基于地质雷达的地铁工程空洞调查

张海林,宋明艺,陈敬国

(1.西北大学地质学系，陕西 西安 710065；2.延长油田股份有限公司，陕西 延安 716000；3. 广东省有色金属地质勘查局地质勘查研究院，广东 广州 510080；4.中国石油集团东方地球物理公司华北物探处，河北 任丘 062552)



基于地质雷达的地铁工程空洞调查

张海林1,2,宋明艺3,陈敬国4

(1.西北大学地质学系，陕西 西安 710065；2.延长油田股份有限公司，陕西 延安 716000；3. 广东省有色金属地质勘查局地质勘查研究院，广东 广州 510080；4.中国石油集团东方地球物理公司华北物探处，河北 任丘 062552)

[摘要]在简要介绍北京某地铁工程工程地质背景的基础上，提出了在盾构法施工区间地质雷达测线布置方法，通过对探测成果的分析研究及对部分异常的挖探验证，确定了空洞异常的分布范围及其性质。结果表明，F站～L站区间内共发现有3处明显的土体异常：1号和3号异常为土层严重疏松，2号异常为土体脱空；地质雷达能准确地探测土层疏松以及空洞异常，进而提供地下空洞基础资料。

[关键词]空洞调查；异常识别；地铁工程；地质雷达

地质雷达是近年来应用于浅层地质构造、岩性检测的一项新技术，其特点是快速、无损、连续检测，并以实时成像方式显示地下结构剖面，使探测结果一目了然，分析、判读直观方便[1]。随着工程地球物理方法和理论的不断发展，其应用领域迅速扩大，现在已在岩土工程勘察、水文地质勘察、工程质量检测、地下埋藏物探测、塌陷和岩溶勘察、矿产资源勘探以及考古等众多领域得到广泛应用[2-6]。

随着城市现代化的发展，国内各大城市加快地铁工程建设的步伐。为了消除安全隐患，确保地铁工程施工安全和周边环境安全，有必要对地铁工程进行空洞调查。地质雷达作为一种高分辨率探测技术，能够探明施工区域地下空洞及疏松土层等病害异常，确保地铁工程施工安全和周边环境安全，近年来得到了普遍的应用。

北京某地铁工程采用盾构法施工，左线长1 506 m，右线长1 409 m。为了避免施工过程中，由于地下空洞等异常对周边环境和施工安全造成不良影响，利用地质雷达技术对该地铁工程施工区域进行了地下空洞调查。

1工程地质背景

该地铁工程施工区域建筑物较为密集，主要为商业用房和高层住宅。该施工区域土层分布较为稳定，按地层沉积年代及成因类型，可划分为人工堆积层、近代沉积层、第四纪晚更新世冲洪积层以及新近纪天坛组四大类。地下水类型主要为潜水，水位埋深21.26～26.24 m，水位标高为21.09～22.75 m，主要含水层为卵石层。

该施工区域填土层普遍分布，主要为粉土填土层、杂填土层以及圆砾填土层。填土厚度一般约为1.8～3.5 m，土层松散～中密，力学性质差异较大，稳定性较差。

该施工区域近代沉积土层也普遍分布，包括粉土层、粉细砂层以及圆砾层。土层厚度约为1.9～5.1m，以中密为主，土体自稳能力较差。

2方法技术

本次地下空洞调查采用美国地球物理勘探仪器设备公司(GSSI)生产的SIR-3000型地质雷达仪。依据建设单位首次空洞调查技术标准及工作要求，需要对工作区域附近地下埋深5米范围内是否存在空洞及疏松土层等病害异常进行地质雷达探测。根据探测目的，探测选用100 MHz天线。

施工区域采用盾构法施工，盾构区间隧道应在规定的探测区域范围内，沿隧道走向方向布设测线，在左、右线隧道的上方各布设测线，共布置6条测线，测线布置见图1。其中中间一条测线位于隧道中心线对应的地面位置，两侧再各布设1条测线，测线间距为4 m。

图1　测线布置断面图

3资料处理与解释

数据处理主要采用了预处理、增益调整、零线标定、背景去噪、滤波等，达到雷达图像能真实反映下伏土层的特征。处理后雷达波异常剖面显示，横坐标为水平距离；纵坐标为电磁波双程时间，以纳秒(ns)为单位。根据以往类似工作经验[7-9]，确定电磁波速度，最后换算出纵坐标以深度距离米(m)为单位。

在对雷达剖面进行解释时，常采用对比的方法来识别回波的特征，如回波的相位特征(波峰、波谷沿测线上的变化)、回波的形态特征(波形、波幅、周期以及包络线形态等)。因此，在对雷达异常进行识别的过程中，通常以反射波能量、背景回波、波形的相似性以及连续性作为主要依据。

