趙雨豪,陳宗剛,岳軍民

(中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計研究院有限公司,西安 710065)

0 前 言

地下病害體是指存在地表下威脅城市安全的不良地質(zhì)體，包括脫空，空洞，疏松體以及富水體。通常地下病害體的道路會在人為或者自然的因素作用下出現(xiàn)不均勻沉降，由此在路面上形成一個塌陷的坑洞，對居民人身安全和財產(chǎn)帶來了嚴(yán)重的威脅。目前地下病害體探測方法主要有3種：地震映像法、探地雷達(dá)法和高密度電阻率法。地震映像法是最早應(yīng)用于地下病害體探測的方法，原理是由地面產(chǎn)生地震波向地下傳播，通過接收地下目標(biāo)體的反射波信號從而確定其的空間位置，其準(zhǔn)確性與地下介質(zhì)的波阻抗差異有關(guān)；探地雷達(dá)自2000年以來廣泛應(yīng)用于各類地下目標(biāo)體探測，主要原理是電磁波在地下傳播時分界面會形成的強(qiáng)烈反射信號，可完成對地下目標(biāo)體的探測，進(jìn)而確定其地下方位，探地雷達(dá)法具有便攜、實時、精度高等優(yōu)點，但容易受周圍環(huán)境的電磁干擾；高密度電阻率法是近年來發(fā)展的一種新型的電阻率測試方法，它將以介質(zhì)間的導(dǎo)電性差異為探測基礎(chǔ)，擁有較高的測點密度，雖一次采集可獲得豐富的地質(zhì)信息，但高密度電法需要將銅棒電極插入待檢目標(biāo)中,確保兩者耦合。針對城市道路存在車流量大且周邊建筑物密集的特點，采用單一物探方法在道路地下病害體的探測中存在干擾較為嚴(yán)重，探測精度不佳的問題。本文在分析地震映像法、探地雷達(dá)法和高密度電阻率法3種常用探測方法的特點后，提出以探地雷達(dá)法為主，地震映像法為輔助的組合城市道路地下病害體探測方法，在不破壞路面的情況下，減少車流量與周圍建筑對探測的干擾，提高探測精準(zhǔn)度[1-8]，為城市地下病害體的治理提供可靠的物探依據(jù)。

1 概 況

西安地鐵公司為了優(yōu)化城區(qū)交通環(huán)境，消除隱患對人民生命財產(chǎn)的影響，開展對地鐵所涉區(qū)域進(jìn)行隱患排查的探測任務(wù)。根據(jù)任務(wù)要求，本次探測針對地鐵站點及區(qū)間的城市道路，需查明道路下方存在病害體的具體位置和影響深度等信息。本次探測區(qū)域位于西安地鐵五號線某地鐵站及其沿線區(qū)間，區(qū)域內(nèi)在大量公共場所。由于此前進(jìn)行地下軌道交通的開挖施工以及路面車流量較大等原因，地表已經(jīng)出現(xiàn)了較為明顯的路面沉降，道路兩旁圍墻等建筑產(chǎn)生了一定程度的開裂(見圖1)。此次通過物探方法對地下0～5 m區(qū)域地質(zhì)情況進(jìn)行勘察，查明地下病害體的空間分布范圍，為后續(xù)道路病害體的治理提供可靠的依據(jù)(見圖2)。

圖1 路面不均勻沉降

圖2 探地雷達(dá)現(xiàn)場探測

2 物探方法原理及誤差分析

城市地下軌道交通的沿線商業(yè)活動較為頻繁，在勘察過程中受到人工干擾的情況非常嚴(yán)重。由于市區(qū)內(nèi)的工程地質(zhì)具有相當(dāng)特殊性，現(xiàn)場使用的物探方法必須滿足探測分辨率高和抗干擾能力強(qiáng)這兩個要求。根據(jù)任務(wù)要求，此次物探方法選擇以探地雷達(dá)法為主，地震映像法為輔助的探測組合。并且為了減少誤差并確?？辈旃ぷ黜樌M(jìn)行，此次探測均在夜間進(jìn)行。

探地雷達(dá)的工作特點：首先將高頻電磁波作為媒質(zhì)，然后通過發(fā)射機(jī)產(chǎn)生高頻電磁波并且利用發(fā)射天線(T)向外輻射電磁波。工作狀態(tài)下，發(fā)射天線電磁波的波束角為60°～90°向地下發(fā)射高頻電磁波。在地下的傳播過程中，電磁波遇到不同介質(zhì)時會產(chǎn)生反射與折射，被設(shè)置在某一固定距離(X)的接收天線(R)接收，所以當(dāng)探地雷達(dá)發(fā)射的電磁波在空氣、電纜和土壤等不同的介質(zhì)中傳播時，會在不同介質(zhì)的分界面產(chǎn)生能量較強(qiáng)的反射信號(見圖3)[9-13]。

