城市道路地下空洞探測及病害治理探討

陳永照

本文使用地質雷達探測法對項目頂管工作區間段路面地下空洞開展無損探測，通過分析地質雷達成像，確定路面地下空洞的方位及形成規模，并對地下空洞的處理提出建議。目前，地質雷達探測城市路面地下空洞是主流方法，對有條件的重點區域，應利用地質雷達的探測方法開展城市道路健康普查以保障道路運營安全。

近幾年，隨著我國基礎設施建設的持續加快，地下空間的開發利用程度越來越高。由于外部擾動，隱藏在城市道路下的地下空洞等病害規模會不斷發展，導致道路塌陷的事故時有發生，造成人民生命財產的重大損失，嚴重威脅公共安全。為有效判定地下空洞的位置并對其進行處理，保護公共安全和城市的和諧發展，道路空洞的有效探測及病害同步治理刻不容緩。傳統的空洞探測方法為打鉆孔取芯探測，較為直觀，單點探測準確率高，但缺點也十分突出，鉆孔探測空洞效率低下，嚴重影響地面交通，損傷路基路面結構。地下空洞的探測應選擇易操作，低成本且破壞小的實施手段，地質雷達探測已成為主流的地下空洞探測方法。

地質雷達法是用發射高頻電波來探測介質內部分布規律的方法,具有無損、快速、連續精度高、分辨率高、實時成像等特點。本文采用地質雷達探測法對廈門某在建頂管施工項目道路路面地下空洞進行了探測,得到了地質雷達成像圖并對地質異常區域進行分析,確定了地下空洞的方位及規模，并對空洞的有效處置提出建議。

一、工程概況

祥平保障房地鐵社區配套綜合管廊及高壓架空線纜化工程位于廈門市同安區西南片區，項目主要開展電力管廊建設，其中約1.2 公里區段采用頂管施工工藝。頂管施工起終點與綜合管廊順接，管頂埋深約6～10m，頂管平面與既有道路線型基本一致，頂管全線位于城市主干路機動車道下，斷面采用單艙形式，斷面尺寸為d3200，地層從上到下依次為混凝土路面、路基結構、砂土、黏質粉土黏土。

二、地下空洞探測

1.探測方法

本項目地質雷達探測區段為城市主干路的機動車道，現狀為水泥混凝土路面，路面車輛眾多，要求探測方法具備高效、高精、易操作。實際探測過程選用設備為RIS-K2 型地質雷達，針對不同探測對象，雷達可選用多種頻率天線。該型雷達體積小、工作效率高、現場操作簡便。

2.探測原理

土層空洞區填充物一般為空氣、水或其他填充物，厚度可由數厘米至數米。空洞內的填充介質與土層介電常數差別大。地質雷達通過發射機對外發射高頻信號，通過配適天線耦合向路面下發射高頻超寬帶信號，發射信號在地層下傳播介質不連續處、突變位置可發生反射，反射信號可被雷達接收天線捕獲并接收，經過內置程序信號處理后獲得目標信息，以此過程實現對路面之下的空洞探測圖1。

圖1 地質雷達工作原理示意圖

3.探測測線布設

因路面交通情況較為復雜，鑒于車載雷達探測展布范圍受限、靈活性差，本次探測采用人工移動天線的方式，在道路行車方向布設6 條測線，測線間距約2.5m，覆蓋道路全斷面。

圖2 地質雷達剖面圖（三類情況）

現場實際探測時，道路上布設的測線還要綜合考慮以下因素：①頂管作業正上方路面測線應適當加密，路面異常點應進行多次重復測量；②路面測線布置應綜合地下不良地質體分布及埋深等，使探測結果可以在平面圖上便于標識；③在十字路口等交叉區域，地下管線分布區域，應根據實際探測需要，在主測線間增加輔助測線提高準確度。

