楊曉軍，邢曉露，馬斗斗

（1.中煤西安設(shè)計(jì)工程有限責(zé)任公司，陜西 西安 710054；2.河南省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，河南 鄭州 450000；3.32016部隊(duì)，蘭州 730000）

0 引言

地陷與空洞等道路病害會(huì)隨著城市的不斷發(fā)展長(zhǎng)期存在，如何遏制此類現(xiàn)象的發(fā)生，最大程度上減少災(zāi)難，就要結(jié)合實(shí)際探討合適且高效的技術(shù)方法，地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)地鐵隧道能滿足社會(huì)發(fā)展的需求，也對(duì)道路空洞無(wú)損探測(cè)、道路管理和養(yǎng)護(hù)具有重大意義。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者應(yīng)用雷達(dá)技術(shù)探測(cè)道路病害的手段逐漸增多，地質(zhì)雷達(dá)對(duì)道路病害的相關(guān)研究也逐漸成為學(xué)者們討論的重點(diǎn)，張勁松、叢鑫等人以北京45 000 km地下管線為例，進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)操作得出各種管線的雷達(dá)圖像特征，提高其在地下管線中的準(zhǔn)確性；增超、劉東升是通過(guò)探地雷達(dá)逐漸建立了一套土木工程范圍內(nèi)圖譜特征識(shí)讀系統(tǒng)，在土木工程的工程檢測(cè)和驗(yàn)收中具有重大意義；葛志廣采用6種空洞模型對(duì)北京道路的地下空洞病害探測(cè)研究，經(jīng)過(guò)分析比對(duì)，總結(jié)了地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)道路空洞的信號(hào)的識(shí)別特征。另有學(xué)者將探地雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用在巖溶塌陷空洞勘查方面，探測(cè)結(jié)果有效可信。

梳理文獻(xiàn)不難看出，探地雷達(dá)有很強(qiáng)的優(yōu)越性，研究以GER-10 地質(zhì)雷達(dá)為基礎(chǔ)探測(cè)西安地鐵某號(hào)線北客站至渭南站區(qū)間盾構(gòu)區(qū)段隧道結(jié)構(gòu)及空洞隱患，相比其他雷達(dá)而言，GER-10的5ps步進(jìn)控制技術(shù)，優(yōu)化電磁波的穩(wěn)定度，提高雷達(dá)系統(tǒng)的信噪化。

1 研究方法

1.1 儀器設(shè)備

此次研究選擇的是青島中電眾益智能科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的GER-10型通用地質(zhì)雷達(dá)主機(jī)，搭配100 MHz頻率地質(zhì)雷達(dá)天線進(jìn)行。

1.2 地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)隧道工程空洞機(jī)理

探地雷達(dá)在隧道工程中探測(cè)空洞，雷達(dá)電磁波在向周圍圍巖發(fā)射過(guò)程中，遭遇不同波阻抗界面時(shí)將產(chǎn)生反射波和折射波，并遵守反射、折射原則，可表示為：

其中：ε1、ε2分別為上下介質(zhì)的介電常數(shù)。

探地雷達(dá)探測(cè)的深度與環(huán)境介質(zhì)導(dǎo)電率σ和工作頻率f均呈反比關(guān)系，雷達(dá)探測(cè)分辨率與工作頻率成正比關(guān)系，其縱向分辨率Δh與橫向分辨率Δx分別為：

式中：λ＝V/f 為電磁波波長(zhǎng)（m）；H0為垂直測(cè)距（m）。探地雷達(dá)工作示意圖如圖1所示。

圖1 探地雷達(dá)工作示意圖

在地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行空洞探測(cè)要具備的條件有：路面基層與上下介質(zhì)、缺陷異常體和周圍介質(zhì)的介電性存有不同，而介質(zhì)中的介電常數(shù)取決于其物質(zhì)成分與結(jié)構(gòu)，含水量等主要因子。表1是與空洞相關(guān)介質(zhì)的物理參數(shù)表。

表1 與空洞相關(guān)介質(zhì)的物理參數(shù)表

2 工程應(yīng)用

2.1 隧道工程概況

西安市地鐵某號(hào)線于2014 年開(kāi)始建設(shè)，是2019 年開(kāi)通試運(yùn)營(yíng)；是西安市軌道交通東西向的核心線路，西安市東西向人流量大、公交壓力相對(duì)較大的交通走廊。在地鐵運(yùn)營(yíng)期間局部路段隧道結(jié)構(gòu)出現(xiàn)道路病害，存在空洞、空隙等隱患，此次的線路位置為西安地鐵某號(hào)線北客站至渭河南站區(qū)間盾構(gòu)區(qū)段。

2.2 探測(cè)范圍

研究區(qū)域位于陜西省西安市未央?yún)^(qū)，經(jīng)度108°55′43.5″，緯度34°22′42.5″；區(qū)域房屋建筑密集，人口流動(dòng)性大，交通設(shè)施復(fù)雜。線路探測(cè)的起止里程為K1+110～K2+081。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施測(cè)環(huán)境情況，最終探測(cè)區(qū)間起止里程為K1+280～K2+276，探測(cè)范圍寬度約為40 m。