圖3 探地雷達(dá)探測原理

工作過程中，顯示器上實時顯示基于脈沖反射波形式的雷達(dá)圖形，黑色和白色分別代表波形的正負(fù)峰，當(dāng)然也可以根據(jù)實際用灰階或彩色表示。室內(nèi)對原始雷達(dá)圖像進(jìn)行濾波降噪等處理，然后根據(jù)反射脈沖波形的波動程度解譯地質(zhì)情況。反射脈沖波形主要由發(fā)射脈沖波的能量、波在地質(zhì)界面上的反射特性和波在地下介質(zhì)中傳播時的衰減情況決定。物性界面的波阻抗決定了反射特性，一般用反射系數(shù)描述，圖4為雷達(dá)波形記錄[14-17]。

圖4 雷達(dá)波形記錄

地震映像法的主要特點是工作時的偏移距相同，然后逐步移動激發(fā)點與接收點來接收地震信號。連續(xù)掃描地層或目標(biāo)體并處理分析采集的地震波信息，地震波的波形變化反映了地下介質(zhì)的變化。在對異常信號區(qū)進(jìn)行驗證時，地震波傳播遇到不同性質(zhì)的地層分界面或地下病害體時，會產(chǎn)生反射波或折射波返回檢波器[18-20]。室內(nèi)對信號異常區(qū)的地震波數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到地震映像深度剖面。分析深度剖面的特征形態(tài)，得到了地下目標(biāo)有效信息。地震映像法探測原理見圖5。

圖5 地震映像法探測原理

3 地質(zhì)及地球物理特征

3.1 地質(zhì)條件

工作區(qū)所處的大地貌單元為關(guān)中平原，地形總體平坦。探測范圍內(nèi)地層自上而下依次為瀝青混凝土路基，厚度約0.4～1.0 m，電磁波速度0.12～0.15 m/ns；第四系全新統(tǒng)人工填土，晚更新統(tǒng)風(fēng)積黃土，厚度約10.0 m，電磁波速度0.095 m/ns。其余殘積古土壤，沖積粉質(zhì)粘土砂及中更新統(tǒng)沖、積粉質(zhì)粘土、中砂等地層未在探測范圍內(nèi)。

根據(jù)前期勘查報告顯示，地鐵沿線土體以粉土、粉質(zhì)黏土為主。當(dāng)出現(xiàn)土體疏松時，內(nèi)部多呈蜂窩狀結(jié)構(gòu)，外部施加壓力后易出現(xiàn)壓縮變形、固結(jié)沉降變形，且在水流沖刷及路面震動后，易發(fā)生坍塌形成空洞病害。

3.2 地球物理特征分析

此次探測的地鐵站點和區(qū)間總體上地質(zhì)雷達(dá)波波形清楚，反射能量較強(qiáng)，但在部分地段出現(xiàn)了不同規(guī)模的異常信號。經(jīng)過分析，地下病害體深度位置在行車道大多位于路基混凝土與瀝青路面以下，規(guī)模大小不一。地下病害體的上界面一般不平整，上界面為根據(jù)電磁波速度反演推算的反射界面，可能與實際存在一定的誤差。由于空洞位置電磁波速度大于周圍土體，約為周圍土體的1.5～3.0倍，在計算過程中按2.0倍考慮。

4 病害體探測及成果解釋

此次探地雷達(dá)法和地震映像法以同線勘探的方式，對地鐵站點及區(qū)間進(jìn)行地下病害體探測。其中探地雷達(dá)使用的是發(fā)射接收一體化天線，頻率為200 MHz，參數(shù)設(shè)置包括疊加次數(shù)設(shè)置為10次，采樣點數(shù)選擇512點，采樣長度480 ns；地震映像法設(shè)置的偏移距為3 m；采樣間隔0.2 ms；采樣點數(shù)2048；檢波器主頻100 Hz。根據(jù)JGJ/T 437-2018《城市地下病害體綜合探測與風(fēng)險評估》[21]與現(xiàn)場實際情況，現(xiàn)場測線的布置間距為2.5 m。

4.1 地球物理特征分析

初次探測完成后，室內(nèi)經(jīng)過數(shù)據(jù)處理圈定出異常信號。隨后結(jié)合現(xiàn)場踏勘和地下管網(wǎng)資料，將地下管線等人工構(gòu)筑物進(jìn)行引起的疑似病害體異常信號進(jìn)行剔除，避免誤判為空洞，然后利用地震映像法和探地雷達(dá)對異常信號進(jìn)一步驗證分析，并確定其病害體類型、尺寸范圍、影響深度和中心坐標(biāo)。

