地鐵施工地下空洞探測(cè)及治理技術(shù)研究

楊碩

摘 要：為了實(shí)現(xiàn)對(duì)地鐵施工區(qū)域地下空洞的探測(cè)，以某市軌道交通4號(hào)線一期工程火車(chē)站—北廣場(chǎng)站空洞探測(cè)為研究對(duì)象，采取探測(cè)雷達(dá)技術(shù)對(duì)地下結(jié)構(gòu)存在的異常點(diǎn)進(jìn)行探測(cè)，根據(jù)探測(cè)雷達(dá)地質(zhì)圖分析并確定空洞位置、發(fā)育特征，并提出一些有針對(duì)性的空洞處理建議。但是，由于物探技術(shù)存在解釋多樣性、本身局限性等問(wèn)題，在實(shí)際探測(cè)過(guò)程中應(yīng)強(qiáng)化對(duì)地下管線的保護(hù)及監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)進(jìn)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(cè)提供一定的經(jīng)驗(yàn)參考。

關(guān)鍵詞：地鐵施工;空洞;探測(cè)雷達(dá)

中圖分類(lèi)號(hào)：TU443文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：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(jīng)濟(jì)發(fā)展以及城鎮(zhèn)化建設(shè)的不斷推進(jìn)，地下空間開(kāi)發(fā)利用程度不斷提高，地鐵建設(shè)里程以及建設(shè)規(guī)模不斷加大[1]。在地鐵施工過(guò)程中存在一系列的地質(zhì)問(wèn)題，如大型機(jī)械振動(dòng)及地層擾動(dòng)帶來(lái)的空洞問(wèn)題。若地下空洞沒(méi)有得到較好治理，極可能會(huì)造成地表沉陷，給城市道路交通安全帶來(lái)不利影響，因此，需要對(duì)空洞位置進(jìn)行詳細(xì)探測(cè)[2-3]。探測(cè)雷達(dá)因具有探測(cè)效率高、地層擾動(dòng)小、成果直觀等優(yōu)點(diǎn)，在地質(zhì)工程探測(cè)中應(yīng)用較為廣泛[4]。本文采用探測(cè)雷達(dá)技術(shù)對(duì)某市城市軌道交通4號(hào)線一期工程火車(chē)站—北廣場(chǎng)站地下空洞位置進(jìn)行探測(cè)，并根據(jù)探測(cè)結(jié)果提出針對(duì)性的空洞治理技術(shù)。

1 工程概況

某市城市軌道交通4號(hào)線一期工程火車(chē)站—北廣場(chǎng)站施工采用礦山法，中間建設(shè)有兩個(gè)區(qū)間車(chē)站，考慮到地鐵線路折拐，采用探測(cè)雷達(dá)探測(cè)長(zhǎng)度適當(dāng)長(zhǎng)于區(qū)間線路長(zhǎng)度。探測(cè)區(qū)內(nèi)地層從上到下依次為表層雜物、粉土、黏土、黏質(zhì)粉土，探測(cè)深度為地面下方8m。

2 地下空洞探測(cè)

2.1 探測(cè)技術(shù)

由于4號(hào)線一期工程為該市城區(qū)交通主干線，周邊商業(yè)繁華，來(lái)往車(chē)輛、行人繁多，因此，要求采用的空洞探測(cè)技術(shù)對(duì)周邊環(huán)境影響小，探測(cè)精度及探測(cè)效率高。探測(cè)雷達(dá)可以滿足上述空洞探測(cè)要求，具體采用的探測(cè)設(shè)備型號(hào)為Sir-20。該型號(hào)的雷達(dá)具有工作效率高、性能突出的優(yōu)點(diǎn)，天線、主機(jī)的防塵、防振動(dòng)、防潮濕能力顯著，且不容易受到工作環(huán)境影響，適用范圍廣[5]。

