施延昭，張國鴻

（1 安徽省地質(zhì)實(shí)驗(yàn)研究所， 安徽合肥 230001；2 安徽省地球物理地球化學(xué)勘查技術(shù)院， 安徽合肥 230022）

探地雷達(dá)在治理城市塌陷區(qū)中的應(yīng)用

施延昭1，張國鴻2

（1 安徽省地質(zhì)實(shí)驗(yàn)研究所， 安徽合肥 230001；2 安徽省地球物理地球化學(xué)勘查技術(shù)院， 安徽合肥 230022）

探地雷達(dá)是利用寬帶高頻電磁波以脈沖形式來探測地表之下介質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)分布規(guī)律的一種地球物理方法。

探地雷達(dá)；高頻電磁波；塌陷區(qū)；質(zhì)量檢測

0 引言

路面塌陷經(jīng)過壓密注漿治理后，需了解灌注的密實(shí)程度和完整性，一般可進(jìn)行鉆孔抽芯或進(jìn)行無損檢測。探地雷達(dá)法是進(jìn)行路面質(zhì)量檢測的一種常用方法。然而在城區(qū)由于電磁干擾嚴(yán)重、人文活動(dòng)頻繁，探地雷達(dá)探測需用屏蔽結(jié)構(gòu)的收、發(fā)天線進(jìn)行。2015年3月合肥市地鐵1號(hào)線馬鞍山路地段在夜間發(fā)生路面塌陷，通過壓密注漿治理后恢復(fù)了交通。為了了解塌陷區(qū)壓密注漿工程質(zhì)量以及塌陷區(qū)附近路面是否存在塌陷隱患，我們分別使用了100MHz、250Hz兩種屏蔽式高頻天線的探地雷達(dá)進(jìn)行檢測，檢測結(jié)果認(rèn)為：塌陷區(qū)通過壓密注漿后，路基土體密實(shí)、完整，塌陷區(qū)附近路基不存在大面積的塌陷隱患。

1 探地雷達(dá)工作原理

探地雷達(dá)法（Ground Penetrating Radar Method）是利用探地雷達(dá)發(fā)射天線向目標(biāo)體發(fā)射高頻脈沖電磁波，由接收天線接收來自目標(biāo)體的反射電磁波，探測目標(biāo)體空間位置和分布的一種地球物理探測方法。其實(shí)際是利用目標(biāo)體與周圍介質(zhì)的電磁波的反射特性，對(duì)目標(biāo)體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和缺陷（或其他不均勻體）進(jìn)行探測。當(dāng)雷達(dá)系統(tǒng)利用天線向地下發(fā)射寬頻帶高頻電磁波，電磁波信號(hào)在介質(zhì)內(nèi)部傳播時(shí)遇到介電差異較大的介質(zhì)界面時(shí)，就會(huì)發(fā)生反射、透射和折射。兩種介質(zhì)的介電常數(shù)差異越大，反射的電磁波能量也越大；反射回的電磁波被與發(fā)射天線同步移動(dòng)的接收天線接收后，由雷達(dá)主機(jī)精確記錄下反射回的電磁波的運(yùn)動(dòng)特征，再通過信號(hào)技術(shù)處理，形成全斷面的掃描圖（如圖1）。

圖1 探地雷達(dá)探測原理示意圖Fig. 1 Schematic of ground penetrating radar （GPR）

1.1 高頻電磁波在介質(zhì)中傳播速度

（1）當(dāng)只考慮介質(zhì)的介電性，忽略介質(zhì)的導(dǎo)電性，高頻（平面）電磁波的傳播速度為：

（2）在導(dǎo)電介質(zhì)中，即考慮介質(zhì)的介電性，又考慮介質(zhì)的導(dǎo)電性，且為平面電磁波時(shí)，存在兩種情況：

（1）對(duì)于低損耗介質(zhì)：

（2）對(duì)于良導(dǎo)體：

上式中，μ—導(dǎo)磁率；ε—介電常數(shù)；εr—相對(duì)介電常數(shù)；σ—電導(dǎo)率。

1.2 探地雷達(dá)的探測深度［2］

探地雷達(dá)通過發(fā)射天線（T）將高頻電磁波由地面送入地下，經(jīng)地層或目標(biāo)體反射后返回地面，然后用另一接收天線（R）進(jìn)行接收（圖2）。電磁波旅行時(shí)為：

圖2 探地雷達(dá)反射測深原理圖Fig. 2 Schematic of GPR reflective sounding

由于屏蔽式高頻探地雷達(dá)接收天線（R）與發(fā)射天線（T）相距很近，即x≈0，所以（4）式變?yōu)椋?/p>

h≈0.5υt （5）

將（1）式代入（5）式，得：

當(dāng)?shù)叵陆橘|(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)為已知時(shí)，根據(jù)精確測得的電磁波走時(shí)t（ns），由（6） 式求出反射物的深度（m）。

