地质雷达探测地铁沿线未知涵洞的研究与应用

黄真萍， 吴阳， 邱宗新， 李萍， 林之航

(1. 福州大学环境与资源学院, 福建 福州 350108； 2. 国土资源部丘陵山地地质灾害防治重点实验室(福建省地质灾害重点实验室)， 福建 福州 350108； 3. 福州市勘测院, 福建 福州 350108)

0 引言

随着我国城市化速度加快， 素有城市生命线之称的城市轨道已成为现代交通建设的主要方向之一， 而在工程建设中， 各种复杂的地质条件严重阻碍了其发展进程. 因此， 为确保拟建工程顺利进行， 在施工前， 查明施工范围及周边地下隐蔽工程和地下异常地质体的位置， 并及时对其进行处理具有重要意义.

近年来， 各类工程已将地质雷达探测技术作为前期勘察的重要物探手段， 并有众多学者对其探测效果进行研究. Singh等[1]将地质雷达特征与钻孔数据联系起来， 利用其相关性来查明旁路隧道施工的真实地层条件； 国内外众多学者[2-9]用地质雷达探测技术对地下未知目标物进行探测， 并取得大量的研究成果， 对工程建设做出巨大贡献； 张崇民等[10]将探地雷达技术运用于隧道超前探测中， 并提出全波形反演的解译方法； 王署强等[11]详细研究了TSP技术预报的准确性， 并提出精确的预报方法； 刘宗辉等[12]在总结大量工程实例的基础上， 得出典型岩溶不良地质类型与雷达属性参数具有很好的相关性， 从而可以较好地区分岩溶地质类型， 在很大程度上提高探地雷达对目标物的识别精度.

综上所述， 目前对地质雷达的研究一方面是将地质雷达探测技术进行常规的应用, 以初步实现划分地层、 揭示地下不良地质体位置的目的， 另一方面是在对地质雷达的解译提出新方法. 但针对于地质雷达探测技术本身存在多解性问题， 一直影响着该技术在实际工程中的广泛应用[13]， 因此怎样结合前期地质资料设计出合理的测线布设方案以提高分辨率方面的研究仍有待进一步深入. 本文侧重分析根据场地条件和探测的目标物选择纵横跟踪剖面和观测系统， 在设计的基础上采集地质雷达记录， 并在资料处理时选择有效的处理模块和参数， 从而得到最佳的地质雷达剖面， 以实现综合识别目标物的目的.

1 地质雷达探测基本原理及特征参数

1.1 基本原理

图1 地质雷达原理图

地质雷达探测技术是利用高频电磁波在地下电性界面的反射， 以探测有关目标物的一种物探方法[14]. 地质雷达的发射和接收天线紧贴地面， 由发射机发射的短脉冲电磁波经发射天线辐射传入大地， 电磁波在地下传播过程中遇到介质的分界面后便被反射或折射， 反射回地面后被接收天线接收到回波， 回波信号因传播路径、 电磁场强度及波形在传播过程中介质的电性差异及几何形态的不同而发生变化， 通过雷达主机精确记录回波信号的运动特征， 便可获得地下介质的断面扫描图像[15]. 根据扫描图的波形及反射波的强度特征可追踪图像中同相轴等灰度线或等色线， 结合其他勘探资料， 即可识别地下目标物. 其探测原理如图1所示.

电磁波的反射信号强度主要取决于上下层介质的电性差异， 差异越大反射信号越强[16]. 雷达波穿透深度与地下介质电导率和中心频率相关， 即电导率越高， 穿透深度越小； 中心频率越低， 穿透深度越大.

1.2 特征参数

电磁波的传播特性取决于介质的电性参数[17]， 介质的电性参数主要有电导率和介电常数， 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. 不同的地质体(物体)具有不同的电性参数， 因此， 在不同电性地质体的分界面上都会产生回波. 地质雷达基本参数包括如下两个参数.

1) 脉冲电磁波往返需时

(1)

式中：x为发射、 接收天线的距离；z为电磁波遇到反射界面的深度；v为电磁波在介质中的传播速度；c为光速；μr为介质的相对磁导率， 一般情况下μr≈1；εr为地下岩层的相对介电常数.

