白文博，石艷軍

(中國(guó)葛洲壩集團(tuán)市政工程有限公司，武漢 430033)

0 引言

隨著近年城市現(xiàn)代化進(jìn)程的加速，各大城市均加快了對(duì)地鐵項(xiàng)目的建設(shè)。在建設(shè)過(guò)程中，由于城市地下空間結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，人工結(jié)構(gòu)物與天然地質(zhì)情況相互影響，地下構(gòu)筑物、復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)成勘測(cè)、監(jiān)測(cè)精細(xì)度對(duì)相關(guān)工程施工與設(shè)計(jì)的影響較大。地質(zhì)雷達(dá)勘探技術(shù)是一種較為快速、無(wú)損、連續(xù)監(jiān)測(cè)并實(shí)時(shí)呈現(xiàn)地下地質(zhì)構(gòu)造情況的測(cè)試手段，在地下工程監(jiān)測(cè)和地質(zhì)勘測(cè)中被廣泛使用。但由于現(xiàn)行的地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)過(guò)于依賴后期的調(diào)試濾波以及后期工程師的分析，具有較大的隨機(jī)性，造成了雷達(dá)勘測(cè)誤差較大，對(duì)施工后期的作業(yè)產(chǎn)生了極大影響。本研究對(duì)地下空洞的類型進(jìn)行分析，總結(jié)了不同類型空洞對(duì)波形的影響規(guī)律，并利用超前濾波手段對(duì)工程的波形進(jìn)行反向雷達(dá)干擾波段的設(shè)置，在測(cè)定過(guò)程中有效提升了地質(zhì)雷達(dá)勘測(cè)精度，這對(duì)于相關(guān)技術(shù)的提升與參考具有重要意義。本研究總結(jié)了城市地下空洞勘察的相關(guān)技術(shù)措施，依據(jù)地勘資料預(yù)測(cè)了相關(guān)空洞類型，反向分析雷達(dá)干擾波段，并加入濾波減少了雷達(dá)波的干擾，后期通過(guò)取樣驗(yàn)證該方法的準(zhǔn)確性。本研究對(duì)西安地鐵十四號(hào)線港務(wù)大道至賀韶村區(qū)間人防空洞范圍進(jìn)行了施工勘察，還對(duì)新型地質(zhì)雷達(dá)勘測(cè)方法進(jìn)行了驗(yàn)證，認(rèn)為該方法提升了勘測(cè)精度，能夠?yàn)楹罄m(xù)地下空洞的雷達(dá)監(jiān)測(cè)以及工程施工提供幫助。

1 城市地下空洞的電磁波反射規(guī)律

1.1 城市空洞形成的原因

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)以及資料的總結(jié)，城市地下空洞形成的原因一般有以下幾種情況：①地下水的抽取造成了地下水的垂直以及不同角度的緩滲流，在水頭梯度的作用下，造成了不同界面上的巖土體顆粒級(jí)配流失，會(huì)在級(jí)配較差的地層出現(xiàn)地下空洞。②地下管道開(kāi)挖回填的擊實(shí)工程不夠密實(shí)，管道附近的土體由于重力作用沉降，從而產(chǎn)生了土體空洞。③地下管道的漏水造成該地層的水壓急劇增高，出現(xiàn)了底層沖刷，從而產(chǎn)生空洞。④施工過(guò)程過(guò)快，造成部分地層形成了超靜孔水壓力，而且相關(guān)地層由于施工擾動(dòng)較為松散，施工后，在水壓散失過(guò)程中造成了地層空洞的形成。⑤人工空洞的廢棄以及相關(guān)人防工程的失修均會(huì)造成上方泥沙流失，從而產(chǎn)生地層空洞。

