張亞彬，孫富學(xué)，龔敦紅，徐力衙，李俊強(qiáng)

(1.溫州大學(xué) 建筑工程學(xué)院，浙江 溫州 325000； 2.溫州工程勘察院有限公司，浙江 溫州 325000； 3.溫州市自來(lái)水有限公司，浙江 溫州 325000)

近年來(lái)，我國(guó)大中城市都在最大限度利用地下空間來(lái)解決發(fā)展用地不足問(wèn)題，地下綜合管廊、地鐵等成為城市拓展發(fā)展空間最重要的基礎(chǔ)設(shè)施選擇。沉井施工技術(shù)[1]具有施工方便、對(duì)周圍建筑物影響小等優(yōu)點(diǎn)，由于施工條件限制以及地質(zhì)環(huán)境的復(fù)雜性，雖然對(duì)沉井周圍的地面采取地下連續(xù)墻、拉森鋼板樁等多種形式的止水帷幕措施，但是在沉井下沉施工過(guò)程中也會(huì)不可避免的引起地下水位降低、水土流失、流砂等地層損失現(xiàn)象，最終導(dǎo)致諸如周圍地面沉降、脫空甚至塌陷等災(zāi)害[2]。施工造成頻繁的地面不均勻沉降、塌陷災(zāi)害已經(jīng)嚴(yán)重威脅到了人民群眾的生命安全，如2019年12月1日上午，廣州大道北與禹東西路交叉口發(fā)生多次地面塌陷造成三人失蹤，2019年12月12日晚，廈門地鐵呂厝路口因施工因素發(fā)生500平方米塌陷造成主水管爆裂，淹沒(méi)附近地鐵站。針對(duì)各個(gè)大中城市頻繁出現(xiàn)的地面塌陷災(zāi)害，利用探地雷達(dá)便捷、分辨率高的優(yōu)點(diǎn)[3]，通過(guò)介紹探地雷達(dá)的原理[4]和基本使用方法，包括測(cè)線布置、數(shù)據(jù)參數(shù)設(shè)置采集，對(duì)甌江路接收井在下沉施工過(guò)程引發(fā)的地面沉降進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，探測(cè)沉降區(qū)可能存在的地質(zhì)不良體的類型、范圍，判斷危險(xiǎn)程度，為采取注漿加固措施提供指導(dǎo)。

1 工程概況

接收井位于甌江路西側(cè)綠地內(nèi)，沉井內(nèi)徑為Φ12 m，壁厚1.1 m，總高度30.42 m，距離外徑2.7 m采用單排深19.5 m拉森鋼板樁做止水帷幕；出洞口加固范圍為6×10.14×10.14(m)，采用高壓旋噴樁地基加固，工程區(qū)內(nèi)地表水主要為甌江江水，地下水為甌江路一側(cè)以及七都島一側(cè)的地下潛水及承壓水。地表水主要受潮汐影響較大，與地下水存在一定水力聯(lián)系，沉井下沉施工時(shí)主要涉及的土層及其物理參數(shù)如表1所示。

表1 地層及其物理參數(shù)

該沉井采用五節(jié)制作二次下沉方式如表2所示。沉井采用法排水下沉?xí)r，用水力沖泥取土、泥漿泵排泥，依靠沉井自重下沉到設(shè)計(jì)標(biāo)高。挖土下沉,取土順序?yàn)橄戎醒牒笏闹?，并沿刃腳留出土臺(tái)，最后對(duì)稱分層沖挖，保持高壓水槍沖入井底的泥漿量和滲入的水量與水力吸泥機(jī)吸出的泥漿量保持平衡。

一般情況下，沉井施工可能引起的地面沉降災(zāi)害類型及其特征[5]比較復(fù)雜如表3所示，災(zāi)害發(fā)展多為逐漸積累爆發(fā)的過(guò)程、存在多種災(zāi)害共存現(xiàn)象，技術(shù)人員需要擁有豐富的工程經(jīng)驗(yàn)才能準(zhǔn)確的判斷地質(zhì)災(zāi)害。

表2 甌江路沉井分節(jié)制作、分次下沉表 單位：(m)

表3 地下災(zāi)害類型及特征

2 探地雷達(dá)技術(shù)原理

探地雷達(dá)(Ground Penetrating Radar，簡(jiǎn)稱 GPR)是現(xiàn)階段探測(cè)地面沉降、地層脫空等不良地質(zhì)體最便捷高效的儀器，主要由主機(jī)、天線及數(shù)據(jù)處理軟件等組成如圖1所示。

