GER-10地質雷達在隧道空洞探測中的應用

楊曉軍，邢曉露，馬斗斗

（1.中煤西安設計工程有限責任公司，陜西 西安 710054；2.河南省交通規劃設計研究院股份有限公司，河南 鄭州 450000；3.32016部隊，蘭州 730000）

0 引言

地陷與空洞等道路病害會隨著城市的不斷發展長期存在，如何遏制此類現象的發生，最大程度上減少災難，就要結合實際探討合適且高效的技術方法，地質雷達探測地鐵隧道能滿足社會發展的需求，也對道路空洞無損探測、道路管理和養護具有重大意義。

國內外學者應用雷達技術探測道路病害的手段逐漸增多，地質雷達對道路病害的相關研究也逐漸成為學者們討論的重點，張勁松、叢鑫等人以北京45 000 km地下管線為例，進行大量實驗操作得出各種管線的雷達圖像特征，提高其在地下管線中的準確性；增超、劉東升是通過探地雷達逐漸建立了一套土木工程范圍內圖譜特征識讀系統，在土木工程的工程檢測和驗收中具有重大意義；葛志廣采用6種空洞模型對北京道路的地下空洞病害探測研究，經過分析比對，總結了地質雷達探測道路空洞的信號的識別特征。另有學者將探地雷達技術應用在巖溶塌陷空洞勘查方面，探測結果有效可信。

梳理文獻不難看出，探地雷達有很強的優越性，研究以GER-10 地質雷達為基礎探測西安地鐵某號線北客站至渭南站區間盾構區段隧道結構及空洞隱患，相比其他雷達而言，GER-10的5ps步進控制技術，優化電磁波的穩定度，提高雷達系統的信噪化。

1 研究方法

1.1 儀器設備

此次研究選擇的是青島中電眾益智能科技發展有限公司生產的GER-10型通用地質雷達主機，搭配100 MHz頻率地質雷達天線進行。

1.2 地質雷達探測隧道工程空洞機理

探地雷達在隧道工程中探測空洞，雷達電磁波在向周圍圍巖發射過程中，遭遇不同波阻抗界面時將產生反射波和折射波，并遵守反射、折射原則，可表示為：

其中：ε1、ε2分別為上下介質的介電常數。

探地雷達探測的深度與環境介質導電率σ和工作頻率f均呈反比關系，雷達探測分辨率與工作頻率成正比關系，其縱向分辨率Δh與橫向分辨率Δx分別為：

式中：λ＝V/f 為電磁波波長（m）；H0為垂直測距（m）。探地雷達工作示意圖如圖1所示。

圖1 探地雷達工作示意圖

在地質雷達進行空洞探測要具備的條件有：路面基層與上下介質、缺陷異常體和周圍介質的介電性存有不同，而介質中的介電常數取決于其物質成分與結構，含水量等主要因子。表1是與空洞相關介質的物理參數表。

表1 與空洞相關介質的物理參數表

2 工程應用

2.1 隧道工程概況

西安市地鐵某號線于2014 年開始建設，是2019 年開通試運營；是西安市軌道交通東西向的核心線路，西安市東西向人流量大、公交壓力相對較大的交通走廊。在地鐵運營期間局部路段隧道結構出現道路病害，存在空洞、空隙等隱患，此次的線路位置為西安地鐵某號線北客站至渭河南站區間盾構區段。

2.2 探測范圍

研究區域位于陜西省西安市未央區，經度108°55′43.5″，緯度34°22′42.5″；區域房屋建筑密集，人口流動性大，交通設施復雜。線路探測的起止里程為K1+110～K2+081。根據現場施測環境情況，最終探測區間起止里程為K1+280～K2+276，探測范圍寬度約為40 m。

2.3 探測段落及測線布置

探測采用GER-10型通用地質雷達主機，搭配100 MHz頻率地質雷達天線進行，具有5 ps步進控制技術，能滿足各種探測目的和需求；采用連續探測方法，對地鐵上方的道路掃描及時發現地下空洞的遍布和范圍，減少因道路空洞引發的路線塌陷災害的頻發。根據地鐵的位置以及實際情況，測線布置見圖2。

圖2 地質雷達測線布置示意圖

2.4 地質雷達結果解譯

首先為了使標記與標記之間距離相等，對探測資料進行距離歸一化處理修正測量速度；其次，經過數據處理為數據解釋提供更清晰的圖像。在獲得清晰且高質量的探地雷達影像的基礎上進行判讀，探測解釋結果會更加準確可靠。地質雷達圖像解釋的核心內容是識別干擾波和目標體的探地雷達的圖像特征。探地雷達會在接收信號的同時受到各種干擾信號，其干擾波會形成特殊形狀，在分析中要根據形狀加以辨認，主要有4 種表現形式：密實、不密實、空洞、脫空。密實指的就是波形均勻且界面信號幅值弱；不密實則是界面反射信號強，同相軸不連續，呈區域化分布；空洞呈現的形式是界面反射信號強，三振相顯著，其下部還具有強反射界面信號，有較大的時程差；脫空和空洞類似，信號強且三振相明顯，但呈現長條形或者三角形狀布設，還存在多次反射信號。

2.5 探測結果及結論

通過對西安市地鐵某號線明光路段進行的地質雷達空洞探測，得到的結論有：①經過雷達數據分析，基層輕微不嚴實1處，基層含水率大4處；②在探測過程中經過數據處理，出現脫空異常界面1 處，進行復測和核查，發現其是北渭區間U 型槽處隧道結構，實際的路面無脫空現象；③靠近路邊的井蓋、紅綠燈標桿等會影響探測數據分析，對此類數據標注，其探測的結果不予考慮。

經過綜合分析，機場城際鐵路下穿明光路段道路探地雷達空洞探測，雷達數據譜圖和結果及檢核復測分析得出結論最終為：北客站至渭河南站區間盾構區段（里程范圍為K1+110～K2+081）隧道結構上方路面無空洞異常。

3 結語

以西安市地鐵隧道空洞探測為例，討論了空洞探測的研究方法，分析了機場城際鐵路下穿明光路段市政道路下的剖面異常，對開展地鐵探測工作具有一定的借鑒意義。在人流量和車流量較大的繁華城市道路開展探地雷達探測，會受到各種信號源的干擾，空洞確認較為困難。以GER-10地質雷達探測空洞具有一定的優勢，5 ps步進控制技術，優化電磁波的穩定度，提高雷達系統的信噪化。但也要考慮異常形態特征篩選分析空洞，更要深刻認識各種類型的異常現象。在思考如何進一步提高空洞探測技術的同時，更要明白探測道路病害帶來的重要意義，不僅可以使城市容貌煥然一新，也會讓人們對居住有更好的安全感和幸福感。