1.2 空洞的電磁波反射規(guī)律

①空氣填充型空洞。其介電常數(shù)值較小，電磁波衰減較快，會(huì)呈現(xiàn)出較高的電阻率。②地下水填充型空洞。其一般介電質(zhì)較大，而且水中的電磁波傳播速度較快，電阻率較低。③坍塌填充型空洞。由于填充物的不同會(huì)呈現(xiàn)出不同的電阻率，一般情況下介于前兩種情況之間。

2 新型地質(zhì)雷達(dá)勘察技術(shù)方法

2.1 地質(zhì)雷達(dá)基本技術(shù)

一般的地質(zhì)雷達(dá)勘查技術(shù)是采用地質(zhì)雷達(dá)與挖探相結(jié)合的方法來(lái)進(jìn)行施工勘察，為了提升其勘察精度，需在勘察后期對(duì)相關(guān)地層進(jìn)行鉆掘勘察，其技術(shù)如下：地質(zhì)雷達(dá)方法是基于電磁波在不同介質(zhì)中的傳播特性而被提出的，不同的地質(zhì)體(物體)具有不同的電性，當(dāng)發(fā)射天線發(fā)射的高頻電磁波遇到介電常數(shù)不同的界面時(shí)都會(huì)產(chǎn)生反射回波，并根據(jù)接收天線接收到反射回波的時(shí)間和形式來(lái)確定反射界面的距離，以判定反射體的可能性質(zhì)。反射信號(hào)的強(qiáng)度主要取決于上、下層介質(zhì)的電性差異，電性差越大，反射信號(hào)越強(qiáng)。雷達(dá)波的穿透深度主要取決于地下介質(zhì)的電性和波的頻率，電導(dǎo)率越高，穿透深度越小；頻率越高，穿透深度越小。

2.2 新型地質(zhì)雷達(dá)勘查技術(shù)

2.2.1 雷達(dá)干擾波設(shè)置

地質(zhì)雷達(dá)出現(xiàn)的主要問(wèn)題是干擾波段較為復(fù)雜，于是排除干擾波段、干擾物波段、提升雷達(dá)分辨率成為各雷達(dá)勘查技術(shù)的主要提升方面?？赏ㄟ^(guò)勘察分析來(lái)判斷相關(guān)空洞的形成類型，并依據(jù)不同的空洞進(jìn)行設(shè)置。如空氣填充型空洞大多是由于施工過(guò)快而形成的，廢棄的人工空洞因電磁波波段的介電常數(shù)較小，其設(shè)置掃描波段的波形可以調(diào)用相關(guān)波形的模式進(jìn)行套用分析。

2.2.2 雷達(dá)濾波設(shè)置

對(duì)干擾波進(jìn)行濾波設(shè)置時(shí)，當(dāng)出現(xiàn)相關(guān)類型的干擾物波段需提前進(jìn)行設(shè)置，如地下水填充型空洞，其中存在較多的溶洞孔吸聲等雜波，介電常數(shù)較大，傳播較快，可利用短波進(jìn)行相關(guān)測(cè)定?？筛鶕?jù)初步的地質(zhì)資料判斷空洞類型，提前調(diào)取空洞類型波段的模型，進(jìn)行空洞現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，并依據(jù)波形反饋對(duì)空洞類型進(jìn)行修正，判斷空洞的相關(guān)物理參數(shù)，遇到復(fù)雜地況可采用物探、鉆探進(jìn)行取樣，最終形成相關(guān)物探報(bào)告。

圖1 新型地質(zhì)雷達(dá)勘查技術(shù)流程Fig.1 Technique process of new type geological radar prospecting

3 工程應(yīng)用

3.1 工程概況

此人防工程位于白陳小學(xué)內(nèi)，在20世紀(jì)50～60年代挖掘而成，呈東西向走線，最深可達(dá)6～10 m。由于年代久遠(yuǎn)，現(xiàn)已不再使用，大部分已被填充或封閉，出入口處被村民留作地窖使用。由于填充質(zhì)量問(wèn)題，部分地表已塌陷，在地面多處產(chǎn)生淺坑、裂縫等，而且出入口處地窖現(xiàn)已廢棄，不再使用，預(yù)計(jì)為已經(jīng)進(jìn)水坍塌的類型三空洞。根據(jù)施工單位提供的總平圖，該人防工程侵入線路左線主體結(jié)構(gòu)范圍以內(nèi)，位置詳見(jiàn)圖2。

