地质雷达技术在地铁整体道床病害检测中的应用

张宏萄，张智慧，许 强

(中土建设(北京)工程检测有限公司，北京 100072)

1 引 言

随着城市建设的快速发展，地下空间的利用率迅速提升，而隧道、基坑的开挖对临近(上、下穿越等)地下建筑物的影响越来越大。在已经建成的地铁隧道、车站周围有大量的民用、商用建筑的建设，不可避免地会发生地铁隧道结构及内部设施受到周边设施建设影响的情况。吉茂杰等[1]、卢喜胜[2]利用数值模拟的方法分析出地铁隧道附近基坑开挖过程中各个阶段隧道受力、产生形变的情况；刘松[3]、肖同刚[4]使用地铁隧道内沉降位移监测等手段，在周边基坑开挖过程中掌握了隧道变形监测数据，提出了隧道安全范围内的沉降量限值。

地铁隧道内部轨道结构一般分为普通整体道床、Ⅲ型轨道减震器、弹性短轨枕(弹性支撑块)、梯形轨枕、钢弹簧浮置板道床等形式[5]。其中整体道床的病害在地铁运营线路中比较常见，给地铁行车安全带来许多不利的影响[6]。在地铁运营过程中，受地铁隧道周围施工影响产生的道床剥离，道床断裂是较为隐蔽和致命的，病害严重的道床路段甚至会危及地铁的行车安全[6]。

近年来，地质雷达无损检测技术在隧道检测[7-9]中得到了大力的推广和应用，李又云等[10]分析了地质雷达在隧道整体道床检测中的可靠性，认为地质雷达无损检测可确定道床病害的具体位置及缺陷类型。本文分析了地铁隧道由周边基坑、隧道开挖引起隧道内整体道床病害的地质雷达检测结果，不涉及由渗水引起的道床与结构边墙剥离、道床出现渗水裂缝[6]和混凝土不密实[10]等病害的讨论。

2 地质雷达探测技术

地质雷达(Ground Penetrating Radar，简称GPR)方法是一种用于确定前方介质分布的广谱(1 MHz～2.5 GHz)电磁波技术，是近年来兴起的一种新兴的地下探测[11,12]与混凝土建筑物无损检测[13]新技术。该方法的天线屏蔽干扰小，探测范围广，分辨率高，具有实时数据处理和信号增强的功能，可进行连续透视扫描，现场实时显示二维彩色图像[14]。地质雷达工作示意图见图1。

图1 地质雷达工作示意图Fig.1 The working principle of GPR detection

地质雷达通过雷达天线对隐蔽目标体进行全断面扫描的方式获得断面的扫描图像，具体工作原理是：雷达系统利用天线向地下发射宽频带高频电磁波，电磁波信号在介质内部传播遇到介电差异较大的介质界面时，就会发生反射、透射和折射(图2)。两种介质的介电常数差异越大，反射的电磁波能量也越大。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，工程技术人员通过对雷达图像的判读，判断出地下目标物的实际结构情况。道床剥离、道床内部病害与周围道床混凝土有较大的电性差异[15,16]，采用地质雷达方法具备较好的地球物理前提[17-19]。

图2 地质雷达工作原理Fig.2 Schematic diagram of GPR prospecting principle

电磁波的传播取决于介质的电性，介质的电性主要有电导率μ和介电常数ε，前者主要影响电磁波的穿透(探测)深度，在电导率适中的情况下，后者决定电磁波在该物体中的传播速度，因此，所谓电性介面就是电磁波传播的速度面。不同的地质体(物体)具有不同的电性，因此，在不同电性的地质体的分界面上，都会产生回波。

地质雷达基本参数如下：

1)电磁脉冲波旅行时间

(1)

式中：z为勘查目标体的埋深，单位为m；x为发射、接收天线的距离，单位为m(式中因z≫x，故x可忽略)；v为电磁波在介质中的传播速度，单位为m/ns。

2)电磁波在介质中的传播速度

(2)

式中：c为电磁波在真空中的传播速度(0.299 79 m/ns)；εr为介质的相对介电常数；μr为介质的相对磁导率，单位为S/m(一般μr≈1)。

3)电磁波的反射系数

电磁波在介质传播过程中，当遇到相对介电常数明显变化的地质现象时，电磁波将产生反射及透射现象，其反射和透射能量的分配主要与异常变化界面的电磁波反射系数有关：

(3)

式中：r为界面电磁波反射系数；ε1为第一层介质的相对介电常数；ε2为第二层介质的相对介电常数。本文中使用的介质的介电常数见表1。

表1 介质电性特征

4)地质雷达记录时间和勘查深度的关系

(4)

式中：z为检测目标体的深度，单位为m；t为雷达记录时间，单位为ns。

实测时将雷达天线紧贴于探测面，沿测线连续滑动，采用测距轮进行定位，根据系统配置和天线滑行速度设定空间采样率，雷达主机实时记录每个测点反射波的时间和振幅值，构成连续雷达剖面。当道床下方的波速已知时，根据所探测到的双程旅行时，就可以求得目标体的位置和埋深。应用专业软件，分析反射波同相轴的波形和波阻特征，就可以获得道床下方的结构信息。