2 城市塌陷區(qū)應(yīng)用實(shí)例

2.1 工程地質(zhì)概況

據(jù)合肥市馬鞍山路高架橋工程場地勘察資料，路面之下的路基土具有五層結(jié)構(gòu)。從上至下分別為：建筑土→粉質(zhì)黏土→淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土→粉土→粉沙→砂質(zhì)泥巖（圖3）。其中，淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土分布于二里河的河道附近，它屬于軟弱層，它若流失，將會(huì)帶動(dòng)其上下粉質(zhì)土發(fā)生移動(dòng)，造成上層地基土的塌陷。

圖3 塌陷區(qū)工程地質(zhì)剖面Fig. 3 Engineering geology section of asubsidence

2.2 塌陷粉土的原因分析

塌陷區(qū)位于合肥市馬鞍上路與航運(yùn)巷交口南處（圖4）。據(jù)調(diào)查，該地段北側(cè)地下有近東西向的二里河經(jīng)過，地下管網(wǎng)縱橫交錯(cuò)。由于二里河改造為“U”型箱體結(jié)構(gòu)，兩側(cè)土層不夠密實(shí)，加之地下供水水管可能長期滲漏以及地下地鐵1號(hào)線的施工，給該地段地基土帶來流失和擾動(dòng)，最終造成了地面塌陷。因此，除了應(yīng)對(duì)塌陷區(qū)壓密注漿的質(zhì)量進(jìn)行檢測外，檢測重點(diǎn)應(yīng)放在二里河河道的兩側(cè)地段。

圖4 塌陷區(qū)現(xiàn)場照片F(xiàn)ig. 4 Subsidence site

2.3 工程檢測結(jié)果

2.3.1 檢測結(jié)果

圖5 探地雷達(dá)檢測剖面布置圖Fig.5 GPR inspection section arrangement

2.3.1.1 南北向檢測剖面結(jié)果

圖6、圖7分別是5號(hào)剖面

圖6 5號(hào)剖面250MHz天線探地雷達(dá)圖像Fig.6 Profile 5 image of GPR with 250MHz antenna

圖7 5號(hào)剖面100MHz天線探地雷達(dá)圖像Fig.7 Profile 5 image of GPR with 100MHz antenna

檢測范圍為二里河兩側(cè)（包括塌陷區(qū)），檢測剖面為南北向和東西向，測網(wǎng)密度為2m×2m，在二里河及其兩側(cè)，測線距加密至1m，見圖5。250MHz和100MHz天線的探地雷達(dá)檢測的圖像結(jié)果，剖面位置見圖5。兩種頻率檢測結(jié)果的探地雷達(dá)圖像反射特征幾乎完全一致，主要表現(xiàn)為：位于剖面中部的23～38m處均出現(xiàn)強(qiáng)發(fā)射，兩端點(diǎn)出現(xiàn)明顯的繞射現(xiàn)象，反射波呈向上的弧形狀，在強(qiáng)反射段的兩側(cè)區(qū)域均表現(xiàn)為平靜的水平層狀弱反射現(xiàn)象。據(jù)此探地雷達(dá)反射波的圖像特征，我們認(rèn)為：強(qiáng)反射區(qū)是二里河河道“U”箱體的結(jié)構(gòu)引起；二里河道兩側(cè)地下介質(zhì)呈水平層狀，因?yàn)槿醴瓷?，所以介質(zhì)上下為較均勻結(jié)構(gòu)，不存在松散的空腔體。

圖8 16號(hào)剖面250MHz天線探地雷達(dá)圖像Fig.8 Profile 16 image of GPR with 250MHz antenna

2.3.1.2 塌陷區(qū)東西向檢測剖面

圖8、圖9分別是橫切塌陷區(qū)的16號(hào)剖面250MHz和100MHz天線的探地雷達(dá)檢測的圖像結(jié)果，剖面位置見圖5。探地雷達(dá)反射波圖像表現(xiàn)為同向軸連續(xù)的反射特征，沒有出現(xiàn)強(qiáng)反射區(qū)域，說明地下介質(zhì)比較均勻，也就是說塌陷區(qū)經(jīng)過壓密注漿后，地基結(jié)構(gòu)密實(shí)、完整。在250MHz的反射剖面上2～3m處出現(xiàn)了局部強(qiáng)反射弧，此強(qiáng)反射弧是地表金屬窨井蓋造成的，在圖9中窨井蓋處卻沒有出現(xiàn)強(qiáng)反射弧現(xiàn)象，說明對(duì)于近地表的孤立體必須采用高頻天線進(jìn)行檢測。

