舒國(guó)志，孟照輝，張朝剛

（深圳市房屋安全和工程質(zhì)量檢測(cè)中心 深圳 518052）

關(guān)鍵字：探地雷達(dá)；軟基處理；松散和空洞掃描；盾構(gòu)隧道施工

0 引言

探地雷達(dá)是一種高效的淺層地球物理探測(cè)技術(shù)［1］，廣泛應(yīng)用于工程建設(shè)的質(zhì)量檢測(cè)、病害診斷及地質(zhì)超前預(yù)報(bào)等各領(lǐng)域［2］，它通過(guò)發(fā)射高頻電磁脈沖波，利用地下介質(zhì)電性參數(shù)的差異［3］，根據(jù)回波的振幅、波形和頻率等運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特征來(lái)分析和推斷介質(zhì)結(jié)構(gòu)和物性特征［4］。深圳地區(qū)的發(fā)展受到陸域限制，在20世紀(jì)90年代開(kāi)始大面積移山填海，拓展陸域。深圳機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)擴(kuò)建工程-T4航站區(qū)軟基處理工程內(nèi)存在穗莞深城際鐵路和地鐵11 號(hào)線下穿盾構(gòu)隧道，在盾構(gòu)隧道施工過(guò)程中致使上覆土體形成松散、空洞等隱患，會(huì)對(duì)后期場(chǎng)地使用帶來(lái)質(zhì)量隱患。為確定松散及空洞位置，根據(jù)深圳地區(qū)工程實(shí)踐，選用了直觀、輕便、高分辨率的探地雷達(dá)法。

1 地形、地質(zhì)條件

根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料及本工程場(chǎng)地勘察資料表明，場(chǎng)地地層主要為第四系土層和長(zhǎng)城系混合花崗巖，未發(fā)現(xiàn)明顯的斷裂構(gòu)造，場(chǎng)地構(gòu)造穩(wěn)定性總體較好，但受區(qū)域構(gòu)造影響，揭露的中、微風(fēng)化混合花崗巖節(jié)理裂隙較發(fā)育。根據(jù)場(chǎng)地勘察資料，場(chǎng)地內(nèi)分布的地層主要有人工填土層、第四系海積層、沖洪積層及殘積層，下伏基巖為長(zhǎng)城系混合花崗巖。

場(chǎng)地存在臨時(shí)堆土，存在施工排水溝渠，存在堆筑的臨時(shí)施工道路，總體上地形較平坦。場(chǎng)地人工填土成分復(fù)雜且密實(shí)度變化較大，對(duì)雷達(dá)波速度校準(zhǔn)帶來(lái)一定的困難。人工填土層中塊石和殘存淤泥層對(duì)雷達(dá)圖像解釋帶來(lái)一定的困難。

2 研究模型建立

2.1 探地雷達(dá)原理

探地雷達(dá)是應(yīng)用高頻脈沖電磁波探測(cè)隱蔽介質(zhì)的分布，向被測(cè)物發(fā)射高頻寬帶短脈沖電磁波［5］，當(dāng)電磁波遇到不同介電特性的介質(zhì)就會(huì)有部分返回，接收反射波并記錄反射的時(shí)間［6］。根據(jù)接收到波的旅行時(shí)間（雙程走時(shí)）、幅度頻率與波形變化資料，可以推斷介質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及目標(biāo)體的深度、形狀等特征參數(shù)［7］。當(dāng)發(fā)射和接收天線沿物體表面逐點(diǎn)同步移動(dòng)時(shí)，就能得到其內(nèi)部介質(zhì)剖面圖像［8］，雷達(dá)記錄行程如圖1所示。

圖1 雷達(dá)記錄示意圖Fig.1 Schematic Diagram of Radar Recording

2.2 探地雷達(dá)基本參數(shù)

2.2.1 電磁脈沖波旅行時(shí)間t

式中：Z為勘查目標(biāo)體的埋深；x為發(fā)射、接收天線的距離；v為電磁波在介質(zhì)中的傳播速度。

2.2.2 電磁波在介質(zhì)中的傳播速度

式中：C 為電磁波在真空中的傳播速度；er為介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)；mr為介質(zhì)的相對(duì)磁導(dǎo)率。

2.2.3 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)：

式中：r為界面電磁波反射系數(shù)；e1為第一層介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)；e2為第二層介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)。