圖2 本次施工勘察平面位置示意圖Fig.2 Sketch map of roadwork and survey plan position approach

本次物探探測(cè)使用的儀器為美國(guó)勞雷公司生產(chǎn)的SIR-4000型地質(zhì)雷達(dá)，其中80 MHz天線和100 MHz天線的測(cè)量方式選用點(diǎn)測(cè)，點(diǎn)距均為0.5 m，350 MHz天線則選用連續(xù)測(cè)量的方式。

3.2 勘察目的與任務(wù)

本次施工勘察目的與任務(wù)為查明西安地鐵十四號(hào)線港務(wù)大道至賀韶村區(qū)間在白陳村白陳小學(xué)內(nèi)除建構(gòu)(筑)物以外人防空洞的分布范圍，具體勘察范圍為里程ZCK13+055～ ZCK13+115 m段，長(zhǎng)度為35 m，寬度為25 m，距線路右線左偏約10 m。

3.2.1 勘察工作量布置

在搜集關(guān)于人防工程已有資料的基礎(chǔ)上，再根據(jù)港務(wù)大道至賀韶村區(qū)間詳勘報(bào)告及現(xiàn)場(chǎng)踏勘的基礎(chǔ)上，本次地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)共計(jì)布置15條測(cè)線，具體工作量布置見(jiàn)表1。

表1 雷達(dá)工作量統(tǒng)計(jì)表Tab.1 Statistical table of radar workload

3.2.2 挖探

根據(jù)地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)的結(jié)果，對(duì)異常區(qū)進(jìn)行人工洛陽(yáng)鏟驗(yàn)證。

3.2.3 勘察工作量

本研究抽取1～5測(cè)線的成果進(jìn)行解釋說(shuō)明。

3.3 工程物探資料處理與成果解釋

3.3.1 雷達(dá)數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理是在RADAN專用軟件下進(jìn)行的，該軟件為隨機(jī)配備的數(shù)據(jù)后處理軟件，是視窗平臺(tái)，包括全套濾波、反褶積、數(shù)據(jù)編輯、偏移、比例調(diào)節(jié)、分層解釋。

3.3.2 雷達(dá)數(shù)據(jù)分析與解釋

數(shù)據(jù)處理后，根據(jù)反射波的吸收強(qiáng)弱、波形等特征在圖像上拾取相應(yīng)的介質(zhì)界面。地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)的物性特征是被測(cè)介質(zhì)的介電常數(shù)，但混凝土、空氣、水、砂石、土等介質(zhì)的介電常數(shù)均各不相同，如表2所示。

表2 各種介質(zhì)的介電常數(shù)Tab.2 Dielectric constant of mediums of all kinds

3.3.3 部分測(cè)線地質(zhì)解譯

測(cè)線1剖面長(zhǎng)度11 m，圖3(a)為普通天線剖面圖，圖3(b)為新型天線剖面圖。從圖3可以看出，該測(cè)線在5～8.3 m和9～10 m范圍內(nèi)，點(diǎn)號(hào)在11～19號(hào)和19～21號(hào)附近，異常深度范圍在7.5～12.5 m附近，雷達(dá)信號(hào)反射信息明顯，出現(xiàn)較強(qiáng)的反射波，推測(cè)地層脫空或存在空洞。19～21號(hào)點(diǎn)不排除干擾引起。

測(cè)線2剖面長(zhǎng)度10 m，該測(cè)線在0～2 m和5.8～8 m范圍內(nèi)，點(diǎn)號(hào)在1～5號(hào)和13～17號(hào)附近，異常深度范圍在6～10 m和13～17 m附近，雷達(dá)信號(hào)反射信息明顯，出現(xiàn)較強(qiáng)的反射波，推測(cè)地層脫空或存在空洞。