图2 地质雷达工作示意图

2) 电磁波的反射系数. 电磁波在分界面上的反射系数主要与介电常数有关， 在两层介质的分界面上， 当介质的介电常数存在差异时， 才会发生反射， 分界面两侧的介电常数差异越大， 反射能量越强[18]， 图2为雷达波反射的工作示意图. 垂直发射点和接收点沿地面位置改变时所得到的波形图， 由于入射波抵达反射界面时， 两种不同介质界面的反射系数不同， 所以表征各界面存在的反射波幅度也不一样[19]. 对于垂直入射的情况， 其反射系数的模型用下式表示.

(2)

(3)

(4)

(5)

式中：μ1、μ2为不同介质磁导系数；ε1、ε2为不同介质介电常数；σ为介质电导率；f为电磁波频率.

2 应用实例

2.1 工程概况

本研究对象为东南某沿海城市的地下轨道交通工程， 场地主要属于冲、 淤积区， 地貌类型总体以山前冲积平原地貌为主， 部分场地为剥蚀残山地貌. 沿线场地总体地势起伏不大， 除局部山体， 高程主要在5～13 m之间. 地表水体主要为乌龙江及市区内河水系， 地下上层滞水埋深一般在1.0～2.0 m之间； 沿线场地自上而下分布的地层主要有： 填土、 粉质粘土、 淤泥质土、 残积土、 中砂、 卵石、 花岗岩等典型地层.

该轨道交通路线主要呈东西走向， 沿线多为市区主干道、 住宅、 写字楼、 商店、 桥梁等. 前期勘查重点是探查轨道交通建设范围内的不良地质体， 包括地下基础(桩基、 地下室等)、 地下空洞、 管线、 涵洞等. 由于研究区段位于交通主干线， 来往车辆众多， 因此需要选择具有效率高、 精度高， 且对路面和环境影响小的探测方法， 经过对多种物探方法的实用性进行分析后， 选用地质雷达物探方法进行探测.

2.2 采样参数的选取及测线布置

本次地质雷达探测仪器选用瑞典MALA地球科学公司生产的RAMAC X3M 型探地雷达. 探测时， 测线使用发射频率为100 MHz 的屏蔽天线， 采样频率为1 099 Hz， 采样时间为400 ns， 道间距为10 cm， 以连续方式进行数据采集.

此次探测主要是为了查明地下即将开挖区域是否存在不良地质体及其分布情况， 经现场勘查发现地铁施工区域内可能存在双孔箱涵过水通道. 为更好地进行天线选择、 数据处理和解释工作， 更精确地探测地下涵洞分布情况， 需要根据场地条件确定地质雷达工作时的物理参数， 具体包括： 电磁波在介质中的传播速度、 电磁波的反射系数、 介质密度等. 涵洞中的内容物一般为空气、 水、 砂和淤泥等， 且内容物的上层几乎为空气和水. 表1为主要介质物性参数统计表， 由表1可知空气的相对介电常数最小为1， 水的相对介电常数最大为81， 由于内容物的介电常数指标与混凝土差异很大， 即应用地质雷达探测涵洞边界的方法可行.

表1 主要介质物性参数统计表

图3 探测剖面布置

结合现场实际工程地质条件， 设计探地雷达剖面首要考虑沿轨道走向布设. 根据已出露涵洞位置位于工程建设范围内北东方向， 在确定该涵洞具体分布范围时， 采用横向探测与纵向探测相结合的方式来增大探测密度， 并遵循横向探测剖面尽量与涵洞走向垂直或与走向大角度相交的原则， 使涵洞断面与测线相交面积最大. 图3为涵洞探测的剖面布置图， 此次探测分三组， 共9个剖面进行布设， 其中第一组为剖面1-1′～3-3′， 用以探测涵洞的入口位置及规模； 第二组为剖面4-4′～7-7′， 用以探测涵洞的发展情况； 第三组为剖面8-8′～9-9′， 用以探测涵洞的出口位置.

