地质雷达在城市道路地下典型病害探测中的应用

2021-07-20杨光李颖

河南科技 2021年4期

杨光李颖

摘要：道路是一个城市最重要的基础设施，由道路地下空洞等引起的城市道路塌陷是当前道路养护面临的主要难题。地质雷达探测技术作为一种无损检测方法，以其方便、高效等优点被广泛地应用到城市道路病害探测方面。本文结合南京某建筑工程附近的道路塌陷隐患区探测工程实例，介绍了地质雷达在城市道路地下典型病害探测中的应用，并参考探测区域内的工程地质资料，对塌陷隐患区的形成原因进行综合分析，为后期病害治理和消险工程提供有力支持。

关键词：城市道路;典型病害;塌陷灾害;地质雷达

中图分类号：P631.3;TU992.4 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2021）04-0115-03

Abstract： The urban road is the most important infrastructure of a city， and the urban road collapse caused by the underground cavity is the main problem of road maintenance. As a rapidly developing nondestructive testing technology， ground penetrating radar detection has been widely used in urban road detection because of its convenience and high efficiency.In this paper， combined with an example of a detection project for road collapse hidden danger areas near a construction project in Nanjing， the application of ground penetrating radar （GPR） in the detection of typical underground diseases of urban roads was introduced， and referring to the engineering geological data in the detection area， a comprehensive analysis of the causes of the formation of the hidden danger zone of collapse was carried out to provide strong support for the later disease control and risk elimination projects.

Keywords： urban road;typical hazard;subsidence disaster;ground penetrating radar

随着城市化建设的发展，城市道路建设、大型建筑建设及地下空间的开发利用快速推进，一些自然因素或人为因素催生地下病害隐患，最终诱发道路路面塌陷灾害。因此，在道路塌陷发生前，只有采取合理的探测手段，查明城市道路典型地下病害的形成原因，才能防患于未然。近年来，地面塌陷隐患病害的探测研究很多[1-2]，从直观但工作流程烦琐的钻探方法到方便快捷的地球物理探测方法，探测方法不断革新。地质雷达作为常用的物探方法，具有快速、无损探测的特点，已被广泛应用在城市道路地下病害探测中，在塌陷病害原因分析和治理工程中发挥着重要的作用[3-5]。

1 地质雷达探测技术

地质雷达是依据被探测体内的不同介质具有不同的物理性质（如电阻率、弹性波速、介电常数等）进行探测的，它由发射部分和接收部分组成，如图1所示。发射部分由产生高频脉冲波的发射机和向外辐射电磁波的天线（Tx）组成。发射天线以60°～90°的波束角向地下发射电磁波，电磁波在传播途中遇到电性分界面而产生反射。反射波被设置在某一固定位置的接收天线（Rx）接收，与此同时，接收天线还接收沿岩层表层传播的直达波，反射波和直达波同时被接收机记录或者终端将两者显示出来。电磁波在介质中传播时，其路径、电磁场强度与波形将随所通过介质的电性及几何形态而变化，根据接收到波的旅行时间（亦称双程走时）、幅度与波形资料，可推断地下介质的分布情况。根据电磁场理论，电磁波在传播过程中遇到不同电性介质，其界面处将发生反射和折射现象，从而改变电磁波的传播方向，如图1所示。通过沿剖面同步移动发射天线（T）和接收天线（R），人们便可获得由反射记录组成的雷达剖面，其同相轴分布与地下不同介电目标体埋深、形态有直观的对应关系[6-10]。

地质雷达是一种通过研究反射波相对直达波的往返旅行时间、振幅、频率和相位特征，确定地下目标体的探测方法，具有探测效率高、对场地和目标体无损、分辨率高和抗干扰能力强等特点，为无损检测。

2 工程应用实例

在施工过程中，南京某建筑工地附近的基坑出现渗水并携带泥沙等介质，渗水点位置附近的路面出现局部沉降和塌陷，周边部分房屋墙面出现裂缝，产生较大的安全隐患。相关部门立即组织抢险，为保證治理效果，避免出现新的塌陷险情，加固处理前对塌陷点附近道路地下病害进行地质探测。根据地质雷达探测成果圈定的病害位置，现场进行高压注浆加固处理，进而消除险情。

本次地质雷达探测采用美国GSSI公司生产的SIR-20型地质雷达数据采集系统，该系列探地雷达探测速度快，可以在短时间内迅速采集地下信息，通过灵活设置观测系统参数，对探测对象进行快速、高密度成像，达到检测目的。本次雷达探测采用40 MHz低频组合天线，测量方式为采用沿测线方向点测，点距为0.1 m/点。