2.3 探測(cè)段落及測(cè)線布置

探測(cè)采用GER-10型通用地質(zhì)雷達(dá)主機(jī)，搭配100 MHz頻率地質(zhì)雷達(dá)天線進(jìn)行，具有5 ps步進(jìn)控制技術(shù)，能滿足各種探測(cè)目的和需求；采用連續(xù)探測(cè)方法，對(duì)地鐵上方的道路掃描及時(shí)發(fā)現(xiàn)地下空洞的遍布和范圍，減少因道路空洞引發(fā)的路線塌陷災(zāi)害的頻發(fā)。根據(jù)地鐵的位置以及實(shí)際情況，測(cè)線布置見(jiàn)圖2。

圖2 地質(zhì)雷達(dá)測(cè)線布置示意圖

2.4 地質(zhì)雷達(dá)結(jié)果解譯

首先為了使標(biāo)記與標(biāo)記之間距離相等，對(duì)探測(cè)資料進(jìn)行距離歸一化處理修正測(cè)量速度；其次，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理為數(shù)據(jù)解釋提供更清晰的圖像。在獲得清晰且高質(zhì)量的探地雷達(dá)影像的基礎(chǔ)上進(jìn)行判讀，探測(cè)解釋結(jié)果會(huì)更加準(zhǔn)確可靠。地質(zhì)雷達(dá)圖像解釋的核心內(nèi)容是識(shí)別干擾波和目標(biāo)體的探地雷達(dá)的圖像特征。探地雷達(dá)會(huì)在接收信號(hào)的同時(shí)受到各種干擾信號(hào)，其干擾波會(huì)形成特殊形狀，在分析中要根據(jù)形狀加以辨認(rèn)，主要有4 種表現(xiàn)形式：密實(shí)、不密實(shí)、空洞、脫空。密實(shí)指的就是波形均勻且界面信號(hào)幅值弱；不密實(shí)則是界面反射信號(hào)強(qiáng)，同相軸不連續(xù)，呈區(qū)域化分布；空洞呈現(xiàn)的形式是界面反射信號(hào)強(qiáng)，三振相顯著，其下部還具有強(qiáng)反射界面信號(hào)，有較大的時(shí)程差；脫空和空洞類似，信號(hào)強(qiáng)且三振相明顯，但呈現(xiàn)長(zhǎng)條形或者三角形狀布設(shè)，還存在多次反射信號(hào)。

2.5 探測(cè)結(jié)果及結(jié)論

通過(guò)對(duì)西安市地鐵某號(hào)線明光路段進(jìn)行的地質(zhì)雷達(dá)空洞探測(cè)，得到的結(jié)論有：①經(jīng)過(guò)雷達(dá)數(shù)據(jù)分析，基層輕微不嚴(yán)實(shí)1處，基層含水率大4處；②在探測(cè)過(guò)程中經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理，出現(xiàn)脫空異常界面1 處，進(jìn)行復(fù)測(cè)和核查，發(fā)現(xiàn)其是北渭區(qū)間U 型槽處隧道結(jié)構(gòu)，實(shí)際的路面無(wú)脫空現(xiàn)象；③靠近路邊的井蓋、紅綠燈標(biāo)桿等會(huì)影響探測(cè)數(shù)據(jù)分析，對(duì)此類數(shù)據(jù)標(biāo)注，其探測(cè)的結(jié)果不予考慮。

經(jīng)過(guò)綜合分析，機(jī)場(chǎng)城際鐵路下穿明光路段道路探地雷達(dá)空洞探測(cè)，雷達(dá)數(shù)據(jù)譜圖和結(jié)果及檢核復(fù)測(cè)分析得出結(jié)論最終為：北客站至渭河南站區(qū)間盾構(gòu)區(qū)段（里程范圍為K1+110～K2+081）隧道結(jié)構(gòu)上方路面無(wú)空洞異常。

3 結(jié)語(yǔ)

以西安市地鐵隧道空洞探測(cè)為例，討論了空洞探測(cè)的研究方法，分析了機(jī)場(chǎng)城際鐵路下穿明光路段市政道路下的剖面異常，對(duì)開(kāi)展地鐵探測(cè)工作具有一定的借鑒意義。在人流量和車流量較大的繁華城市道路開(kāi)展探地雷達(dá)探測(cè)，會(huì)受到各種信號(hào)源的干擾，空洞確認(rèn)較為困難。以GER-10地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)空洞具有一定的優(yōu)勢(shì)，5 ps步進(jìn)控制技術(shù)，優(yōu)化電磁波的穩(wěn)定度，提高雷達(dá)系統(tǒng)的信噪化。但也要考慮異常形態(tài)特征篩選分析空洞，更要深刻認(rèn)識(shí)各種類型的異?，F(xiàn)象。在思考如何進(jìn)一步提高空洞探測(cè)技術(shù)的同時(shí)，更要明白探測(cè)道路病害帶來(lái)的重要意義，不僅可以使城市容貌煥然一新，也會(huì)讓人們對(duì)居住有更好的安全感和幸福感。