2.3 处理模块及参数选择

地质雷达数据处理的目的是对各种干扰信号进行压制， 最大化凸显有用信号， 以便从地质雷达图像中把目标物的真实情况尽量具体、 准确、 明显地解释出来. 本文采用REFLEXW地质雷达处理软件中的2D数据分析模块， 根据如图4所示处理流程对地质雷达所采集的记录图像进行处理. 在对信号进行滤波处理过程中， 不同的滤波参数会影响滤波效果， 因此滤波参数的选取与雷达剖面图像的最终处理结果直接相关. 本文在对时间域进行一维滤波去直流漂移处理时， 开始滤波时间取总时窗的2/3， 结束时间可取总时窗时间； 增益调节过程选取能量衰减模式较自动增益调节模式更为合理[20]； 在进行二维滤波处理时， 可选择抽取平均道或背景消除两种方式； 本文选择常用的巴特沃斯带通滤波器， 以频率域算法进行一维滤波处理， 其频率域须包括有效频率信号范围， 并去除无用的高频信号.

图4 地质雷达处理流程

2.4 探测成果综合解释

图5为剖面1-1′附近的钻孔柱状图， 结合涵洞露头处的结构特征及典型钻孔柱状图， 可直观判断出路基填土加固处理深度约为4 m， 双孔箱涵宽约5.0 m、 高约2.0 m. 在对剖面的雷达记录进行增益、 滤波等一系列处理后得到最终的雷达成果图像， 由剖面1-1′段的成果图可建立各目标物的典型特征图像， 通过对特征图像的时间剖面、 波形及振幅的变化规律进行追踪， 从而实现综合识别地下目标物的目的.

经现场勘查发现涵洞露头位置， 布置与涵洞露头走向相垂直的剖面1-1′确定其大致走向及规模， 选取一个与初始剖面1-1′近乎平行的剖面2-2′， 以确定涵洞的延伸方向， 考虑到涵洞分布的方位及规模可能发生改变， 因此布设与剖面2-2′相垂直的剖面3-3′验证涵洞走向. 地质雷达成果图如图6～8所示.

由图6可知， 点位0～1.4 m、 6.6～8.2 m区间深度0～4.0 m范围内， 同相轴基本呈水平分布、 连续性较好、 波组关系较稳定， 振幅中强， 频率中等. 结合场地工程地质条件和地物情况调查分析认为： 点位0～1.4 m、 6.6～8.2 m区间深度0～3.6 m范围的路基岩土体较为密实， 判定其经过加固处理. 点位1.4～6.6 m区间同相轴分布与两侧同相轴明显不同， 振幅、 频率也发生改变. 根据振幅、 连续性变化， 大致可将1-1′剖面分成以下几个区域： 点位1.4～1.8 m、 6.0～6.5 m区间深度0.2～2.5 m范围同相轴波组关系较稳定、 呈弧形分布， 振幅中强、 频率较低； 点位1.8～3.8 m、 4.2～6.2 m区间深度1.0～2.5 m范围同相轴波组关系较稳定、 连续性较好、 呈水平连续分布， 振幅极强、 频率较低， 多次波明显； 点位1.4～6.8 m区间深度2.5～3.6 m范围振幅较强、 频率较低， 同相轴连续性较差. 结合场地工程地质条件和地物情况调查分析认为： 点位1.4～1.8 m、 6.0～6.5 m深度0.2～2.5 m范围为该双孔箱涵的边墙； 点位1.8～3.8 m、 4.2～6.2 m区间深度1.0～2.5 m范围为双孔箱涵过水通道； 点位1.4～6.8 m区间深度2.5～3.6 m范围为双孔箱涵的基础.

图5 剖面1-1′处钻孔柱状图

图6 剖面1-1′地质雷达成果图

如图7所示， 结合同相轴的分布情况、 波组关系、 振幅及频率等参数可分析认为： 点位7.5～16.5 m区间深度0.3～2.8 m范围为双孔箱涵； 点位7.0～16.8 m区间深度2.8～4.0 m范围为双孔箱涵的基础； 点位15.0 m 深度1.8 m处同相轴呈弧形分布， 且存在明显多次反射波， 初步判定此处有塑料排水管通入该箱涵. 在剖面3-3′的地质雷达成果图中(图8)， 点位0.3～0.8、 5.6～6.0 m区间深度0.5～2.8 m范围为该双孔箱涵的边墙； 点位0～6.4 m区间深度2.6～3.8 m范围为双孔箱涵的基础； 点位6.4～14.0 m区间深度0～4.0 m范围内经过加固处理. 由于涵洞内存在城市排水带来的多年松散沉积物且涵洞基础下部有含水率较高、 密实度较差的淤泥质土， 导致在地质雷达剖面上显现出同相轴较杂乱、 连续性较差但反射能量较强的特征. 路基加固处理区下部土体较密实且含水率相对较低， 因此同相轴连续性较好， 波组关系较稳定.