主要判斷依據(jù)包括以下幾點：一是各土層、基巖反射波呈現(xiàn)出同相軸的特點，將路基和土層界面區(qū)別出來；二是當(dāng)土層比較穩(wěn)定且較為致密，那么它的波形特點是同相軸連續(xù)，并且反射得清晰連續(xù)，整體波形呈規(guī)律性的衰減；若此時土層界面發(fā)生錯動，則會呈現(xiàn)出同相軸的錯動；三是當(dāng)土層比較松散時，地震波的特點是同相軸不連續(xù)或者丟失，同時波形較為紊亂，衰減非常迅速，并且波形的振幅變??；在頻率域上的特點是頻率雜亂，由于土層松散區(qū)的介電常數(shù)小，因此其雷達(dá)波呈現(xiàn)出強(qiáng)反射，雷達(dá)波組多且能量強(qiáng)，不連續(xù)；四是空洞的弧形反射是其在地震波和雷達(dá)波區(qū)別于土層松散區(qū)的主要特點。

4.2 綜合解釋成果

1、2線位于地鐵區(qū)間道路，總體呈東西向。區(qū)間探測以三維探地雷達(dá)為主，根據(jù)地震映像和探地雷達(dá)對區(qū)間道路下深度為5 m內(nèi)的空間范圍進(jìn)行探測。在1線365～368 m與2線775～777 m兩處雷達(dá)波同相軸不連續(xù)雜亂分布，多次波較明顯，繞射波較明顯在橫向上分布有間斷，能量不均勻，在水平切片上可以清楚看出病害體的投影面積(見圖6、7)。此處地下區(qū)域產(chǎn)生多組較強(qiáng)的反射雷達(dá)波，能量比較強(qiáng)，存在多次波震蕩，波組出現(xiàn)扭曲。地震映像法驗證顯示異常信號區(qū)波形結(jié)構(gòu)變化較大，同相軸上凸和下凹現(xiàn)象較明顯，地震波歷時延長，說明該區(qū)域地層受到了擾動，界面分層不清晰。因此推測這兩處病害體類型為一般疏松體，其松散區(qū)延伸至路面結(jié)構(gòu)層。1線病害體最淺埋深0.3 m，最深約1.4 m，面積為1.6 m2；2線病害體最淺埋深0.5 m，最深約1 m，面積為1.1 m2。

圖6 1線地下病害體綜合解釋

3、4線位于地鐵站，根據(jù)探地雷達(dá)結(jié)合其他資料對地鐵站周邊地下5 m內(nèi)的空間范圍進(jìn)行了探測(見圖8、9)。在9線的8～18 m和4線的174～176 m兩處雷達(dá)波整體振幅增強(qiáng)，多次波明顯，頂部反射波與入射波同向、底部反射波與入射波反向。其中3線異常體反射波表現(xiàn)為正向連續(xù)平板狀；而4線異常體頂部形成連續(xù)的同向性反射波組。根據(jù)地震映像法顯示兩處異常體所處地層的頻率低于背景場。其中3線的第7至14道同相軸出現(xiàn)下凹現(xiàn)象，局部有散射；4線的第14至17道同相軸分叉。因此判斷3線病害體類型為空洞，最淺埋深0.6 m，最深約1.8 m，面積為18.8 m2；4線病害體的上方路基波形近水平且連續(xù)，因此判斷4線病害體類型為脫空，最淺埋深0.3 m，最深約1 m，面積為1 m2。

圖7 2線地下病害體綜合解釋

圖8 3線地下病害體綜合解釋

圖9 4線地下病害體綜合解釋

4.3 成果驗證

為了更準(zhǔn)確地檢驗出探地雷達(dá)法的精度，除了地震映像法復(fù)核以外，還采用最直接的鉆孔驗證。鉆探手段對復(fù)核出的地下病害體進(jìn)行抽檢，主要是針對脫空和空洞這兩類病害體。經(jīng)過現(xiàn)場鉆孔，此次探地雷達(dá)法探測出的的病害體真實存在。這表明此次探測已經(jīng)達(dá)到預(yù)期目標(biāo)(見圖10)。

圖10 地下病害體鉆孔驗證

5 結(jié) 論

(1) 通過現(xiàn)場探測，使用天線頻率為200 MHz的探地雷達(dá)能夠快速查找出異常信號區(qū)，在輔助以檢波器頻率不超過100 MHz的地震映像法共探測出4處病害體，其中最大埋深1.4 m，最小埋深0.3 m。

(2) 城市道路的地下病害體探測面臨復(fù)雜的場地工程環(huán)境，因此選擇合適的物探方法至關(guān)重要。探地雷達(dá)所具備的便攜、實時、精度高的優(yōu)點,并結(jié)合地震映像法抗電磁干擾能力的特點能夠準(zhǔn)確判斷城市道路地下5 m范圍病害體的空間位置。

探地雷達(dá)法和地震映像法二者組合進(jìn)行地下病害體探測是一種行之有效的高分辨率物探方法，均可取得了清晰的圖像，滿足了勘察任務(wù)所要求的精度。