圖9 16號(hào)剖面100MHz天線探地雷達(dá)圖像Fig.9 Profile 16 image of GPR with 100MHz antenna

表1 正演模型Table 1 Forward modeling

2.3.2 正演結(jié)果（ 表1）

2.3.2.1 二里河河道正演

圖10 二里河河道探地雷達(dá)正演結(jié)果圖像Fig.10 GPR forward modeling image of the Erlihe stream course

圖10是依據(jù)上述介質(zhì)模型的正演結(jié)果。由圖可見，在模型的河道位置探地雷達(dá)反射圖像出現(xiàn)了強(qiáng)反射“U”型區(qū)，發(fā)射區(qū)內(nèi)出現(xiàn)了多次反射現(xiàn)象；兩側(cè)為水平層狀反射波，反映為正演模型的層狀介質(zhì)結(jié)構(gòu)。因此，通過正演結(jié)果的反射波圖像特征，佐證了我們?cè)趯?shí)際檢測工作中推斷二里河位置是正確的。2.3.2.2 路基土層中的空腔體

圖11是模擬二里河南側(cè)的塌陷區(qū)內(nèi)路基土中存在一個(gè)空腔體的正演結(jié)果。由圖可見，在空腔體位置，反射波同向軸發(fā)生錯(cuò)斷，反射波能量增強(qiáng)，兩端點(diǎn)出現(xiàn)明顯的繞射現(xiàn)象。而實(shí)際檢測結(jié)果的探地雷達(dá)反射圖像在塌陷區(qū)內(nèi)沒有出現(xiàn)上述反射現(xiàn)象，說明塌陷區(qū)經(jīng)壓密注漿治理后，地基土完整、密實(shí)，治理質(zhì)量良好。

圖11 地基土中空腔體探地雷達(dá)正演結(jié)果圖像Fig.11 GPR forward modeling image of an open-ended cavity in foundation

3 結(jié)語

評(píng)價(jià)地面塌陷區(qū)工程治理質(zhì)量，使用探地雷達(dá)方法進(jìn)行檢測是行之有效的。對(duì)已發(fā)生的地面塌陷區(qū)周圍是否存在次生塌陷災(zāi)害，首先要調(diào)查、了解導(dǎo)致地面塌陷的主要原因，然后對(duì)發(fā)生塌陷的源區(qū)四周作為進(jìn)一步檢測的靶區(qū)進(jìn)行檢測。使用探地雷達(dá)方法進(jìn)行城市地面塌陷區(qū)的檢測，由于城區(qū)電磁、人文活動(dòng)的干擾，探地雷達(dá)天線必須是屏蔽式的。對(duì)于極淺部（小于1m）的災(zāi)害體，需使用大于200MHz的高頻天線進(jìn)行檢測。

［1］ 曾昭發(fā)，劉四新，王者江，等.探地雷達(dá)方法原理及應(yīng)用［M］.北京：科學(xué)出版社，2006∶8～16.

［2］ 李金銘.地電場與電法勘探［M］. 北京：地質(zhì)出版社，2005∶443～447.GROUND PENETRATING RADAR APPLIED IN TREATMENT OF SUBSIDENCE IN A CITY

SHI Yan-zhao1， ZHANG Guo-hong2
（1.Institute of Geoanalysis of Anhui Province， Hefei， Anhui 230001， China； 2. Institute of Geophysical and Geochemical Survey Technology of Anhui Province， Hefei， Anhui 230022， China）

∶ Ground penetrating radar is a means to detect internal structure and distribution law of underground medium by broadband high-frequency electromagnetic wave， and has been widely applied in many fields such as hazard geology exploration， geotechnical survey and engineering quality inspection. This paper brought an example of the technique used in engineering quality inspection of treatment of city subsidence， by comparison of the detection result of the radar with two high-frequency antennas with 2D model forward modeling result， gave a definite conclusion on the treatment quality and whether a hidden subsidence exists or not.

∶ ground penetrating radar； high-frequency electromagnetic wave； subsidence area； quality inspection

P631.5

A

2015-01-13

施延昭（1987-），男，安徽宣城人，助理工程師，現(xiàn)主要從事地球物理檢測工作。

1005-6157（2016）02-0117-4

它廣泛用于災(zāi)害地質(zhì)勘查、巖土工程調(diào)查和工程質(zhì)量檢測等眾多領(lǐng)域。本文給出了一個(gè)在治理城市塌陷區(qū)的工程質(zhì)量檢測中的應(yīng)用實(shí)例，通過兩種高頻天線的探地雷達(dá)檢測和二維模型正演結(jié)果對(duì)比，對(duì)塌陷區(qū)治理質(zhì)量以及是否存在隱伏塌陷隱患給出了明確的結(jié)語。