探地雷达在世界之窗站隧道中的应用

姚云泉，张新刚

(1.中国地质大学(武汉)，武汉 430074;2.中铁六局有限公司 盾构分公司，北京 102100)

1 工程概况

深圳地铁二号线沙河东站——世界之窗站盾构区间双线隧道工程位于世界之窗西南方向，沿线穿越白石三道、白石二道、预留地、白石路及世界之窗，其中线路里程YCK13+144～YCK14+264。拟采用盾构法施工，隧道底板高程－19.3～－13.0 m。为了确切反映出孤石或填石(>1 m)、地层突变分界等的位置，为进一步补勘及施工提供指导性资料，确定采用探地雷达对划定里程段进行探测，按要求在隧道地面范围内布置平行隧道方向测线5条，线距1.2 m，点距0.2 m。通过分析雷达剖面图像，与钻孔等资料进行综合分析对比，解释推断隧道范围内及靠隧道顶部附近范围出现的异常。本次探测共完成探测剖面67条，剖面总长416 m，测点7 568个。探测线路位于左道里程Z13+325～Z13+368及Z13+965～Z13+998和右道里程Y13+325～Y13+409、Y13+812～Y13+860及 Y13+948～Y14+233范围内。

本区间场地原始地貌为海冲积潮间带(滩涂)，场地经过填筑，现状为白石三道、并跨越白石路等，填筑工程于1998年底进行，道路路基下经强夯处理，地面高程2.62～5.50 m;YCK14+374.2～YCK14+845.0段场地原始地貌为低台地，地形起伏较大。

钻探揭示，覆土表层为人工填筑的(Qml)素填土(填石)，其下为第四系全新统海积(Q4m)淤泥质黏土、粗砂(含淤泥)、冲洪积(Q4al+pl)黏土、砾砂，第四系上更新统冲洪积(Q3al+pl)淤泥质土、砾砂，中上更新统坡积含砾黏土(Q3－2dl)，中更新统残积(Qel)砾(砂)质黏土，下伏基岩为燕山晚期粗粒花岗岩(γ53)。通过查询资料可知，土壤(含水量20%)的介电常数为8～12。

2 探地雷达法原理与方法、仪器

2.1 探地雷达法介绍

探地雷达是利用探测目标体(目的物)与其周围介质的导电性、介电性的差异，通过高频脉冲电磁波(主频为数十MHz至上千MHz)在电性界面上的反射来探测有关的目的物。当电磁波遇到电性不均匀体的分界面时，会出现反射、折射和透射现象，并随之产生反射波、折射波和透射波等。反射波向上传播至地表被探地雷达接收天线接收，再经探地雷达专用电缆输入主机。接收到的反射波能量的强弱与界面的反射系数有关。若某一地质界面上、下地层的相对介电常数分别为ε1、ε2，相对于探地雷达所用的高频电磁脉冲而言，在地层介质中以位移电流为主，这时，反射系数r和波速ν主要取决于介质的介电常数，其反射系数r和波速ν见式(1)、式(2)。式中c为光速。

设脉冲电磁波从发射天线到接收天线的行程(或称双程走时)需时为t(单位:ns)，则有

式中，z为目标体或界面的深度(m);x为两天线之间的距离(m);而ν为电磁波在地下介质中传播的速度(m/ns)。

本次物探使用仪器为中国电波传播研究所生产的LTD－2000探地雷达系统。该系统包括探地雷达主机(见图1)、收发天线(见图2)和探地雷达专用电缆。

图1 LTD-2000探地雷达主机

图2 配套50 MHz天线

2.2 资料利用与测线布置和完成工作量

1)资料利用。本报告综合了前期岩土工程勘察资料，利用了地形及设计底图。平面坐标采用深圳市独立坐标系，高程采用56黄海高程系统。

2)测线布置和完成工作量。在地面上布置平行隧道走向探测线，线距1.0～1.5 m，点距0.20 m。一般在左右隧道各布置探测线3～5条。本次探地雷达法地面物探共完成探测剖面67条，剖面总长416 m，测点7 568个。完成工作量见表1。

表1 探地雷达工作量一览表

2.3 场地野外工作

野外探测工作按照设计和规范要求，保证安全施工，取得第一手原始探测数据。依据工程探测目标体的材料特征和结构特征，结合以往经验及试验工作现场调试分析结果选择50 MHz天线。探测时，在布设的测线剖面上用皮尺控制天线的位置，每隔20 cm记录一道波形。主要参数确定有:①天线偏移距为1 m;②每道(即每个地面采样点)记录长度450 ns，2 048个时间采样点;③采用16点分段增益，由浅至深线性增益。