4.探測實施

本次探測工作采用現場地質雷達探測，雷達選用80MHz 收發單置式天線進行數據采集，介電常數為6，采樣點數為512，記錄長度為250 ns，每秒掃描數16，發射率50 KHz，垂向高通濾波器25 MHz，垂向低通濾波器300 MHz。可有效識別淺層地下空洞、疏松、坍塌、脫空和其他異常點。

三、探測圖像解析

地質雷達成果信息的處理和解析是一項復雜、精細、需要大量經驗積累的工作，主要包括信息處理和圖像解析兩部分。現場采集的信號受外界干擾因素多，有用的信號往往被掩蓋，數據解析的難點在于對異常無用信號的分析和篩選。

根路面下空洞與地層存在較大的物性差異，原本連續記錄的波形在不同介質的分界面處會發生明顯波形變化，典型雷達剖面表現為：①路面下基本無異常的區段，各層位的反射波波形清晰，路面基層及以下未現加強或紊亂的反射波形，波形總體趨于平坦。②在地下空洞頂部界面呈現同相軸不連續，反射波出現振幅加大，穿過空洞的雷達波形會表現出無規律的雜亂分布，當出現此類波形分布特征時可大致判斷空洞存在。③波形從兩側向中間的傾斜同向軸，并且很多單波形都呈現同樣的傾向，振幅大大增強，各別點位還出現弧狀異常，也是空洞的一種波形表現形式（圖2）。以下為本項目的實測雷達剖面圖分析：

情況1：路面下基本無異常的區段，剖面上可清晰地見到砼面層底界面的反射波，各層位反射波清晰，基層及以下未現加強或紊亂的波形，波形總體趨勢平坦。

情況2：路面下存在空洞或局部脫空，位于路面結構層下方，頂部深度約0.4m，長度約12m。圖形特征：剖面圖出現了同相軸明顯不連續現象，頂界形成近似雙曲線形態，推斷為空洞所在位置。

情況3：該處測線靠近既有地下管線，判斷為路面下存在空洞或土體疏松，位于路面結構層下方，頂部深度約0.5m，長度約10m。圖形特征：剖面上可清晰地見到砼面層底界面的反射波，很多單波形都呈現同樣的傾向，波形圖表現出無規律的雜亂分布，推斷為空洞所在位置。

四、病害治理

城市道路下空洞主要的治理方案分為以下幾種，方案選擇需要從現場條件、經濟性、處理成效等方面綜合比較。

方案一 ：充填注漿法

空洞發育不明顯，表現為頂板局部脫空或土質疏松狀態時，可以采用鉆孔充填注漿法對空洞位置先行開展壓力灌漿，按照分段分時、多復少灌的實施原則處理地下空洞。該種方法快捷易操作，對地面交通影響小。

方案二 ：開挖后回填法

空洞規模較大，注漿難以達到處理效果的情況下可采用將道路路面挖開，按照路基施工要求重新進行回填至路床，再鋪設路面，路基的壓實度需滿足規范的規定，回填完畢后，恢復原路面結構，并加鋪瀝青。

方案三 ：開挖與充填注漿相結合法

對已暴露出來的空洞，可以更有效的進行地基加固處理；對于人行道的空洞，采用開挖回填方案進行處理；對于已發生沉陷的機動車道，并已將水泥混凝土板打掉的路段，采用充填注漿處理。

五、結語

（1）地質雷達探測地下空洞具有無損、快速、實時成像等特點，是目前技術條件下探測地下空洞的一種實用方法。

（2）地質雷達在識別地下空洞的準確位置和發育程度等方面的研究仍存在不足，判別自動化程度仍不高，目前技術主要還是依靠人工解析，因為經驗不足導致虛警的情況較常見，需要針對不同使用情況進行二次開發，促進地質雷達的使用推廣。

（3）頂管等地下工程施工過程中，對地質雷達方法探測顯示的空洞發育區，可利于變形監測、鉆孔注漿等方法充分保障施工及道路運營安全。

（4）由于地下空間的開發利用，現狀城市道路下客觀存在脫空、土質疏松、空洞等病害情況，對有條件的重點區域，應利用地質雷達的探測方法開展城市道路健康普查。