地鐵施工地下空洞探測及治理技術研究

楊碩

摘 要：為了實現對地鐵施工區域地下空洞的探測，以某市軌道交通4號線一期工程火車站—北廣場站空洞探測為研究對象，采取探測雷達技術對地下結構存在的異常點進行探測，根據探測雷達地質圖分析并確定空洞位置、發育特征，并提出一些有針對性的空洞處理建議。但是，由于物探技術存在解釋多樣性、本身局限性等問題，在實際探測過程中應強化對地下管線的保護及監測，發現問題及時進行治理。希望本文的研究成果可以為其他地鐵施工空洞探測提供一定的經驗參考。

關鍵詞：地鐵施工;空洞;探測雷達

中圖分類號：TU443文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2020）04-0109-03

Abstract： In order to realize the detection of underground cavity in the subway construction area， the detection radar technology was adopted to detect the abnormal points in the underground structure based on the analysis of the geological map of the detection radar to determine the location and development characteristics of the cavity， and some targeted suggestions for the treatment of the cavity were put forward. However， due to the diversity of interpretation and limitations of geophysical exploration technology， the protection and monitoring of underground pipelines should be strengthened in the actual detection process， and problems found should be treated in time. It is hoped that the research results of this paper can provide some experience reference for other subway construction cavity detection.

Keywords： subway construction;cavity;detection radar

隨著經濟發展以及城鎮化建設的不斷推進，地下空間開發利用程度不斷提高，地鐵建設里程以及建設規模不斷加大[1]。在地鐵施工過程中存在一系列的地質問題，如大型機械振動及地層擾動帶來的空洞問題。若地下空洞沒有得到較好治理，極可能會造成地表沉陷，給城市道路交通安全帶來不利影響，因此，需要對空洞位置進行詳細探測[2-3]。探測雷達因具有探測效率高、地層擾動小、成果直觀等優點，在地質工程探測中應用較為廣泛[4]。本文采用探測雷達技術對某市城市軌道交通4號線一期工程火車站—北廣場站地下空洞位置進行探測，并根據探測結果提出針對性的空洞治理技術。

1 工程概況

某市城市軌道交通4號線一期工程火車站—北廣場站施工采用礦山法，中間建設有兩個區間車站，考慮到地鐵線路折拐，采用探測雷達探測長度適當長于區間線路長度。探測區內地層從上到下依次為表層雜物、粉土、黏土、黏質粉土，探測深度為地面下方8m。

2 地下空洞探測

2.1 探測技術

由于4號線一期工程為該市城區交通主干線，周邊商業繁華，來往車輛、行人繁多，因此，要求采用的空洞探測技術對周邊環境影響小，探測精度及探測效率高。探測雷達可以滿足上述空洞探測要求，具體采用的探測設備型號為Sir-20。該型號的雷達具有工作效率高、性能突出的優點，天線、主機的防塵、防振動、防潮濕能力顯著，且不容易受到工作環境影響，適用范圍廣[5]。

2.2 探測原理

探測雷達探測的基本原理是將高頻電磁波發射到探測區域地下，采用專用設備回收地質單元反射回的電磁波信號。電磁波在探測區域地質單元內的傳播服從麥克斯韋方程組（Maxwell's Equations）及傳播介質本構關系[6]。

當專用設備接收到反射回的電磁波后，即可根據反射波特征對地質單元進行分析。在不同的介質交互界面上，部分電磁波會被反射，被地表上的接收機接收;由于電磁特性材料間存在差異，不同的地質層間會發生透射、反射。接收機將接收到的電磁信號放大處理后得到需要的探測信息。操作人員對探測的地下目標進行成像處理，從而使探測結果更為直觀顯示。

介質的電特性直接影響在介質內傳播的波速、波長及衰減等特征，因此探測雷達的工作參數與性能極限和介質電特性密切相關。從電導率與穿透深度的關系圖可以看出（見圖1），電導率直接影響電磁波在介質中的穿透能力和穿透深度，介質電常數決定電磁波的傳播速度和覆蓋范圍。

根據探測雷達電磁波傳播特性和空洞反射電磁波特性可確定空洞位置、范圍。探測雷達在地表下方2.5 m深度探測出的不同半徑空洞模擬反射界面如圖2所示。

根據探測雷達的探測經驗及理論模擬分析結果歸納出的鋼筋耦合探測、空洞探測及地質界面平層探測電磁波反射模型如圖3所示。

為了更好地對探測數據進行處理、解釋，也為了準確地對地質單元內空洞位置、直徑等進行探測，需要解釋的物理參數包括探測雷達的探測時間、電磁波反射系數、電磁波傳播速度、電磁脈沖旅行時間、天線間距及探測深度等。根據探測經驗及地鐵4號線火車站—北廣場站地質條件、外界環境等，對空洞精細探測采用的電磁波頻率為400 MHz，該電磁頻率還可以對脫空、坍塌、疏松等地質異常體進行探測。具體探測程序為先采用270 MHz頻率對深度在8 m的地層展布連續性進行探測，初步確定是否存在空洞;之后采用400 MHz電磁波頻率對探測結果進行驗證。為了提高探測精度，采用人工移動天線的方式，避免車載方式展布范圍小、靈活性差的問題。

