地质雷达在地铁隧道施工中的应用

李 强

(中铁十六局集团地铁工程有限公司，北京 100023)

0 引言

在隧道暗挖施工过程中，由于超挖、塌方、地下水以及土质松散(粉砂、圆砾)等因素对地层产生扰动后会留有空洞和土质疏松地段。如果这些地段不及时进行处理，会引起隧道上方地面的沉降和坍塌，使地面构筑物及道路受到破坏，造成严重的后果。使用地质雷达可以在隧道内部、隧道上方地面进行探测，提早发现问题并进行处理。本文简单介绍了地质雷达在地铁隧道施工中的检测原理、方法及应用分析。

1 地质雷达仪器简介

这里以美国GSSI公司生产的Sir-3000型地质雷达为例介绍地质雷达仪器的构成。Sir-3000系统是由主机、控制与显示、天线三大部分组成，系统由一台内置奔腾Ⅳ计算机控制数据采集、简单数据处理和显示。Sir-3000在地下工程中的应用主要是地层中深部的应用，此时采用的频段是100 MHz～900 MHz，各个频段的天线如图1所示，Sir-3000可以采用二维或者三维的模式进行扫描和成像。应用时通过主机在现场进行地质扫描，扫描的数据将生成DZT文件，再通过相关的软件进行数据的分析和处理，Sir-3000具有仪器轻便，自动化程度高，探测速度快，分辨率高的特点，在地铁工程建设领域得到了广泛的应用。

图1 不同频段地质雷达天线

2 地质雷达探测原理、参数和应用方法简述

地质雷达是一种无损探测的仪器，其原理和传统的空中雷达极为相似，但是应用于地下工程探测又有其不同的地方。它的基本原理就是利用电磁波在地下的传播进行工作，地质雷达发射宽频的电磁波脉冲作为信号，在其途经的所有地质情况中，遇到不同电性的物体和地质构造时都要反射回地面，由地面仪器的天线接收。高频的电磁波脉冲在地下传播时，它的路径、振幅、波长、反射强度等参数都受到它经过的介质的大小形态、电性、位置等因素的影响，所以接受天线通过分析发射电磁波的参数、数据，就能分辨和判断出地质体的空间位置和结构大小等信息。地质雷达工作的基本原理如图2所示。

在地质雷达探测中，分辨不同地质体依据的主要物理参数为地质体的介电常数εr，而在自然界中，不同岩土体的介电常数相差很多，这为我们采用地质雷达提供了很好的物理前提。一些典型地质体的介电常数参考值如表1所示。

图2 地质雷达工作原理图

表1 不同地质体的相对介电常数

分辨率和探测深度也是地质雷达的重要参数，在地下工程领域的应用中，地质雷达的探测深度直接影响到探测能触及的范围和仪器的可利用性情况;其分辨率的大小关系到地质雷达的精度和工程数据处理人员分析和理解数据的准确性。地质雷达的探测深度主要与雷达的发射，接受功率，天线增益，目标体的截面，目标深度传播媒介的散射损耗等参数有关系;其分辨率主要与波速，接收天线的频谱等参数有关，提高发射信号的带宽可以有效的提高地质雷达的垂直分辨率，提高接受信号频谱的带宽可以提高地质雷达的水平分辨率。地质雷达不同的频段与探测深度和分辨率的关系如表2所示。根据不同的工程性能要求应该选用不同的频段天线，在地下工程，市政工程中，我们常用的频段为100 MHz，400 MHz和900 MHz天线。

表2 地质雷达天线相应频率的探测深度和分辨率的经验值

在进行现场采集数据之前，首先要对地质雷达的参数进行选取和设置，因为选取参数的合理与否直接关系到采集数据的质量和我们采用地质雷达探测的应用效果，地质雷达参数设置主要包括以下几个方面:

1)确定介电常数，介电常数的值一般根据现场的实验来定;2)设置采样点数，采样点数的数量影响到扫描线的平滑性;3)确定时窗长度，时窗长度与地质雷达的探测深度密切相关;4)确定扫描数和扫描率，这项参数关系到雷达的分辨率，扫描数越多，分辨率越高;5)确定延时;6)设置滤波参数，滤波是为了改善雷达的成像质量。