圖1 探地雷達(dá)工作示意圖

由置于地面的發(fā)射天線不斷向地下發(fā)射高頻率電磁波束[6]，當(dāng)電磁波在地下傳播過(guò)程中遇到地下不同介質(zhì)結(jié)構(gòu)體(介電常數(shù)不同)時(shí)，傳播路徑也將發(fā)生變化，一部分發(fā)生折射透過(guò)界面繼續(xù)向下傳播，另一部分反射到地面被接收天線接收，通過(guò)大線傳播、由主機(jī)記錄如圖1所示，高頻電磁波在介質(zhì)體傳播過(guò)程中，其電場(chǎng)強(qiáng)度和波形會(huì)隨著不同介質(zhì)體的介電常數(shù)[7]差異發(fā)生波形和幅度的變化。通過(guò)后期數(shù)據(jù)處理，依據(jù)波形/振幅及衰減等信號(hào)特征進(jìn)行判斷地下不良地質(zhì)體的空間位置。

探地雷達(dá)在不斷向地下發(fā)射電磁波束過(guò)程中，雷達(dá)主機(jī)可以自動(dòng)記錄發(fā)射波與反射接收波的時(shí)間差 ΔT，電磁波在同一種介質(zhì)中的傳播速度 V 是固定的，即可算出地下探測(cè)異常體的大概深度 H：

(1)

(1)式中，H 即為目標(biāo)的深度.V 是電磁波在地下介質(zhì)中的傳播速度，其大小可表示為:

(2)

(2)式中，C是電磁波在真空中的傳播速度，大約為 30×108m/s;ε為地層的介電常數(shù)。反射信號(hào)的振幅與介質(zhì)的反射系數(shù)成正比，在以位移電流為主的低損耗介質(zhì)中，反射系數(shù)r可表示為:

(3)

(3)式中，ε1、ε2 為界面上、下介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)，常見物質(zhì)的介電常數(shù)如表4所示。

表4 常見物質(zhì)介電常數(shù)

3 現(xiàn)場(chǎng)工作方法

檢測(cè)設(shè)備使用的是美國(guó)勞雷公司(GSSI)生產(chǎn)SIR-3000型探地雷達(dá)，該雷達(dá)體積小、攜帶方便、功能強(qiáng)大[8]，MLF多頻組合天線能夠按照需要組合多種頻率天線，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)多次試驗(yàn)對(duì)比，本次采用80 MHz天線以時(shí)間測(cè)量模式采集檢測(cè)數(shù)據(jù)，儀器設(shè)置主要參數(shù)如表5所示。

表5 主要數(shù)據(jù)設(shè)置參數(shù)

測(cè)線布置要覆蓋沉降區(qū)(圖2深色標(biāo)記區(qū))，現(xiàn)場(chǎng)采用紅油漆劃線打點(diǎn)標(biāo)記，布置相距兩米的平行測(cè)線如圖3所示，技術(shù)人員拖動(dòng)天線沿著測(cè)線勻速檢測(cè)并進(jìn)行往返復(fù)測(cè)，記錄好檢測(cè)數(shù)據(jù)編號(hào)與現(xiàn)場(chǎng)對(duì)應(yīng)的位置、方向，方便準(zhǔn)確判斷地下不良地質(zhì)體位置。施工現(xiàn)場(chǎng)是素混凝土硬化地面，場(chǎng)地發(fā)生不均勻沉降，探測(cè)時(shí)確保天線與地面耦合(接觸)，布置的測(cè)線長(zhǎng)度要同時(shí)經(jīng)過(guò)沉降異常區(qū)和正常地段形成對(duì)比效果，測(cè)量過(guò)程避開地下管線、金屬物等干擾。

圖2 沉降區(qū)標(biāo)記示意圖

圖3 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)線布置圖

4 數(shù)據(jù)處理及解譯

隨著雷達(dá)數(shù)據(jù)處理軟件不斷優(yōu)化，相關(guān)處理步驟更加簡(jiǎn)捷，圖形顯示方式更加豐富，為技術(shù)人員處理數(shù)據(jù)提供很大的幫助。常規(guī)的數(shù)據(jù)處理步驟包括時(shí)間零點(diǎn)矯正、背景去除、帶通濾波、增益顯示等[9]，技術(shù)人員可以根據(jù)視圖化需要進(jìn)一步進(jìn)行拉伸、壓縮、圖片顏色渲染等操作，增加圖片結(jié)果的可辨別性。經(jīng)過(guò)處理的道路測(cè)量數(shù)據(jù)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)勘查地質(zhì)資料，分析判斷可能出現(xiàn)的地質(zhì)災(zāi)害，進(jìn)行解譯雷達(dá)測(cè)量數(shù)據(jù)[10]，以下為雷達(dá)檢測(cè)數(shù)據(jù)判斷結(jié)果。

