季节性冻土区城市道路路基下空洞探测的反映

张聪

（中铁第五勘察设计院集团有限公司）

1 引言

城市道路与人民日常工作生活关系密切，它是构成城市交通体系的主干，联系着城市不同功能区块，是人民生活便利的纽带，其安全与否对人民生命安全影响极大。但是随着城市快速发展，地下空间被开发利用，如地下管线的铺设、地铁交通的建设以及各种地下通道的建设。这些地下工程的施工势必会扰动城市道路原有路基下地层结构，改变地下水文环境，从而导致城市道路路基下土体松动塌陷，形成空洞，而空洞隐患若不能及时的被发现处理任由其进一步发展可能导致路面突然坍塌，对路上行人及车辆造成极大危害。为及早发现空洞隐患，采用地质雷达法对城市道路进行探测，并对探测结果进行分析处理，为道路维护及处理提供依据可大大降低由空洞造成的风险事故。

2 工程概况

2.1 工程地质概况

吉林省中南部某市，属于低山丘陵区，地处长白山余脉与松辽平原的过渡带。市区东高西低，北高南低，南北方向丘陵起伏。属北温带大陆性气候，夏季温热多余，冬季漫长严寒少雪。冻土期为11月～3月，最大冻土深度160cm～217cm。地质构造属于辽东台背斜，即新华夏系构造带，东南新华夏系第二隆起带哈达岭背斜西南端横张断裂带内，为东西向天山到阴山构造带的复合交接部位，北西向拗斜盆地。地层以第四系地层为主，表层填土厚度约为1.0m～2.5m，下部为第四系冲积层，主要为粉质黏土、砂土；其中粉质黏土层多呈灰褐色软塑-可塑状态，土质均匀，韧性中等，厚度约3.0m～8.0m；砂土以中、粗砂为主，多呈灰色，稍密状态，级配不良。下伏基岩主要为侏罗统长安组含煤地层和华力西晚期侵入的黑云母斜长花岗岩。本地区地震带属于构造地震，主要沿东西向构造带展布，震中一般处于构造断裂的交叉处，地震烈度七度。

2.2 项目情况

道路区间里程K0+000～K1+719，线路总长1719m。区间道路下管线复杂，近期新增顶管法施工雨污水管线，管顶埋深3m～8m，根据详勘阶段岩土工程勘察报告，本区间勘探揭露的地层从上至下分述如下：

①沥青路面及垫层，层厚0.4m～0.6m；②杂填土，层深1.7m～6.0m；③粉质黏土，层深0m～4.4m；④角砾，层深0m～2.8m；⑤安山岩或花岗岩。

市区内水系发育，流程短、比降大，山洪陡涨陡落，冲刷能力强，易形成洪涝灾害。其中渭津河与东辽河汇河口位于探测道路大里程端，探测路段路基含水率受河道水位影响较大。

为查清本区间城市道路路基地层以下空洞和不密实异常分布情况，项目采用地质雷达探测的方法对项目区间进行空洞探查。

3 探测要求及设备

探测范围是道路中线及左右1.5m范围布设测线，测线间距原则上为1.5m，深度至地表下8m。根据区间地形、地物和地质情况，结合前期工作经验和地下空洞与周围介质具有较大的物性差异和电磁差异的特点，本次探测方法选择探地雷达法。本工程采用美国GSSI公司所生产的SIR-4000型地质雷达与100MHz天线。

结合探测深度要求及现场地层介电常数测定，本次探测雷达参数选取如下：天线选择100MHz天线；测量模式为连续测量，局部异常区域点测加密测量；根据地层情况、含水率差异及探测深度要求实时调整记录长度200ns～800ns；介电常数5.5～9。

4 探测结果分析

资料处理方法完全按照内业整理流程进行，即根据探测资料，结合地面干扰，对原始资料进行预处理和数据处理，剔出废道、进行测线方向一致化及漂移处理等，获得完整的雷达剖面曲线。对探测数据先进行目视判读和初步解译，将拾取目标物(空洞)引起的异常进行图像分析和处理，进行必要的滤波、偏移处理、图像增强处理等，突出可能由目标体引起的有效异常，压制、排除各种干扰引起的干扰异常，重点分析特征波的同相轴变化，如同相轴错断、局部缺失、反射波波形畸变、反射波频率变化等，同时分析各种干扰因素如地下管、车辆等引起的异常特征，排除各种干扰引起的异常，从而获得目标体引起的异常特征。

探测结果图像分析总结工作十分有意义，他能够帮助我们对类似异常体反映情况图像特征进行总结，为类似工程探测图像分析提供参考依据及数据库。地质雷达探测结果图像复杂，因物探法的多解性的原因，相应的探测结果图像中也存在较多的干扰信号，这会误导我们做出正确的分析。

水平叠加处理：主要目的是消除随机干扰和增强信号。

背景滤波处理：主要目的是消除振荡影响、水平地质层干扰，以突出局部异常，提高对空洞识别能力。

干扰滤波处理：对能量较大电台干扰和外界高频干扰进行滤波，通过滤波算法处理，消除了水平层状强干扰，异常得到突出。

反褶积处理：采用预测反褶积进行处理，一方面提高数据的分辨率，另一方面消除振铃效应对管线下部空洞所产生异常的影响。

图1 空洞ET1异常雷达剖面图

图2 空洞ET3异常雷达剖面图

图3 空洞ET16异常雷达剖面图

图4 空洞ET10异常雷达剖面图

表1 探测结果分析

5 结语

季节性冻土区地区路基空洞探查采用地质雷达法进行探测速度快，在采用合理的测线布设及数据处理方法后探测准确度较高。由于疏松的土体、空洞空腔及含水空洞等隐患与周围密实原状土体之间存在明显的电性差异，地质雷达波在遇到这些隐患时会出现明显的强反射区域，波形较原状土体杂乱，振幅发生突变或畸变，同相轴错断，这些特征是分析判断路基下空洞隐患的重要标志。

影响地质雷达探测深度及准确率的因素主要为内在和外在两个因素。内在因素主要是受仪器限制，自身探测环境的复杂电磁场环境、探测对象与异常的介电常数差异等因素。外在因素主要为人为因素及探测环境干扰等因素，如是否合理正确的采用采样速率等采集参数，现场探测环境干扰，假异常的识别与提出等这些因素大部分与人的因素有关，受采集人员的经验制约。

结合本工程探测结果统计发现，工程区域内路基空洞多埋深于地面0.5m～2m范围内，均在区域冻土层深度范围内，说明季节性冻土层较正常土层更容易产生土体空洞等道路隐患且经研究对比发现，土壤含水率较多的地层受冻融作用影响形成空洞隐患的几率更大。

季节性冻土区域冻土层由于季节性冻融作用影像会影响其土体强度与整体性，加之地下工程施工的影响极易形成空洞隐患，应加强对季节性冻土区域道路路基冻土层范围内的空洞探测与修复工作。

道路路基下的雨污水等有水管涵破损时，管道内渗水会带走管道周边土体颗粒导致土体疏松，同时水的存在在经历冻土期时会使含水土体受冻膨胀，在冻土融化时又将影响土体体积，最终形成空洞。