2.3 雷達(dá)干擾信號(hào)分析和驗(yàn)證

識(shí)別干擾波及目標(biāo)體的探地雷達(dá)圖像特征是進(jìn)行探地雷達(dá)圖像解釋的核心內(nèi)容［9］。探地雷達(dá)在接收有效信號(hào)的同時(shí)，也不可避免地接收到各種干擾信號(hào)，產(chǎn)生干擾信號(hào)的原因很多，干擾波一般都有特殊形狀，在分析中要加以辨別和確認(rèn)［10］。圖像解釋和識(shí)別異常是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)積累的過(guò)程，一方面基于探地雷達(dá)圖像的正演結(jié)果，另一方面由工程實(shí)踐成果獲得［11］。只有獲得高質(zhì)量的探地雷達(dá)圖像并能正確的判別異常，才能獲得可靠、準(zhǔn)確的探測(cè)解釋結(jié)果［12］。

為了提高檢測(cè)結(jié)果的可靠性和消除場(chǎng)地非探測(cè)目標(biāo)（淤泥、填石等）干擾，本次研究采用鉆芯法和高密度電法對(duì)解釋結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

3 探地雷達(dá)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

3.1 探地雷達(dá)試驗(yàn)方案制定

本次探測(cè)工作剖面布置原則如下：在隧道上方及隧道邊線外擴(kuò)10.0～20.0 m 范圍內(nèi)布置測(cè)網(wǎng)，采用探地雷達(dá)點(diǎn)測(cè)模式探測(cè)，點(diǎn)距0.5 m。沿隧道縱向（探地雷達(dá)縱向探測(cè)）按0.5 m點(diǎn)間距布設(shè)，隧道橫向按5.0 m線間距布設(shè)；垂直于隧道方向按0.5 m 點(diǎn)間距布設(shè)，沿線路方向范圍按5.0 m線間距布設(shè)。

3.2 探地雷達(dá)測(cè)量結(jié)果分析

本工程完成探地雷達(dá)測(cè)線2 615 條，測(cè)線總長(zhǎng)度107 258 m，雷達(dá)測(cè)點(diǎn)數(shù)239 037 點(diǎn)。本次檢測(cè)共檢測(cè)出236 處土體空洞松散與相對(duì)松散異常區(qū)，其中7 處土體空洞松散區(qū)，229處土體相對(duì)松散異常區(qū)。

4 雷達(dá)干擾信號(hào)驗(yàn)證

4.1 鉆孔驗(yàn)證

根據(jù)初步探查出的雷達(dá)異常點(diǎn)，選擇具有典型雷達(dá)異常特征的位置布設(shè)了6處鉆孔進(jìn)行驗(yàn)證，其中，地鐵11號(hào)線3處，穗莞深城際鐵路3處。

4.1.1 地鐵11號(hào)線區(qū)域異常點(diǎn)鉆孔驗(yàn)證

本區(qū)域選取3 個(gè)點(diǎn)進(jìn)行鉆孔驗(yàn)證。ZK01 用于驗(yàn)證5 標(biāo)地鐵11 號(hào)線探地雷達(dá)剖面1D-1E 中，位置在35.0～43.0 m，深度5.0～8.0 m 的雷達(dá)異常點(diǎn)。ZK02 用于驗(yàn)證5標(biāo)地鐵11號(hào)線探地雷達(dá)剖面6A-6B 中，位置在74.0～76.0 m，深度1.2～2.0 m 的雷達(dá)異常點(diǎn)。ZK03用于驗(yàn)證5標(biāo)地鐵11號(hào)線探地雷達(dá)剖面3B-3C 中，位置在40.0～50.0 m，深度2.2～5.0 m 的雷達(dá)異常點(diǎn)。相應(yīng)雷達(dá)剖面如圖2所示。

圖2 淤泥區(qū)域?qū)?yīng)探地雷達(dá)圖像Fig.2 Ground Penetrating Radar Image Corresponding to Area of Sludge