在现场检测的工程中，往往还会有一些干扰信号会影响地质雷达的数据采集，应该注意，不能使电缆线和天线处于平行的位置，雷达系统应远离电线电缆，远离照明系统和高压电线，否则会干扰信号，造成成像质量不佳，甚至会损害到地质雷达系统。

3 地质雷达应用实例

北京地铁十号线二期11标段西局站—六里桥站区间右线始发井至六里桥车站区间隧道采用盾构法施工、浅埋暗挖法施工。其中采用盾构法施工的设计里程为K44+978.574～K45+051.322。该标段地形较为平坦，地面高程范围46.82 m～47.33 m，处于永定河冲积扇的中上部，为第四系全新统地层。其表层为人工填土层，层厚3 m～5 m;下有第四系新近沉积层，厚度不大，为2 m左右;新近沉积层以下则以密实的砂性土和卵石为主，暗挖隧道主要穿越卵石层。该标段工程地质条件差，管线较多，另外还要下穿西局村民房及横向下穿丰台北路，存在着塌方、地面不均匀沉降等施工风险，施工难度非常大，具有工期紧、施工难度大、高风险的特点。

针对上述施工特点及风险，施工方在施工过程中采用地质雷达对主要风险地段进行探测，对有问题的地段及时发现并进行相应的处理。

在整个盾构施工过程中，施工方都采用了地质雷达探测的方法对开挖的地质条件进行预先评估。在每段采用地质雷达前，技术人员均根据现场的地质情况设置了相应的地质雷达参数，来保证数据采集的准确性，并通过相应的数据分析，得到了比较可靠和接近真实情况的成像数据。如图3所示是当开挖至里程K45+021.022时采用地质雷达超前预报，分析、综合探测雷达数据后得到地质雷达成像图形。在取得现场探测的地质雷达数据之后，首先通过分辨反射波的振幅、相位等特征确定掌子面前方土体的分层情况，然后通过分析反射波组的波形和强度特征，确定反射波组的地质含义，最后经过相应的成像处理，生成可以用于指导现场生产的地质图像。在成像图中，椭圆中的部分颜色偏浅，地质雷达分层沉降图像变化相对紊乱，经过对应的数据分析，发现该部分为土质疏松;而如图4所示的地质雷达探测成像是良好土质条件，如果两者进行对比，可以很容易的发现地质疏松土质的成像规律。施工方在工程进行的前、中、后期都大量密集的应用了地质雷达探测技术，提前发现和暴露了一大批地质条件差，地层薄弱的地段，从而做到了早发现，及早采取措施，有效降低了施工风险。

图3 土质疏松地质雷达成像图

图4 土质良好地质雷达成像图

4 结语

通过地质雷达探测，可以准确探测到地层中的薄弱环节。通过分析管道顶线围土雷达波的相位、频率与振幅等特性，能够识别出因盾构施工形成的隧道顶部围土扰动异常，比如土质疏松、脱空或空洞等。而土质疏松的特点是围土层位形成明显变化且有沉降幅度，一般波及到上覆土层;脱空或空洞的特点是由于土层严重疏松引起的脱空或超挖等原因留有的空洞未被填实。

同时，通过地质雷达探测的分析结果，可以快速的做出地层处理的方案。由超挖等原因引起的疏松及脱空，应重新注浆处理;根据雷达成像图表显示有空洞的部位可以采用人工挖孔桩进行排查，如果发现有些地方土层不密实，甚至有空洞存在时，应采取相应措施进行加固处理。

由此可见，地质雷达探测技术在地铁工程中能够起到很好的空洞判断作用，能够有效的减少后续可能发生的安全、质量隐患，为工程勘察和施工带来了很大的便利。相信地质雷达探测技术在地下工程勘察和施工领域内会得到越来越广泛的应用。

［1］钟世航，王 荣.探地雷达检测隧道衬砌中的几个问题［J］.物探与化探，2002(9)：403-406.

［2］杨 峰，张全升，王鹏越.公路路基地质雷达探测技术研究［M］.北京：人民交通出版社，2009：123-150.