地铁施工地下空洞探测及治理技术研究

2020-04-26杨硕

河南科技 2020年4期

杨硕

摘要：为了实现对地铁施工区域地下空洞的探测，以某市轨道交通4号线一期工程火车站—北广场站空洞探测为研究对象，采取探测雷达技术对地下结构存在的异常点进行探测，根据探测雷达地质图分析并确定空洞位置、发育特征，并提出一些有针对性的空洞处理建议。但是，由于物探技术存在解释多样性、本身局限性等问题，在实际探测过程中应强化对地下管线的保护及监测，发现问题及时进行治理。希望本文的研究成果可以为其他地铁施工空洞探测提供一定的经验参考。

关键词：地铁施工;空洞;探测雷达

中图分类号：TU443文献标识码：A文章编号：1003-5168（2020）04-0109-03

Abstract： In order to realize the detection of underground cavity in the subway construction area， the detection radar technology was adopted to detect the abnormal points in the underground structure based on the analysis of the geological map of the detection radar to determine the location and development characteristics of the cavity， and some targeted suggestions for the treatment of the cavity were put forward. However， due to the diversity of interpretation and limitations of geophysical exploration technology， the protection and monitoring of underground pipelines should be strengthened in the actual detection process， and problems found should be treated in time. It is hoped that the research results of this paper can provide some experience reference for other subway construction cavity detection.

Keywords： subway construction;cavity;detection radar

随着经济发展以及城镇化建设的不断推进，地下空间开发利用程度不断提高，地铁建设里程以及建设规模不断加大[1]。在地铁施工过程中存在一系列的地质问题，如大型机械振动及地层扰动带来的空洞问题。若地下空洞没有得到较好治理，极可能会造成地表沉陷，给城市道路交通安全带来不利影响，因此，需要对空洞位置进行详细探测[2-3]。探测雷达因具有探测效率高、地层扰动小、成果直观等优点，在地质工程探测中应用较为广泛[4]。本文采用探测雷达技术对某市城市轨道交通4号线一期工程火车站—北广场站地下空洞位置进行探测，并根据探测结果提出针对性的空洞治理技术。

1 工程概况

某市城市軌道交通4号线一期工程火车站—北广场站施工采用矿山法，中间建设有两个区间车站，考虑到地铁线路折拐，采用探测雷达探测长度适当长于区间线路长度。探测区内地层从上到下依次为表层杂物、粉土、黏土、黏质粉土，探测深度为地面下方8m。

2 地下空洞探测

2.1 探测技术

由于4号线一期工程为该市城区交通主干线，周边商业繁华，来往车辆、行人繁多，因此，要求采用的空洞探测技术对周边环境影响小，探测精度及探测效率高。探测雷达可以满足上述空洞探测要求，具体采用的探测设备型号为Sir-20。该型号的雷达具有工作效率高、性能突出的优点，天线、主机的防尘、防振动、防潮湿能力显著，且不容易受到工作环境影响，适用范围广[5]。

2.2 探测原理

探测雷达探测的基本原理是将高频电磁波发射到探测区域地下，采用专用设备回收地质单元反射回的电磁波信号。电磁波在探测区域地质单元内的传播服从麦克斯韦方程组（Maxwell's Equations）及传播介质本构关系[6]。

当专用设备接收到反射回的电磁波后，即可根据反射波特征对地质单元进行分析。在不同的介质交互界面上，部分电磁波会被反射，被地表上的接收机接收;由于电磁特性材料间存在差异，不同的地质层间会发生透射、反射。接收机将接收到的电磁信号放大处理后得到需要的探测信息。操作人员对探测的地下目标进行成像处理，从而使探测结果更为直观显示。

介质的电特性直接影响在介质内传播的波速、波长及衰减等特征，因此探测雷达的工作参数与性能极限和介质电特性密切相关。从电导率与穿透深度的关系图可以看出（见图1），电导率直接影响电磁波在介质中的穿透能力和穿透深度，介质电常数决定电磁波的传播速度和覆盖范围。

