(K8+005、 K8+009)的鉆孔未發(fā)現(xiàn)道床脫空病害；

圖6 道床剝離驗(yàn)證Fig.6 Verification of track bed stripping

2)北京地鐵某號(hào)線左線K23+303～K23+327處病害部位，由于深度較淺，且地質(zhì)雷達(dá)圖像上顯示病害深度接近中央排水溝底部，地鐵運(yùn)維人員將排水溝內(nèi)積水排凈后，對(duì)排水溝內(nèi)污泥等雜物進(jìn)行沖洗，發(fā)現(xiàn)圖像異常指向部位確實(shí)發(fā)生了道床斷裂病害，且排水溝底部與側(cè)壁斷裂處有能夠伸入手掌的病害。

通過(guò)對(duì)這兩處道床病害的驗(yàn)證，說(shuō)明地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)對(duì)不同深度、不同種類的地鐵整體道床病害是有效果的。

5 結(jié) 論

通過(guò)本文中兩種地鐵隧道內(nèi)整體道床地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)工作，可以獲得以下結(jié)論：

1)地質(zhì)雷達(dá)對(duì)地鐵隧道內(nèi)整體道床病害有明顯的檢測(cè)效果，無(wú)論是道床底部與隧道主體結(jié)構(gòu)間的剝離病害，還是道床內(nèi)部的混凝土破損病害，在地質(zhì)雷達(dá)圖像上都能有清晰的顯示。

2)當(dāng)隧道主體結(jié)構(gòu)底部與整體道床結(jié)合較為緊密時(shí)，混凝土結(jié)構(gòu)破壞的位置可能在道床內(nèi)部發(fā)生，此時(shí)應(yīng)對(duì)道床內(nèi)部即檢測(cè)深度小于道床厚度的部位予以關(guān)注。

3)當(dāng)隧道主體結(jié)構(gòu)底部與整體道床結(jié)合稍弱時(shí)，道床整體與隧道主體間相對(duì)位置容易發(fā)生變化，道床剝離病害更易產(chǎn)生，此時(shí)應(yīng)對(duì)道床與隧道主體結(jié)構(gòu)結(jié)合部位即檢測(cè)深度接近道床厚度予以關(guān)注。

4)由于整體道床內(nèi)部或者底部產(chǎn)生的病害都是隱蔽病害，所以當(dāng)?shù)罔F隧道處于周邊設(shè)施施工影響范圍內(nèi)或者接近影響范圍時(shí)，針對(duì)地鐵隧道內(nèi)的整體道床的專項(xiàng)檢測(cè)是必要的；當(dāng)?shù)V山法隧道受到影響的范圍內(nèi)主體結(jié)構(gòu)裂縫異常增多，盾構(gòu)法隧道管片間錯(cuò)臺(tái)現(xiàn)象異常增多，隧道的位移量及位移速率突然增大，都是提示道床內(nèi)部病害須檢測(cè)的信號(hào)。

5)地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)成果明確了周圍工程開(kāi)挖對(duì)既有結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀的影響，為結(jié)構(gòu)安全評(píng)估提供了實(shí)測(cè)參數(shù)，并為加強(qiáng)既有軌道交通設(shè)施的維護(hù)管理，以及安全可靠的運(yùn)營(yíng)提供了數(shù)據(jù)支持。