圖3 測(cè)線1地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)成果圖Fig.3 Result map of measuring line 1 geological radar acquisition

圖4 測(cè)線4地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)成果圖Fig.4 Result map of measuring line 4 geological radar acquisition

測(cè)線4普通天線剖面長(zhǎng)度9.5 m，新型天線剖面長(zhǎng)度10 m。圖4(a)為普通天線剖面圖，圖4(b)為新型天線剖面圖。從圖4可以看出，該測(cè)線在4～6 m和7.8～10 m范圍內(nèi)，點(diǎn)號(hào)在9～13號(hào)和17～21號(hào)附近，異常深度范圍在9.5～11.5 m和5～15 m附近，新型雷達(dá)方法信號(hào)反射信息明顯，出現(xiàn)較強(qiáng)的反射波，推測(cè)存在空洞。

測(cè)線5剖面長(zhǎng)度7 m，但中間有障礙物(鐵器)，只分析0～5 m。圖5(a)為普通天線剖面圖，圖5(b)為新型天線剖面圖。從圖5可以看出，該測(cè)線在1～3.5 m范圍內(nèi)，點(diǎn)號(hào)在3～8號(hào)附近，異常深度范圍在8～13 m附近，新型雷達(dá)方法信號(hào)反射信息明顯，出現(xiàn)較強(qiáng)的反射波，推測(cè)地層脫空或存在空洞。

圖5 測(cè)線5地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)成果圖Fig.5 Result map of measuring line 5 geological radar acquisition

3.4 異常點(diǎn)位置判定

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)、地質(zhì)調(diào)查和數(shù)據(jù)分析解釋工作之后，根據(jù)各條剖面的解釋結(jié)果確定出異常信息，發(fā)現(xiàn)共計(jì)5處異常，與新型雷達(dá)的探測(cè)結(jié)果較為符合，進(jìn)一步驗(yàn)證了新型雷達(dá)技術(shù)的優(yōu)越性，見(jiàn)表3。

表3 雷達(dá)異常統(tǒng)計(jì)表Tab.3 Statistical table of radar abnormality

4 結(jié)論

通過(guò)總結(jié)城市地下空洞形成的原因以及相應(yīng)的地球物理性質(zhì)，為地質(zhì)雷達(dá)的檢測(cè)分析方法提供了新的分析手段，提出了相關(guān)空洞組成條件，并依據(jù)反饋波段配合分析出相關(guān)空洞的具體類型，提出了新型雷達(dá)探測(cè)技術(shù)的思路。

雷達(dá)監(jiān)測(cè)分析中各向干擾源較多，可針對(duì)具備空洞的波段進(jìn)行分析，根據(jù)反射波的強(qiáng)弱、波形等特征來(lái)推測(cè)空洞、脫空、松散體以及地層內(nèi)欠密實(shí)等情況。當(dāng)?shù)貙映霈F(xiàn)空洞和脫空時(shí)，局部會(huì)出現(xiàn)較強(qiáng)的反射波或明顯出現(xiàn)反射波同相軸上凸現(xiàn)象，波形較長(zhǎng)，也可能出現(xiàn)多次反射波，預(yù)先判斷空洞形成類型再進(jìn)行勘察設(shè)計(jì)很有必要，以提升雷達(dá)波判斷的抗干擾精度。

對(duì)確認(rèn)的空洞地區(qū)以及疑似空洞地區(qū)進(jìn)行取樣分析，進(jìn)一步驗(yàn)證空洞類型，避免了雷達(dá)監(jiān)測(cè)的波段干擾造成工程誤探，進(jìn)一步驗(yàn)證了新型雷達(dá)監(jiān)測(cè)技術(shù)相對(duì)于普通雷達(dá)技術(shù)的優(yōu)越性。