根据探测雷达电磁波传播特性和空洞反射电磁波特性可确定空洞位置、范围。探测雷达在地表下方2.5 m深度探测出的不同半径空洞模拟反射界面如图2所示。

根据探测雷达的探测经验及理论模拟分析结果归纳出的钢筋耦合探测、空洞探测及地质界面平层探测电磁波反射模型如图3所示。

为了更好地对探测数据进行处理、解释，也为了准确地对地质单元内空洞位置、直径等进行探测，需要解释的物理参数包括探测雷达的探测时间、电磁波反射系数、电磁波传播速度、电磁脉冲旅行时间、天线间距及探测深度等。根据探测经验及地铁4号线火车站—北广场站地质条件、外界环境等，对空洞精细探测采用的电磁波频率为400 MHz，该电磁频率还可以对脱空、坍塌、疏松等地质异常体进行探测。具体探测程序为先采用270 MHz频率对深度在8 m的地层展布连续性进行探测，初步确定是否存在空洞;之后采用400 MHz电磁波频率对探测结果进行验证。为了提高探测精度，采用人工移动天线的方式，避免车载方式展布范围小、灵活性差的问题。

2.3 探测测网布置

根据探测区域地表条件以及探测要求，采用测量轮探测方式，具体布置的测线如图4所示。

在探测雷达对得到的地质异常点进行分析后，为了提高对异常点的探测精准度，采用纵向、横向探测相结合的方式，提升探测密度，异常点探测网布置如图5所示。

在实际探测时，布置的测线还要满足下述要求：①测线布置应综合考虑探测目的、空洞结构及埋深等，比例尺和测线布置应能反映探测目标标准，且探测结果可以在平面图上清楚标识;②测线布置应在前期异常点探测基础上进行，对前期探测出的异常点进行多次重复测量，实现对异常点的精细探测;③在地下结构复杂、地表路面展布不规整的区域内，应适当加密测线，根据实际探测需要，在主测线间增加辅助测线。

3 探测数据分析

采用探测雷达完成区域探测后，要对获取的雷达数据及记录文件进行整理，对接收到的电磁波数据进行前期预处理，后续精细化处理。处理后的电磁波数据具备更高的可度性及信噪比。作业人员可根据道路结构、材料等市政工程信息，地质资料，前期异常点探测结果，应用现阶段具备的解释技术对探测数据进行评估分析。

采用探测雷达的主要目的是确定探测区内的空洞。当探测区内存在空洞（包括地层脱空、疏松区域）时，接收器接收到的反射波波幅会突然增加，在含水率高的区域内更为明显，反射波同轴出现不连续现象。

4 探测结果分析

探测范围内地下管线密布且布置较为复杂，周边的机电设备、车辆及构筑物等对探测雷达探测数据解释以及异常点的确定具有一定的不利影响。通过对探测数据进行精细化处理和多样化解释，在地铁4号线火车站—北广场站范围内共圈定20个地质异常点，结合探测雷达探测图像，对具有代表性的A、B、C、D四個典型异常点展开分析，并提出治理措施。

4.1 异常点A

异常点A的主要问题是地层不联系，探测不存在空洞。经与市政部分沟通确认，在异常点A处不存在地下管线，异常缺陷等级为中等。对于这类问题，可以暂时不做处理，并加强对沉陷的监测，若发现问题要及时处理。

4.2 异常点B

探测雷达探测出B类异常点反射的电磁波异常，主要原因是地下管道周边土体密实度差，浅层有一定程度下陷，地面出现一定程度的开裂，异常缺陷等级判定为严重。对于这类异常点，建议采取浅层路面修补措施。

4.3 异常点C

探测雷达探测出C类异常点位于路面下方0.3m处且存在有钢板，在钢板下方探测有空洞存在，空洞附近存在污水管线。经与市政部门沟通，确认附近确有污水管线，异常缺陷等级判定为严重。对于此类空洞异常点，可采取注浆加固措施，对存在的空洞进行填充，避免后续出现地表下沉问题，给地面交通正常进行造成不利影响。

4.4 异常点D

由探测雷达探测结果得知，在异常点D处反射的电磁波异常，附近管线密集，在管线两侧回填土周边密实度不够，浅层存在坍塌，局部区域存在小直径空洞，判定的异常缺陷等级判定为严重。对于此类问题，建议采取浅中层路面修补措施。

5 结语

①地铁施工多集中在城区繁华位置，在施工及地下空洞治理过程中，应注意确定地下管线埋设位置，并提出具体的保护措施。

②由于采取的探测雷达技术本身存在一定的局限性，同时物探数据的解释具有多样性、地下隐蔽工程复杂，实际探测出来的剖面位置处介质电性参数与标定处介质电性参数存在差异，这是导致探测结果存在偏差的主要原因。因此，在探测施工过程中应强化监测工作，发现问题及时进行治理。

参考文献：