图7 剖面2-2′地质雷达成果图

图8 剖面3-3′地质雷达成果图

综合分析以上成果， 可以认为在1-1′～3-3′的雷达剖面中所显示地下箱涵的横向分布范围由5 m变化为9.5 m再变化约为5 m. 对比剖面1-1′与3-3′解译成果， 箱涵在雷达剖面图中分布范围大致相同， 则表明该两个剖面与涵洞走向相垂直， 结合剖面2-2′的成果图可知涵洞走向在此处发生改变， 最终通过剖面2-2′的方位及现场工程地质状况， 确定工程区域内涵洞露头的分布范围.

为分析涵洞的延伸方向， 仍采用纵横跟踪的设计方案进行剖面布设： 剖面4-4′垂直于道路布设， 剖面5-5′～7-7′沿道路两侧进行布设， 选取4-4′、 7-7′两个典型的地质雷达剖面图进行分析. 根据探测范围内振幅强弱， 频率变化， 同相轴的连续性及分布情况， 可以基本确定路基加固处理区域及双孔箱涵的分布范围， 解译结果如图9所示. 据此可以判定WT2双孔涵洞沿剖面7-7′延伸， 其宽度不变， 大致为5 m. 从剖面7-7′的探测成果图中可以看出， 路基加固处理区下部多次波反射现象明显， 且在测线长度为32 m处， 同相轴发生错断现象. 可推测在该断面处， 路基加固处理区下部土体性质发生改变， 在32 m断面右侧土体夯实效果较差且含水率较高， 导致该区域内多次波明显、 反射能量较强.

图9 涵洞路径探测地质雷达剖面成果图

为判定WT2涵洞的出口位置， 采用试测法进行多次剖面布设并采集地质雷达剖面图， 经过解译分析， 最终以剖面8-8′、 9-9′所得成果图以确定涵洞出口位置及其分布范围(图10). 对剖面8-8′、 9-9′的地质雷达成果图的解译分析可知， 剖面8-8′所确定的箱涵宽度为5.0 m. 剖面9-9′所确定的箱涵宽度为2.5 m， 较其他剖面所确定的涵洞宽度减小一半， 故判定剖面9-9′所确定的涵洞应该为双孔涵洞的一支， 并且从剖面9-9′的布设位置可以看出， 该支单孔涵洞离开道路， 发生偏转， 并向路旁区域延伸.

图10 涵洞出口探测地质雷达成果图

2.5 探测成果总结

图11 涵洞地质雷达探测成果图

经过上述对各剖面的地质雷达成果图进行解译分析可得出如下结论： WT2涵洞(双孔箱涵)宽约5.0 m， 高约2.3 m， 箱涵底板埋深约2.8 m， 箱涵下基础宽约5.5 m， 高约1.2 m， 基础底埋深约4.0 m， 箱涵两侧边墙宽约0.4 m.

从东鹤路右侧发现该涵洞入口起， 涵洞右拐进入主干道并斜向延伸到中线， 并与路中线平行延伸约230 m， 进入东鹤路左道， 然后离开道路向路旁区域延伸至其中一个涵洞出口. 该涵洞出口为单孔箱涵， 另一涵洞出口可能在道路右侧未布测线的区域， 具体位置未知. 双孔箱涵分布区域内未发现其它特殊障碍物， 涵洞地质雷达探测成果如图11所示.

3 结语

1) 地质雷达作为一种无损检测方法， 在场地探测中具有设备便携、 探测速度快、 剖面连续等技术优势， 在工程前期大范围场地勘查中利于推广.

2) 地质雷达探测线路的剖面布设应建立在前期异常点勘查成果的基础上， 采用横向与纵向联合布置剖面的方法， 对异常区域进行着重加密并对异常部位进行比较分析， 是判别不良地质体分布范围的关键.

3) 结合现场工程地质特征， 对地质雷达图像中涵洞分布范围与剖面布设的走向对比分析， 结果表明， 利用地质雷达探测方法确定箱涵的分布范围是可行的， 方法合理、 效果理想， 可为日后类似工程提供参考依据.