本次探测的疏松、脱空异常在雷达图像上的反映为反射波同相轴不连续，并向上弯曲，反射波能量强(特别是含水量大的疏松、脱空区)，其回波振幅也反映较强和明显。依据路面下土层雷达波的相位、频率与幅值变化进行综合定性判别，从所发现异常中剔除土层的自然沉积与填堆积的变化，以及地下管线、地下构筑物或地面各种干扰物引起的异常，将确定的异常按程度划分为：脱空异常、土层严重疏松异常、土层中等疏松异常。

本次工作中现场采集的正常地段雷达图像见图2，可看出雷达反射波同相轴连续，振幅、相位和频率无明显变化，无异常回波反射，表明地面下土层稳定、密实。

图2　正常地段雷达图像

探测区域地下管线、地面条件等干扰较多，特别是局部地段路边停放有车辆，给外业工作和资料解释带来一定影响，这些干扰因素在雷达探测成果图中均有体现。经过对探测成果的细致分析，施工区域共发现有3处明显的土体异常。

1号异常雷达反射波同相轴不连续，振幅、相位和频率变化明显，反射波能量较强，其回波振幅也反映较强和明显，在雷达记录上沿测线延伸长度约3 m，深度约1.3～3.0 m。推断1号异常性质为土层严重疏松，雷达异常显示图像见图3。

图3　1号异常雷达图像

2号异常雷达反射波同相轴不连续，并向上弯曲，振幅、相位和频率明显变化，反射波能量强，其回波振幅也反映较强和明显，在雷达记录上沿测线延伸长度约3 m，深度约2.0～4.0 m。推断2号异常性质为土层脱空，雷达异常显示图像见图4。

图4　2号异常雷达图像

3号异常雷达反射波同相轴不连续，振幅、相位和频率变化明显，反射波能量较强，其回波振幅也反映较强和明显，在雷达记录上沿测线延伸长度约13 m，深度约1.0～2.7 m。推断3号异常性质为土层严重疏松，雷达异常显示图像见图5。

图5　3号异常雷达图像

4检测结果验证

为了确保雷达检测资料的可靠性，验证其科学性与精度，对各类异常有必要进行验证[10]。本次验证工作主要针对所解释的疏松、脱空异常采用洛阳铲人工挖探的方式进行验证，利用实际挖探过程地层的变化情况对探测结果进行验证，该方法具有直观、准确等特点。在实际挖探过程中，由于不能对道路、现有大型构(建)筑物及其他公共设置产生破坏，位于道路上的2号、3号异常点未能验证。

验证结果表明，1号异常性质为土层严重疏松，深度为1.5～3.5 m，与解释结果非常吻合。该异常的形成可能是由于异常区域前期地下管线施工过程土体开挖回填不密实及道路下方土体不密实并受上层滞水影响造成。

5结语

(1) 正常地段雷达雷达反射波同相轴连续，振幅、相位和频率无明显变化，无异常回波反射，表明地面下土层稳定、密实；疏松、空洞异常在雷达图像上的反映为反射波同相轴不连续，并向上弯曲，反射波能量强，其回波振幅也反映较强和明显。

(2) 施工区域内共发现有3处明显的土体异常：1号和3号异常为土层严重疏松，2号异常为土体脱空。

(3) 地质雷达能准确地探测土层疏松以及脱空异常，进而提供地下空洞基础资料，以便采取有效处理措施，消除安全隐患，确保地铁工程施工安全和周边环境安全。

参考文献

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[2]谢昭晖,李金铭. 我国地质雷达的应用现状及展望[J].工程勘察. 2007,11:71-75.

[3]李嘉,郭成超,王复明,等. 探地雷达应用概述[J].地球物理学进展. 2007,22(2):629-636.

[4]陈培德. 地质雷达检测技术在隧道衬砌质量检测中的应用[J].中外公路. 2010, 30(2): 182-185.

[5]李华, 焦彦杰, 杨俊波. 浅析地质雷达技术在我国的发展及应用[J]. 物探化探计算技术. 2010, 32(3): 292-299.

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[8]高阳,张庆松,原小帅,等. 地质雷达在岩溶隧道超前预报中的应用[J]. 山东大学学报(工学版). 2009, 39(4): 82-86.

[9]刘传孝,蒋金泉,杨永杰. 地质雷达应用于探测拱桥、空洞的效果验证[J]. 岩土力学. 2001, 22(1):106-108.

[10]汪兴旺,李建华. 探地雷达技术在隧道衬砌质量检测中的应用[J]. 成都理工大学学报(自然科学版). 2007, 34(3):354-358.

[收稿日期]2015-03-14

[基金项目]陕西省教育厅专项科研计划项目资助(14JK1579)

[作者简介]张海林(1979-)，男，陕西榆林人，工程师，主要从事油气田勘探开发及物探资料解释工作。

[中图分类号]P641.2

[文献标识码]A

[文章编号]1004-1184(2016)01-0246-02