探地雷达在隧道盾构产生松散体检测应用研究

舒国志，孟照辉，张朝刚

（深圳市房屋安全和工程质量检测中心 深圳 518052）

关键字：探地雷达；软基处理；松散和空洞扫描；盾构隧道施工

0 引言

探地雷达是一种高效的浅层地球物理探测技术［1］，广泛应用于工程建设的质量检测、病害诊断及地质超前预报等各领域［2］，它通过发射高频电磁脉冲波，利用地下介质电性参数的差异［3］，根据回波的振幅、波形和频率等运动学和动力学特征来分析和推断介质结构和物性特征［4］。深圳地区的发展受到陆域限制，在20世纪90年代开始大面积移山填海，拓展陆域。深圳机场飞行区扩建工程-T4航站区软基处理工程内存在穗莞深城际铁路和地铁11 号线下穿盾构隧道，在盾构隧道施工过程中致使上覆土体形成松散、空洞等隐患，会对后期场地使用带来质量隐患。为确定松散及空洞位置，根据深圳地区工程实践，选用了直观、轻便、高分辨率的探地雷达法。

1 地形、地质条件

根据区域地质资料及本工程场地勘察资料表明，场地地层主要为第四系土层和长城系混合花岗岩，未发现明显的断裂构造，场地构造稳定性总体较好，但受区域构造影响，揭露的中、微风化混合花岗岩节理裂隙较发育。根据场地勘察资料，场地内分布的地层主要有人工填土层、第四系海积层、冲洪积层及残积层，下伏基岩为长城系混合花岗岩。

场地存在临时堆土，存在施工排水沟渠，存在堆筑的临时施工道路，总体上地形较平坦。场地人工填土成分复杂且密实度变化较大，对雷达波速度校准带来一定的困难。人工填土层中块石和残存淤泥层对雷达图像解释带来一定的困难。

2 研究模型建立

2.1 探地雷达原理

探地雷达是应用高频脉冲电磁波探测隐蔽介质的分布，向被测物发射高频宽带短脉冲电磁波［5］，当电磁波遇到不同介电特性的介质就会有部分返回，接收反射波并记录反射的时间［6］。根据接收到波的旅行时间（双程走时）、幅度频率与波形变化资料，可以推断介质内部结构以及目标体的深度、形状等特征参数［7］。当发射和接收天线沿物体表面逐点同步移动时，就能得到其内部介质剖面图像［8］，雷达记录行程如图1所示。

图1 雷达记录示意图Fig.1 Schematic Diagram of Radar Recording

2.2 探地雷达基本参数

2.2.1 电磁脉冲波旅行时间t

式中：Z为勘查目标体的埋深；x为发射、接收天线的距离；v为电磁波在介质中的传播速度。

2.2.2 电磁波在介质中的传播速度

式中：C 为电磁波在真空中的传播速度；er为介质的相对介电常数；mr为介质的相对磁导率。

2.2.3 电磁波的反射系数

电磁波在介质传播过程中，当遇到相对介电常数明显变化的地质现象时，电磁波将产生反射及透射现象，其反射和透射能量的分配主要与异常变化界面的电磁波反射系数有关：

式中：r为界面电磁波反射系数；e1为第一层介质的相对介电常数；e2为第二层介质的相对介电常数。

2.3 雷达干扰信号分析和验证

识别干扰波及目标体的探地雷达图像特征是进行探地雷达图像解释的核心内容［9］。探地雷达在接收有效信号的同时，也不可避免地接收到各种干扰信号，产生干扰信号的原因很多，干扰波一般都有特殊形状，在分析中要加以辨别和确认［10］。图像解释和识别异常是一个经验积累的过程，一方面基于探地雷达图像的正演结果，另一方面由工程实践成果获得［11］。只有获得高质量的探地雷达图像并能正确的判别异常，才能获得可靠、准确的探测解释结果［12］。

为了提高检测结果的可靠性和消除场地非探测目标（淤泥、填石等）干扰，本次研究采用钻芯法和高密度电法对解释结果进行验证。

3 探地雷达现场试验

3.1 探地雷达试验方案制定

本次探测工作剖面布置原则如下：在隧道上方及隧道边线外扩10.0～20.0 m 范围内布置测网，采用探地雷达点测模式探测，点距0.5 m。沿隧道纵向（探地雷达纵向探测）按0.5 m点间距布设，隧道横向按5.0 m线间距布设；垂直于隧道方向按0.5 m 点间距布设，沿线路方向范围按5.0 m线间距布设。