3 工程实例

检测两段整体道床使用的设备是瑞典MALA公司生产的X3M地质雷达主机及配套的500 MHz、 800 MHz屏蔽天线。在初次检测时，对两种天线进行了测试，依据检测时的《城市工程地球物理探测规范》,确定使用800 MHz 屏蔽天线对地铁隧道内整体道床进行检测。详细检测参数见表2。检测道床情况见表3。与地质雷达检测同步进行的是对发现问题隧道主体结构进行了检测，并记录了发现的问题(表4)。

表2 检测参数

表3 检测道床情况

表4 隧道主体结构异常情况

4 检测结果与验证

现场检测结束后，第一时间对数据进行了分析，北京地铁某号线左线K7+998～K8+016结果见图3，北京地铁某号线左线K23+304～K23+326结果见图4；对两处道床病害位置的分析见表5。

图3 左线K7+998～K8+016地质雷达异常图像Fig.3 The left line K7+998～K8+016 abnormal GPR images

图4 左线K23+304～K23+326地质雷达异常图像Fig.4 The left line K23+304～K23+326 abnormal GPR images

表5 道床病害明细

1)由图3可知，隧道左线K7+998～K8+016道床内部钢筋排布在同一深度，无明显错位现象，说明此处道床内部没有发生形变，整体性较好；K8+007附近道床与结构底板间反射幅值明显增大，同时雷达波同相轴发生变形，与周围道床与地板间分界面有明显区分，这是主体结构与整体道床之间产生剥离(空气层)的典型特征，推断此处道床与隧道结构底板间有剥离病害发生[20]。

2)由图4可知，矿山法区间隧道左线K23+304～K23+326段道床内部界面变形量较大，其中K23+308～K23+324段界面同相轴与原层位同相轴深度不一致，K23+310～K23+321段同相轴向浅部(道床上表面)移动，K23+310、K23+317、K23+323三个部位深度4～6ns时间处地质雷达波同相轴断开，可推断K23+303～K23+327段道床完整性较差，其中K23+310～K23+321段道床形变量较大，整体道床在K23+310、K23+317、K23+323三个部位发生断裂病害。

图5 道床厚度、病害深度验证Fig.5 Verification of track bed thickness and disease depth

检测结果上报后，地铁运营机构对检测结果进行了验证工作：

1)对北京地铁某号线左线K8+007处病害部位进行了钻孔验证[6]，并在钻孔贯穿道床后，对钻孔进行注水，发现此处的确发生了道床剥离病害，钻孔深度见图5，注水验证照片见图6，需要指出的是，在地质雷达图像上左线K8+007处显示病害范围较小，在验证时与该部位相距2 m(K8+005、 K8+009)的钻孔未发现道床脱空病害；

图6 道床剥离验证Fig.6 Verification of track bed stripping

2)北京地铁某号线左线K23+303～K23+327处病害部位，由于深度较浅，且地质雷达图像上显示病害深度接近中央排水沟底部，地铁运维人员将排水沟内积水排净后，对排水沟内污泥等杂物进行冲洗，发现图像异常指向部位确实发生了道床断裂病害，且排水沟底部与侧壁断裂处有能够伸入手掌的病害。

通过对这两处道床病害的验证，说明地质雷达检测对不同深度、不同种类的地铁整体道床病害是有效果的。

5 结 论

通过本文中两种地铁隧道内整体道床地质雷达检测工作，可以获得以下结论：

1)地质雷达对地铁隧道内整体道床病害有明显的检测效果，无论是道床底部与隧道主体结构间的剥离病害，还是道床内部的混凝土破损病害，在地质雷达图像上都能有清晰的显示。

2)当隧道主体结构底部与整体道床结合较为紧密时，混凝土结构破坏的位置可能在道床内部发生，此时应对道床内部即检测深度小于道床厚度的部位予以关注。

3)当隧道主体结构底部与整体道床结合稍弱时，道床整体与隧道主体间相对位置容易发生变化，道床剥离病害更易产生，此时应对道床与隧道主体结构结合部位即检测深度接近道床厚度予以关注。

4)由于整体道床内部或者底部产生的病害都是隐蔽病害，所以当地铁隧道处于周边设施施工影响范围内或者接近影响范围时，针对地铁隧道内的整体道床的专项检测是必要的；当矿山法隧道受到影响的范围内主体结构裂缝异常增多，盾构法隧道管片间错台现象异常增多，隧道的位移量及位移速率突然增大，都是提示道床内部病害须检测的信号。

5)地质雷达检测成果明确了周围工程开挖对既有结构现状的影响，为结构安全评估提供了实测参数，并为加强既有轨道交通设施的维护管理，以及安全可靠的运营提供了数据支持。