測(cè)線1剖面測(cè)量結(jié)果如圖4所示：該測(cè)線橫跨正常地段和沉降路段，橫軸為地面水平方向，測(cè)線長(zhǎng)為35米，豎軸為深度方向，測(cè)量深度10米，從測(cè)量成果圖中能夠分辨出異常沉降段和正常路段交界處。從測(cè)量數(shù)據(jù)波形、振幅及同性軸特點(diǎn)[11]等方面結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)具體地質(zhì)情況進(jìn)行判斷解譯結(jié)果：在深度方向0～3米，同性軸連續(xù)性較好，波形，振幅正常，屬于路基雜和填土層，可以判定沒(méi)有發(fā)生大的脫空等地質(zhì)不良體；圖中水平坐標(biāo)13～35米，深3～10米(淤泥砂層)標(biāo)記異常區(qū)(圖4a)與正常路段數(shù)據(jù)相比，同性軸不連續(xù)、錯(cuò)斷嚴(yán)重，反射波波幅異常增大，可以判定，由于地層損失嚴(yán)重造成土體不密實(shí)、富含地下水，甚至局部脫空現(xiàn)象[12]，由于旁邊行車主干道通行車輛的振動(dòng)作用以及入?？诘某毕饔卯a(chǎn)生的水力聯(lián)系會(huì)加重水土流失，引起地面繼續(xù)沉降，累積到一定程度產(chǎn)生脫空、沉陷災(zāi)害[13]。

圖4 測(cè)線1探測(cè)成果圖

測(cè)線2剖面的測(cè)量結(jié)果如圖5所示，整條測(cè)線在測(cè)量過(guò)程中經(jīng)過(guò)沉降最嚴(yán)重區(qū)，相比于正常地面低40 cm，造成測(cè)量距離標(biāo)定存在誤差，但是不影響判斷地下異常位置，綜合判定結(jié)果：在深度方向上0～2米范圍內(nèi)，同性軸連續(xù)性較好，為道路的基層和底基層，不存在局部脫空現(xiàn)象；地面深度2米以下區(qū)域，同性軸斷斷續(xù)續(xù)、連續(xù)性較差，可以判定受沉井下沉施工影響，發(fā)生流砂、地層損失引起地面沉降，需要及時(shí)采取地層加固措施。圖中標(biāo)記區(qū)(圖5a)掃描數(shù)據(jù)同性軸完全錯(cuò)段，形成塊狀堆積形狀，波幅異常增大，可以判定為地層脫空異常區(qū)，甚至不排除已經(jīng)形成小范圍空洞區(qū)。

圖5 測(cè)線2探測(cè)成果圖

5 結(jié)語(yǔ)

地面沉降、塌陷事故主要誘因在于大規(guī)模開發(fā)利用地下空間，同時(shí)破壞了原有的土層應(yīng)力結(jié)構(gòu)[14]。地面沉降、塌陷事故大多由施工降水引發(fā)，接收井同時(shí)受甌江潮汐水力聯(lián)系，且下沉深度范圍內(nèi)分布淤泥、淤泥夾砂層，地層結(jié)構(gòu)靈敏度高、極易受外在因素改變土體原來(lái)結(jié)構(gòu)造成承載力下降。在沉井排水下沉過(guò)程中，地面沉降基本機(jī)理可以概括為：地下水流失→產(chǎn)生靜水頭差→周邊水土流動(dòng)→土層損失→土層固結(jié)沉降這樣一個(gè)過(guò)程，對(duì)于出現(xiàn)的地面沉降現(xiàn)象，要及時(shí)查明地下是否已經(jīng)形成地層脫空、空洞地質(zhì)災(zāi)害，及時(shí)采取地層加固措施，防止出現(xiàn)地面塌陷等次生災(zāi)害。

探地雷達(dá)能夠非?？焖贉?zhǔn)確檢測(cè)地面沉降，根據(jù)地下地質(zhì)災(zāi)害類型呈現(xiàn)差異性的信號(hào)特征，可以準(zhǔn)確判斷出地面下出現(xiàn)的地層脫空、疏松地質(zhì)體、富水情況等缺陷。

城市地下廣泛分布著管線，同時(shí)會(huì)受到外界電磁波干擾、地下水、等因素影響，在一定程度上限制了探地雷達(dá)的檢測(cè)深度和直接呈相的真實(shí)性，技術(shù)人員需要根據(jù)不同環(huán)境地質(zhì)情況選用合適的頻率天線、參數(shù)設(shè)置提高檢測(cè)效果和精度?，F(xiàn)在占領(lǐng)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的幾類工程雷達(dá)設(shè)備多為外國(guó)生產(chǎn)進(jìn)口，價(jià)格昂貴，限制了其大范圍民用生產(chǎn)使用。