地质雷达在北京地铁地下空洞探测中的应用研究

崔 磊，张凤录

(北京市测绘设计研究院，北京100038)

一、引 言

随着城市的日益繁荣和发展，各大中城市地铁建设、立交桥建设、市政施工等工程项目如火如荼地展开，因此，地下地质结构的排查和探测，掌握准确可靠的基础地理信息数据对于及时采取防护措施，完善施工方案，预防因施工对周边环境和基础设施建设带来的安全隐患非常重要［1-2］。

本文介绍了地质雷达构成及测量原理，针对北京地铁9号线工程建设项目，为避免由于地下空洞等异常地质对地铁施工和周边环境安全造成不良影响，利用地质雷达对玉渊潭公园内地铁途经路段地下地质情况进行了探测，针对探测成果对地下空洞的具体位置、深度及土层结构等进行分析，为后续地下空洞处理和工程施工提供了安全保障。

二、地质雷达构成及原理

地质雷达由一体化主机、天线及配套软件等部分构成，根据电磁波在有耗介质中的传播特性，地质雷达以宽频带短脉冲的形式向介质内发射高频电磁波，当遇到不均匀体(界面)时反射部分电磁波，其反射系数由介质的相对介电常数决定［3］。反射回的电磁波被与发射天线同步移动的接收天线接收后，由雷达主机精确记录下反射回的电磁波的运动特征，再通过信号技术处理，形成全断面的扫描图，通过对雷达主机所接收的反射信号进行处理和图像解译，判断出地下目标物的实际结构情况［4］。地质雷达工作如图1所示。

电磁波在特定介质中的传播速度V是不变的，根据地质雷达记录上的地面反射波与反射波的时间差ΔT，可得异常的深度H

式中，H为目标层深度;V是电磁波在地下介质中的传播速度，其大小由下式表示

式中，C是电磁波在大气中的传播速度，约为3×108m/s;ε为相对介电常数，取决于地下各层构成物质的介电常数。

图1 地质雷达工作示意图

雷达波反射信号的振幅与反射系数成正比，在以位移电流为主的低损耗介质中，反射系数r可表示为

式中，ε1、ε2为界面上、下介质的相对介电常数。

反射信号的强度主要取决于上、下层介质的电性差异，电性差异越大，反射信号越强。雷达波的穿透深度主要取决于地下介质的电性和中心频率。导电率越高，穿透深度越小;中心频率越高，穿透深度越小。反之亦然［5-6］。

三、探测实例与结果分析

地质雷达探测工程位于北京地铁9号线建设工程玉渊潭公园内部分路段，地铁施工主要采用矿山法及盾构法。玉渊潭公园地面树木、花草繁茂，栅栏等障碍物较多，现场探测条件较差。玉渊潭公园东湖南岸边游船售票处曾发生过地面塌陷情况，已经进行相应处理。

为避免地下空洞等异常地质体对周边环境和施工安全造成不良影响，根据任务要求及工程特点，采用瑞典MALA地球物理公司生产的RAMAC X3M系列地质雷达，配备100 MHz和500 MHz屏蔽天线探测指定范围内地下5 m范围内的地下空洞和土质疏松情况，包括地下空洞的规模和具体位置。

地质雷达测线方向沿地铁走向布置，局部加密区域布置交叉测线，布置在地形起伏较小和表层介质相对均匀的地段，避开干扰源。具体布设方式如下:当左右地铁隧道中心线间距≤8 m时，布置5条测线;当左右地铁隧道中心线间距＞8 m时，布置6条测线。测线布设在左右隧道中心和左右隧道两侧，测线间距为4 m。测线布置方案见图2所示。

图2 测线布置示意图

探测结果表明，通过对探测成果的分析，探测区域共发现土层疏松引起的异常2处，土质严重疏松引起的异常2处，探测异常区域综合统计情况详见表1。

表1 雷达探测异常区域综合统计表

针对部分异常利用复测、加密测线等辅助手段进行了验证，对地下结构异常进行定性解释。

1)1#异常。该异常位于左线K12+957处，异常范围约为4 m，深度约1．0～2．2 m。该处图像反射波同相轴断裂，并伴随弱反射，判断异常性质为土层严重疏松、疑似空洞，雷达异常图像见图3所示。

图3 1#异常雷达图像

2)2#异常。该异常位于左线K12+951处，异常范围约为2 m，深度约为1．5～3．0 m。该处图像反射波同相轴不连续，成波浪状，判断异常性质为土层疏松，雷达异常图像见图4所示。

图4 2#异常雷达图像

3)3#异常。该异常位于右线K12+965处，异常范围约为3 m，深度1．2～2．5 m。该处图像反射波同相轴不连续，振幅较强，部分缺失，并伴随严重松散，判断异常性质为土层严重疏松，雷达异常图像见图5所示。

图5 3#异常雷达图像

4)4#异常。该异常位于左线K12+873处，异常范围约为5 m，深度约1．5～2．5 m。该处图像反射波同相轴不连续，并伴随松散，判断异常性质为土层疏松，雷达异常图像见图6所示。

实际探测过程中，探测区域复杂的地下管线、障碍物、旁侧建筑等干扰较多，探测区域地形不平整和障碍物对探测结果产生一定影响。

四、结束语

本文介绍了地质雷达构成及测量原理，针对北京市地铁9号线建设工程项目，利用地质雷达对地铁沿线玉渊潭路段地下地质情况进行了探测。结果表明，部分路段地下存在空洞及土质疏松情况，提供了地下空洞的具体位置、深度及土层结构等基础地理信息数据，为后续制定合理的地下空洞处理方案和保障工程施工安全提供了可靠依据。

图6 4#异常雷达图像

［1］ 张弛．探地雷达在成都地铁2号线盾构施工扰动带探测中的应用研究［D］．成都:西南交通大学，2009:36-56．

［2］ 孙计同．探地雷达技术在青岛地铁隧道超前地质预报中的应用研究［D］．青岛:中国海洋大学，2012:34-54．

［3］ 王春和，胡通海，崔海涛，等．探地雷达技术用于地下空洞塌陷灾害探测的创新与实践［J］．测绘通报，2013(S0):13-16．

［4］ 李强，刘保生．地下空洞的探地雷达图像解释技术研究［J］．工程勘察，2015(6):88-93．

［5］ 田增彪，李杰．探地雷达于城市道路塌陷灾害检测评估的应用探讨［J］．测绘通报，2013(S0):116-118．

［6］ 苗宇宽，郭景力．地质雷达在城市道路地下空洞勘察中的应用［J］．岩土工程，2008，11(9):95-88．