复杂地况条件下地质雷达在城市地铁勘测空洞中的应用

白文博，石艳军

(中国葛洲坝集团市政工程有限公司，武汉 430033)

0 引言

随着近年城市现代化进程的加速，各大城市均加快了对地铁项目的建设。在建设过程中，由于城市地下空间结构较为复杂，人工结构物与天然地质情况相互影响，地下构筑物、复杂地质构成勘测、监测精细度对相关工程施工与设计的影响较大。地质雷达勘探技术是一种较为快速、无损、连续监测并实时呈现地下地质构造情况的测试手段，在地下工程监测和地质勘测中被广泛使用。但由于现行的地质雷达技术过于依赖后期的调试滤波以及后期工程师的分析，具有较大的随机性，造成了雷达勘测误差较大，对施工后期的作业产生了极大影响。本研究对地下空洞的类型进行分析，总结了不同类型空洞对波形的影响规律，并利用超前滤波手段对工程的波形进行反向雷达干扰波段的设置，在测定过程中有效提升了地质雷达勘测精度，这对于相关技术的提升与参考具有重要意义。本研究总结了城市地下空洞勘察的相关技术措施，依据地勘资料预测了相关空洞类型，反向分析雷达干扰波段，并加入滤波减少了雷达波的干扰，后期通过取样验证该方法的准确性。本研究对西安地铁十四号线港务大道至贺韶村区间人防空洞范围进行了施工勘察，还对新型地质雷达勘测方法进行了验证，认为该方法提升了勘测精度，能够为后续地下空洞的雷达监测以及工程施工提供帮助。

1 城市地下空洞的电磁波反射规律

1.1 城市空洞形成的原因

根据相关文献以及资料的总结，城市地下空洞形成的原因一般有以下几种情况：①地下水的抽取造成了地下水的垂直以及不同角度的缓渗流，在水头梯度的作用下，造成了不同界面上的岩土体颗粒级配流失，会在级配较差的地层出现地下空洞。②地下管道开挖回填的击实工程不够密实，管道附近的土体由于重力作用沉降，从而产生了土体空洞。③地下管道的漏水造成该地层的水压急剧增高，出现了底层冲刷，从而产生空洞。④施工过程过快，造成部分地层形成了超静孔水压力，而且相关地层由于施工扰动较为松散，施工后，在水压散失过程中造成了地层空洞的形成。⑤人工空洞的废弃以及相关人防工程的失修均会造成上方泥沙流失，从而产生地层空洞。

1.2 空洞的电磁波反射规律

①空气填充型空洞。其介电常数值较小，电磁波衰减较快，会呈现出较高的电阻率。②地下水填充型空洞。其一般介电质较大，而且水中的电磁波传播速度较快，电阻率较低。③坍塌填充型空洞。由于填充物的不同会呈现出不同的电阻率，一般情况下介于前两种情况之间。

2 新型地质雷达勘察技术方法

2.1 地质雷达基本技术

一般的地质雷达勘查技术是采用地质雷达与挖探相结合的方法来进行施工勘察，为了提升其勘察精度，需在勘察后期对相关地层进行钻掘勘察，其技术如下：地质雷达方法是基于电磁波在不同介质中的传播特性而被提出的，不同的地质体(物体)具有不同的电性，当发射天线发射的高频电磁波遇到介电常数不同的界面时都会产生反射回波，并根据接收天线接收到反射回波的时间和形式来确定反射界面的距离，以判定反射体的可能性质。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波的频率，电导率越高，穿透深度越小；频率越高，穿透深度越小。

2.2 新型地质雷达勘查技术

2.2.1 雷达干扰波设置

地质雷达出现的主要问题是干扰波段较为复杂，于是排除干扰波段、干扰物波段、提升雷达分辨率成为各雷达勘查技术的主要提升方面。可通过勘察分析来判断相关空洞的形成类型，并依据不同的空洞进行设置。如空气填充型空洞大多是由于施工过快而形成的，废弃的人工空洞因电磁波波段的介电常数较小，其设置扫描波段的波形可以调用相关波形的模式进行套用分析。

2.2.2 雷达滤波设置

对干扰波进行滤波设置时，当出现相关类型的干扰物波段需提前进行设置，如地下水填充型空洞，其中存在较多的溶洞孔吸声等杂波，介电常数较大，传播较快，可利用短波进行相关测定。可根据初步的地质资料判断空洞类型，提前调取空洞类型波段的模型，进行空洞现场测试，并依据波形反馈对空洞类型进行修正，判断空洞的相关物理参数，遇到复杂地况可采用物探、钻探进行取样，最终形成相关物探报告。

图1 新型地质雷达勘查技术流程Fig.1 Technique process of new type geological radar prospecting

3 工程应用

3.1 工程概况

此人防工程位于白陈小学内，在20世纪50～60年代挖掘而成，呈东西向走线，最深可达6～10 m。由于年代久远，现已不再使用，大部分已被填充或封闭，出入口处被村民留作地窖使用。由于填充质量问题，部分地表已塌陷，在地面多处产生浅坑、裂缝等，而且出入口处地窖现已废弃，不再使用，预计为已经进水坍塌的类型三空洞。根据施工单位提供的总平图，该人防工程侵入线路左线主体结构范围以内，位置详见图2。