2.4 数据处理

野外观测数据处理采用中国电波传播研究所开发的IDSP5.0探地雷达处理解释软件完成，处理过程包括预处理和处理分析。

1)预处理步骤:①修改文件头参数;②标记和桩号校正;③剖面翻转和道标准化;④添加标题、标识等。

2)处理分析步骤:①浏览整个剖面，查找明显的异常;②频谱分析;③滤波去噪;④振幅增强;⑤异常特征和面层对应相位分析;⑥剖面修饰等。

3 地面物探有效性分析与成果解释

3.1 地面物探有效性分析

1)探地雷达剖面与瞬变电磁法剖面对比。图3(a)为右线里程(原定)Y14+115～Y14+215瞬变电磁法反演剖面图，图3(b)为右线里程(现定)Y14+143～Y14+233探地雷达剖面图。由图3可看出，探地雷达剖面与瞬变电磁法剖面有相似形态特征，反映地下垂向和水平双方向复杂地层变化规律。

图3 瞬变电磁法反演剖面图和探地雷达剖面图

2)地面物探剖面图反映沿水平方向地层垂向变化。图4(a)为GZ3#钻孔岩土芯照片，图4(b)为GZ4#钻孔岩土芯照片，分别是瞬变电磁法 GZ3#和 GZ4#异常点验证孔。GZ3#孔与GZ4#孔两相邻钻孔揭露长度相差1 m，这说明瞬变电磁法剖面图反映出里程(原定)Z13+520～Z12+535为地层塌落区，引起地层松散或地层垂向变化大的推断结果是正确的。

3.2 成果解释

通过对剖面图的解释，作出地质、物探综合解释推断剖面图，可对剖面位置下是否存在孤石或填石、地层突变分界、断裂作出判别。解释推断时，利用探地雷达图像上同相位反射波的同相轴可划分土层与岩层的界面;弧形弱反射异常为松散软弱层;呈现同相轴不连续及强反射间断出现特点为填石、底层松散并有较大填石或残积层中存在硬石块;弧形强反射异常为孤石或石堆或出现陡壁基岩。

经数据处理后，得出测线的探地雷达图像，剖面解释推断结果见异常解释推断一览表(表2)。由表2可对场地内的孤石或松散层分布情况、规模及埋深做出解释推断，在已有的地质钻孔剖面上结合钻孔资料，绘制综合工程地质解释剖面图。

4 结论

本次采用探地雷达法地面物探对沙河东站——世界之窗站盾构区间隧道场地进行了探测，在已有勘察成果的基础上，基本查明该场地范围内地层分布特征，划分出反映隧道范围内孤石或松散异常分布区以及反映隧道上部及顶部填石或松散发育异常区，并得出以下结论:

表2 各测线剖面异常解释推断一览表

图4 GZ3#、GZ4#钻孔岩土芯对比图

1)综合分析结果，探测线范围内除探地雷达划分出4个孤石或松散层发育区和4个填石或松散发育异常区外，其它地段发育程度低。4个孤石或松散层区存在于左线里程 Z13+970～Z14+010和左线里程Z14+050～Z14+130;4个填石或松散发育异常区存在于右线里程Y13+965～Y14+010和右线里程Y14+040～Y14+080。

2)同一测线，探地雷达法探测剖面图与瞬变电磁法探测剖面图有相似特征，并与地质剖面图有可对比关系，充分说明探地雷达法地面探测与瞬变电磁法地面探测均能查明整个探测剖面范围路线隧道地层变化情况。

3)本次探测结果中，同时列出解释为砂层、松散、软土地层位置，目的是对于其中隧道上部及下部附近异常点，在隧道施工过程中引起注意，必要时应作注浆或其它加固工作。

4)从探测结果可推断得出，盾构区间隧道范围内及隧道上部附近局部存在着孤石或填石，还有基岩局部突起或纵向分界以及地层松散、塌陷等不良地质现象出现，说明隧道沿线存在垂直方向松散破碎带或软硬地层分界面。

5)物探单一方法存在条件性、多解性、地区性，同时受探测线上地形影响以及测量点限制，加上本区地层垂向突变明显、探测物小(<1 m者为多)特点，给探测结果带来一定的误差或存在误判。钻探反映的是点上地层的变化，对小地质体也难以发现。因此采用钻探—物探—钻探—物探方法，两种方法不断补充和完善。

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