2.1 工程地质条件

根据工程勘察资料，探测场地浅地层为杂填土，杂填土以建筑垃圾为主，混杂碎砖块和混凝土块，含少量黏性土，杂填土层厚度大约为2 m，局部松散。杂填土层下伏为素填土层，该层以黏性土为主，含少量硬的砖块和混凝土块杂质，层厚为2～5 m。素填土层下伏为粉质黏土层，具有一定的强度，层厚介于1.5～2.0 m。粉质黏土层下伏为粉细砂层，层底深度不超过17 m，饱和，稍密，该层在扰动状态下是最易形成漏水涌砂现象的地层。在正常状态下，地下水位稳定在2.2 m左右，与基坑底部存在一定的高差，这是形成岩土体渗流的主要动力条件。

2.2 典型异常剖面分析

建筑工地塌陷点附近的基坑发生了漏水涌砂，漏点附近地面出现的沉降与漏水点附近泥沙的大量流失有关，在周围地下水的不断补充下，当地形成了一定有影响范围的渗流路径，不断地携带地面下方土体中的填充介质，造成路面下方的杂填土层、黏土层或粉细砂层局部形成高孔隙率土体，甚至呈松散状，本次地质雷达的应用目的正是探测这些不良土体的分布和规模。

本次地质雷达探测的主要异常为渗水區附近的土体密实性改变，局部土体松散，典型的雷达探测成果如图2和图3所示。

图2和图3为测线1和测线2的地质雷达探测剖面，探测有效深度不超过20 m，根据地质雷达探测资料并结合现场的验证钻孔资料，探测所获得的异常主要为路面下方土体局部欠密实，异常区域主要集中在抢修段的西侧（渗漏点附近）。经推断，异常形成的原因为路面下方土体中细颗粒介质出现流失，水位下降后，土体的孔隙率变大，当电磁波传播到异常区土体时，其产生了较强的反射、散射和折射，与周围土体介质形成鲜明对比。渗漏点土体介质的流失使得路面下方水位线以下的土体含水量增大，对电磁波能量的吸收增强，电磁波传播的速度变小，波长变长，振幅变小，推断该区域为路面下方的高富水段。在深度0～2 m的范围，局部存在一些疑似浅层脱空异常、局部欠密实异常的区域，这些异常的分布范围较小，与其下方大范围的欠密实区存在一定联系，经推断，其也与异常区土体介质的流失有关，因为该深度下的土体中不含地下水，形成较强的反射雷达波异常区域。纵观图2和图3的异常分布位置和深度，人们可以看出，异常区域的分布大体处于同一个位置，说明路面下方异常土体具备一定规模，主要分布在抢修段的西侧。

地质雷达探测成果中的异常并不是孤立存在的，它们是相互联系的，相邻异常可以合并，通过对所有测线探测的异常进行划分、归类和整合，人们可以得出本次地质雷达探测成果的综合推断成果图。由图4可知，慢车道管道上方存在1处土体松散异常，其位于慢车道中心横向12～15 m的范围;抢修段（渗流点）附近路面下方分布有2处土体欠密实异常区，其位于慢车道横向35～60 m和61～78 m的范围，两处异常规模较大，是本次探测所得到的重点土体异常区域。慢车道的北侧存在1处杂填土层欠密实区，其位于横向81～97 m的范围。后经现场取样验证和加固注浆证实，雷达探测成果精确可靠。

3 结语

路面下方土体中的细颗粒介质出现流失后，若水位下降，则土体的孔隙率变大，当电磁波传播到异常区土体时，其产生较强的反射、散射和折射，与周围土体介质形成鲜明对比。工程实践证明，地质雷达在地面塌陷探测中有很好的应用效果，能够快速、准确地探测出地下欠密实区、土体松散或空洞等典型病害的位置、埋深和规模等。采用地质雷达对城市地下典型病害区进行“把脉听诊”，可以将地下情况以图像的方式呈现出来，减少不必要的地面开挖工作，并可勘测出地下塌陷隐患的规模、空间分布和空洞大小等情况。人们可以据此分析其成因、可能的发展趋势，判定其危险性，然后根据实际情况，及时采取灌浆等方法进行修复，在城市道路和地面塌陷的应急抢险阶段，采取防治结合的方法，维护城市道路交通及其他基础设施的安全。

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