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

本次物探探测使用的仪器为美国劳雷公司生产的SIR-4000型地质雷达，其中80 MHz天线和100 MHz天线的测量方式选用点测，点距均为0.5 m，350 MHz天线则选用连续测量的方式。

3.2 勘察目的与任务

本次施工勘察目的与任务为查明西安地铁十四号线港务大道至贺韶村区间在白陈村白陈小学内除建构(筑)物以外人防空洞的分布范围，具体勘察范围为里程ZCK13+055～ ZCK13+115 m段，长度为35 m，宽度为25 m，距线路右线左偏约10 m。

3.2.1 勘察工作量布置

在搜集关于人防工程已有资料的基础上，再根据港务大道至贺韶村区间详勘报告及现场踏勘的基础上，本次地质雷达探测共计布置15条测线，具体工作量布置见表1。

表1 雷达工作量统计表Tab.1 Statistical table of radar workload

3.2.2 挖探

根据地质雷达探测的结果，对异常区进行人工洛阳铲验证。

3.2.3 勘察工作量

本研究抽取1～5测线的成果进行解释说明。

3.3 工程物探资料处理与成果解释

3.3.1 雷达数据处理

数据处理是在RADAN专用软件下进行的，该软件为随机配备的数据后处理软件，是视窗平台，包括全套滤波、反褶积、数据编辑、偏移、比例调节、分层解释。

3.3.2 雷达数据分析与解释

数据处理后，根据反射波的吸收强弱、波形等特征在图像上拾取相应的介质界面。地质雷达探测的物性特征是被测介质的介电常数，但混凝土、空气、水、砂石、土等介质的介电常数均各不相同，如表2所示。

表2 各种介质的介电常数Tab.2 Dielectric constant of mediums of all kinds

3.3.3 部分测线地质解译

测线1剖面长度11 m，图3(a)为普通天线剖面图，图3(b)为新型天线剖面图。从图3可以看出，该测线在5～8.3 m和9～10 m范围内，点号在11～19号和19～21号附近，异常深度范围在7.5～12.5 m附近，雷达信号反射信息明显，出现较强的反射波，推测地层脱空或存在空洞。19～21号点不排除干扰引起。

测线2剖面长度10 m，该测线在0～2 m和5.8～8 m范围内，点号在1～5号和13～17号附近，异常深度范围在6～10 m和13～17 m附近，雷达信号反射信息明显，出现较强的反射波，推测地层脱空或存在空洞。

图3 测线1地质雷达探测成果图Fig.3 Result map of measuring line 1 geological radar acquisition

图4 测线4地质雷达探测成果图Fig.4 Result map of measuring line 4 geological radar acquisition

测线4普通天线剖面长度9.5 m，新型天线剖面长度10 m。图4(a)为普通天线剖面图，图4(b)为新型天线剖面图。从图4可以看出，该测线在4～6 m和7.8～10 m范围内，点号在9～13号和17～21号附近，异常深度范围在9.5～11.5 m和5～15 m附近，新型雷达方法信号反射信息明显，出现较强的反射波，推测存在空洞。

测线5剖面长度7 m，但中间有障碍物(铁器)，只分析0～5 m。图5(a)为普通天线剖面图，图5(b)为新型天线剖面图。从图5可以看出，该测线在1～3.5 m范围内，点号在3～8号附近，异常深度范围在8～13 m附近，新型雷达方法信号反射信息明显，出现较强的反射波，推测地层脱空或存在空洞。

图5 测线5地质雷达探测成果图Fig.5 Result map of measuring line 5 geological radar acquisition

3.4 异常点位置判定

经过现场探测、地质调查和数据分析解释工作之后，根据各条剖面的解释结果确定出异常信息，发现共计5处异常，与新型雷达的探测结果较为符合，进一步验证了新型雷达技术的优越性，见表3。

表3 雷达异常统计表Tab.3 Statistical table of radar abnormality

4 结论

通过总结城市地下空洞形成的原因以及相应的地球物理性质，为地质雷达的检测分析方法提供了新的分析手段，提出了相关空洞组成条件，并依据反馈波段配合分析出相关空洞的具体类型，提出了新型雷达探测技术的思路。

雷达监测分析中各向干扰源较多，可针对具备空洞的波段进行分析，根据反射波的强弱、波形等特征来推测空洞、脱空、松散体以及地层内欠密实等情况。当地层出现空洞和脱空时，局部会出现较强的反射波或明显出现反射波同相轴上凸现象，波形较长，也可能出现多次反射波，预先判断空洞形成类型再进行勘察设计很有必要，以提升雷达波判断的抗干扰精度。

对确认的空洞地区以及疑似空洞地区进行取样分析，进一步验证空洞类型，避免了雷达监测的波段干扰造成工程误探，进一步验证了新型雷达监测技术相对于普通雷达技术的优越性。