2.3 探測測網布置

根據探測區域地表條件以及探測要求，采用測量輪探測方式，具體布置的測線如圖4所示。

在探測雷達對得到的地質異常點進行分析后，為了提高對異常點的探測精準度，采用縱向、橫向探測相結合的方式，提升探測密度，異常點探測網布置如圖5所示。

在實際探測時，布置的測線還要滿足下述要求：①測線布置應綜合考慮探測目的、空洞結構及埋深等，比例尺和測線布置應能反映探測目標標準，且探測結果可以在平面圖上清楚標識;②測線布置應在前期異常點探測基礎上進行，對前期探測出的異常點進行多次重復測量，實現對異常點的精細探測;③在地下結構復雜、地表路面展布不規整的區域內，應適當加密測線，根據實際探測需要，在主測線間增加輔助測線。

3 探測數據分析

采用探測雷達完成區域探測后，要對獲取的雷達數據及記錄文件進行整理，對接收到的電磁波數據進行前期預處理，后續精細化處理。處理后的電磁波數據具備更高的可度性及信噪比。作業人員可根據道路結構、材料等市政工程信息，地質資料，前期異常點探測結果，應用現階段具備的解釋技術對探測數據進行評估分析。

采用探測雷達的主要目的是確定探測區內的空洞。當探測區內存在空洞（包括地層脫空、疏松區域）時，接收器接收到的反射波波幅會突然增加，在含水率高的區域內更為明顯，反射波同軸出現不連續現象。

4 探測結果分析

探測范圍內地下管線密布且布置較為復雜，周邊的機電設備、車輛及構筑物等對探測雷達探測數據解釋以及異常點的確定具有一定的不利影響。通過對探測數據進行精細化處理和多樣化解釋，在地鐵4號線火車站—北廣場站范圍內共圈定20個地質異常點，結合探測雷達探測圖像，對具有代表性的A、B、C、D四個典型異常點展開分析，并提出治理措施。

4.1 異常點A

異常點A的主要問題是地層不聯系，探測不存在空洞。經與市政部分溝通確認，在異常點A處不存在地下管線，異常缺陷等級為中等。對于這類問題，可以暫時不做處理，并加強對沉陷的監測，若發現問題要及時處理。

4.2 異常點B

探測雷達探測出B類異常點反射的電磁波異常，主要原因是地下管道周邊土體密實度差，淺層有一定程度下陷，地面出現一定程度的開裂，異常缺陷等級判定為嚴重。對于這類異常點，建議采取淺層路面修補措施。

4.3 異常點C

探測雷達探測出C類異常點位于路面下方0.3m處且存在有鋼板，在鋼板下方探測有空洞存在，空洞附近存在污水管線。經與市政部門溝通，確認附近確有污水管線，異常缺陷等級判定為嚴重。對于此類空洞異常點，可采取注漿加固措施，對存在的空洞進行填充，避免后續出現地表下沉問題，給地面交通正常進行造成不利影響。

4.4 異常點D

由探測雷達探測結果得知，在異常點D處反射的電磁波異常，附近管線密集，在管線兩側回填土周邊密實度不夠，淺層存在坍塌，局部區域存在小直徑空洞，判定的異常缺陷等級判定為嚴重。對于此類問題，建議采取淺中層路面修補措施。

5 結語

①地鐵施工多集中在城區繁華位置，在施工及地下空洞治理過程中，應注意確定地下管線埋設位置，并提出具體的保護措施。

②由于采取的探測雷達技術本身存在一定的局限性，同時物探數據的解釋具有多樣性、地下隱蔽工程復雜，實際探測出來的剖面位置處介質電性參數與標定處介質電性參數存在差異，這是導致探測結果存在偏差的主要原因。因此，在探測施工過程中應強化監測工作，發現問題及時進行治理。

參考文獻：

[1]汪旭，胡鵬，張海超，等.反射波層析成像探測地鐵上覆地層空洞及不密實區的數值模擬研究[J].工程地球物理學報，2019（5）：626-634.

[2]衛苗苗，曹鴻，霍曉龍.基于地質雷達的地下空洞探測[J].綠色環保建材，2019（9）：103-105.

[3]劉志生.地鐵施工區段地下空洞探測及病害處理研究[J].施工技術，2019（13）：104-107.

[4]許獻磊，馬正，李俊鵬，等.地鐵隧道管片背后脫空及滲水病害檢測方法[J].鐵道建筑，2019（7）：51-56.

[5]李純陽，周官群，章俊.散射波成像技術在地鐵空洞探測中的應用[J].安徽理工大學學報（自然科學版），2018（3）：40-44.

[6]周陽宗.小排列地震散射掃描技術在地鐵隧道上方土體空洞探測中的應用[J].鐵道建筑技術，2016（7）：37-39，43.