本區(qū)域，經(jīng)鉆孔驗(yàn)證，雷達(dá)異常大部分由高差較大下坡、地下淤泥引起，可以排除該類異常。

4.1.2 穗莞深城際鐵路區(qū)域異常點(diǎn)鉆孔驗(yàn)證

本區(qū)域選取3 個(gè)點(diǎn)進(jìn)行鉆孔驗(yàn)證。ZK04：總深6.0 m，1.5～1.8 m、2.1～3.0 m 有掉鉆現(xiàn)象，該雷達(dá)異常點(diǎn)應(yīng)為地下土體相對(duì)松散，局部存在空洞引起。ZK05：0.0～4.0 m 為填土，土質(zhì)較軟，4.0～4.2 m 為水泥塊，4.2～5.0 m 土層較密實(shí)，5.0 m 開(kāi)始鉆探感覺(jué)較易鉆進(jìn)，存在松散區(qū)。ZK06：0.0～2.0 m 為填土，2.0～2.2 m為花崗巖，2.2～7.0 m 為填土，5.0 m 開(kāi)始鉆探較易鉆進(jìn)，存在松散區(qū)。

4.2 高密度電法驗(yàn)證

根據(jù)初步探查出來(lái)的雷達(dá)異常，選擇具有典型雷達(dá)異常特征的位置布置了4 條高密度電法剖面，共230個(gè)測(cè)點(diǎn)。對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后得到最終的雷達(dá)剖面圖像，結(jié)合場(chǎng)地地質(zhì)地層劃分，結(jié)合高密度電法驗(yàn)證對(duì)比資料，總結(jié)出以下探地雷達(dá)剖面圖像特征：土體相對(duì)密實(shí)，無(wú)異常區(qū)域：探地雷達(dá)波形同相軸連續(xù)性較好，在色譜圖上無(wú)強(qiáng)反射區(qū)；淤泥區(qū)域內(nèi)，局部存在拋石引起的異常：色譜圖上出現(xiàn)強(qiáng)反射區(qū)，探地雷達(dá)圖像對(duì)應(yīng)高密度電法典型對(duì)比如圖3所示。

圖3 探地雷達(dá)圖像對(duì)應(yīng)高密度電法剖面GM2A-GM2B反演成果Fig.3 GM2A-GM2B Inversion Results of High Density Electrical Method Profile Corresponding to GPR Image

4.3 雷達(dá)圖像解釋

基于雷達(dá)掃描的軟基處理工程中空洞與松散體的檢測(cè)方法，獲得了空洞或土體松散等隱患的探地雷達(dá)波特征。疏松體波組形態(tài)為頂部形成連續(xù)的同向性反射波組、內(nèi)部波形結(jié)構(gòu)雜亂、繞射波較明顯、多次波較明顯；疏松體在相位與頻譜上表現(xiàn)為頂部反射波與入射波同向，底部反射波與入射波反向、頻率高于背景場(chǎng)［13］；脫空波組形態(tài)為頂部形成連續(xù)的同向性反射波組，表現(xiàn)為似平板狀形態(tài)、多次波明顯；脫空在相位與頻譜上表現(xiàn)為：頂部反射波與入射波同向，底部反射波與入射波反向、頻率高于背景場(chǎng)；空洞波組形態(tài)為似球形空洞反射波組表現(xiàn)為倒懸雙曲線形態(tài)［14］，似方形空洞反射波表現(xiàn)為正向連續(xù)平板狀形態(tài)、繞射波明顯、多次波明顯；空洞在相位與頻譜上表現(xiàn)為：頂部反射波與入射波同向，底部反射波與入射波反向、頻率高于背景場(chǎng)。

5 試驗(yàn)研究總結(jié)

經(jīng)過(guò)對(duì)實(shí)測(cè)雷達(dá)數(shù)據(jù)的分析，對(duì)所有剖面所獲得的異常數(shù)據(jù)，結(jié)合相關(guān)地質(zhì)勘察資料，進(jìn)行綜合解釋，最終獲得軟基處理工程中受隧道盾構(gòu)影響產(chǎn)生的空洞或土體松散空間分布。

通過(guò)本次研究，建立了基于雷達(dá)掃描隧道盾構(gòu)產(chǎn)生的空洞與松散體的檢測(cè)方法，解決了軟基處理時(shí)土體空洞或松散體位置不明確這一問(wèn)題，為空洞或松散體位置注漿處理提供依據(jù)。根據(jù)雷達(dá)掃描解釋結(jié)果確定的空洞或土體松散空間分布，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工有針對(duì)地進(jìn)行袖筏注漿加固軟基，確保了軟基處理質(zhì)量，達(dá)到了軟基加固處理的效果。