3.2 探地雷达测量结果分析

本工程完成探地雷达测线2 615 条，测线总长度107 258 m，雷达测点数239 037 点。本次检测共检测出236 处土体空洞松散与相对松散异常区，其中7 处土体空洞松散区，229处土体相对松散异常区。

4 雷达干扰信号验证

4.1 钻孔验证

根据初步探查出的雷达异常点，选择具有典型雷达异常特征的位置布设了6处钻孔进行验证，其中，地铁11号线3处，穗莞深城际铁路3处。

4.1.1 地铁11号线区域异常点钻孔验证

本区域选取3 个点进行钻孔验证。ZK01 用于验证5 标地铁11 号线探地雷达剖面1D-1E 中，位置在35.0～43.0 m，深度5.0～8.0 m 的雷达异常点。ZK02 用于验证5标地铁11号线探地雷达剖面6A-6B 中，位置在74.0～76.0 m，深度1.2～2.0 m 的雷达异常点。ZK03用于验证5标地铁11号线探地雷达剖面3B-3C 中，位置在40.0～50.0 m，深度2.2～5.0 m 的雷达异常点。相应雷达剖面如图2所示。

图2 淤泥区域对应探地雷达图像Fig.2 Ground Penetrating Radar Image Corresponding to Area of Sludge

本区域，经钻孔验证，雷达异常大部分由高差较大下坡、地下淤泥引起，可以排除该类异常。

4.1.2 穗莞深城际铁路区域异常点钻孔验证

本区域选取3 个点进行钻孔验证。ZK04：总深6.0 m，1.5～1.8 m、2.1～3.0 m 有掉钻现象，该雷达异常点应为地下土体相对松散，局部存在空洞引起。ZK05：0.0～4.0 m 为填土，土质较软，4.0～4.2 m 为水泥块，4.2～5.0 m 土层较密实，5.0 m 开始钻探感觉较易钻进，存在松散区。ZK06：0.0～2.0 m 为填土，2.0～2.2 m为花岗岩，2.2～7.0 m 为填土，5.0 m 开始钻探较易钻进，存在松散区。

4.2 高密度电法验证

根据初步探查出来的雷达异常，选择具有典型雷达异常特征的位置布置了4 条高密度电法剖面，共230个测点。对原始数据进行处理后得到最终的雷达剖面图像，结合场地地质地层划分，结合高密度电法验证对比资料，总结出以下探地雷达剖面图像特征：土体相对密实，无异常区域：探地雷达波形同相轴连续性较好，在色谱图上无强反射区；淤泥区域内，局部存在抛石引起的异常：色谱图上出现强反射区，探地雷达图像对应高密度电法典型对比如图3所示。

图3 探地雷达图像对应高密度电法剖面GM2A-GM2B反演成果Fig.3 GM2A-GM2B Inversion Results of High Density Electrical Method Profile Corresponding to GPR Image

4.3 雷达图像解释

基于雷达扫描的软基处理工程中空洞与松散体的检测方法，获得了空洞或土体松散等隐患的探地雷达波特征。疏松体波组形态为顶部形成连续的同向性反射波组、内部波形结构杂乱、绕射波较明显、多次波较明显；疏松体在相位与频谱上表现为顶部反射波与入射波同向，底部反射波与入射波反向、频率高于背景场［13］；脱空波组形态为顶部形成连续的同向性反射波组，表现为似平板状形态、多次波明显；脱空在相位与频谱上表现为：顶部反射波与入射波同向，底部反射波与入射波反向、频率高于背景场；空洞波组形态为似球形空洞反射波组表现为倒悬双曲线形态［14］，似方形空洞反射波表现为正向连续平板状形态、绕射波明显、多次波明显；空洞在相位与频谱上表现为：顶部反射波与入射波同向，底部反射波与入射波反向、频率高于背景场。

5 试验研究总结

经过对实测雷达数据的分析，对所有剖面所获得的异常数据，结合相关地质勘察资料，进行综合解释，最终获得软基处理工程中受隧道盾构影响产生的空洞或土体松散空间分布。

通过本次研究，建立了基于雷达扫描隧道盾构产生的空洞与松散体的检测方法，解决了软基处理时土体空洞或松散体位置不明确这一问题，为空洞或松散体位置注浆处理提供依据。根据雷达扫描解释结果确定的空洞或土体松散空间分布，指导现场施工有针对地进行袖筏注浆加固软基，确保了软基处理质量，达到了软基加固处理的效果。