2.2 探測(cè)原理

探測(cè)雷達(dá)探測(cè)的基本原理是將高頻電磁波發(fā)射到探測(cè)區(qū)域地下，采用專(zhuān)用設(shè)備回收地質(zhì)單元反射回的電磁波信號(hào)。電磁波在探測(cè)區(qū)域地質(zhì)單元內(nèi)的傳播服從麥克斯韋方程組（Maxwell's Equations）及傳播介質(zhì)本構(gòu)關(guān)系[6]。

當(dāng)專(zhuān)用設(shè)備接收到反射回的電磁波后，即可根據(jù)反射波特征對(duì)地質(zhì)單元進(jìn)行分析。在不同的介質(zhì)交互界面上，部分電磁波會(huì)被反射，被地表上的接收機(jī)接收;由于電磁特性材料間存在差異，不同的地質(zhì)層間會(huì)發(fā)生透射、反射。接收機(jī)將接收到的電磁信號(hào)放大處理后得到需要的探測(cè)信息。操作人員對(duì)探測(cè)的地下目標(biāo)進(jìn)行成像處理，從而使探測(cè)結(jié)果更為直觀顯示。

介質(zhì)的電特性直接影響在介質(zhì)內(nèi)傳播的波速、波長(zhǎng)及衰減等特征，因此探測(cè)雷達(dá)的工作參數(shù)與性能極限和介質(zhì)電特性密切相關(guān)。從電導(dǎo)率與穿透深度的關(guān)系圖可以看出（見(jiàn)圖1），電導(dǎo)率直接影響電磁波在介質(zhì)中的穿透能力和穿透深度，介質(zhì)電常數(shù)決定電磁波的傳播速度和覆蓋范圍。

根據(jù)探測(cè)雷達(dá)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(cè)雷達(dá)在地表下方2.5 m深度探測(cè)出的不同半徑空洞模擬反射界面如圖2所示。

根據(jù)探測(cè)雷達(dá)的探測(cè)經(jīng)驗(yàn)及理論模擬分析結(jié)果歸納出的鋼筋耦合探測(cè)、空洞探測(cè)及地質(zhì)界面平層探測(cè)電磁波反射模型如圖3所示。

為了更好地對(duì)探測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、解釋?zhuān)矠榱藴?zhǔn)確地對(duì)地質(zhì)單元內(nèi)空洞位置、直徑等進(jìn)行探測(cè)，需要解釋的物理參數(shù)包括探測(cè)雷達(dá)的探測(cè)時(shí)間、電磁波反射系數(shù)、電磁波傳播速度、電磁脈沖旅行時(shí)間、天線間距及探測(cè)深度等。根據(jù)探測(cè)經(jīng)驗(yàn)及地鐵4號(hào)線火車(chē)站—北廣場(chǎng)站地質(zhì)條件、外界環(huán)境等，對(duì)空洞精細(xì)探測(cè)采用的電磁波頻率為400 MHz，該電磁頻率還可以對(duì)脫空、坍塌、疏松等地質(zhì)異常體進(jìn)行探測(cè)。具體探測(cè)程序?yàn)橄炔捎?70 MHz頻率對(duì)深度在8 m的地層展布連續(xù)性進(jìn)行探測(cè)，初步確定是否存在空洞;之后采用400 MHz電磁波頻率對(duì)探測(cè)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。為了提高探測(cè)精度，采用人工移動(dòng)天線的方式，避免車(chē)載方式展布范圍小、靈活性差的問(wèn)題。

2.3 探測(cè)測(cè)網(wǎng)布置

根據(jù)探測(cè)區(qū)域地表?xiàng)l件以及探測(cè)要求，采用測(cè)量輪探測(cè)方式，具體布置的測(cè)線如圖4所示。

在探測(cè)雷達(dá)對(duì)得到的地質(zhì)異常點(diǎn)進(jìn)行分析后，為了提高對(duì)異常點(diǎn)的探測(cè)精準(zhǔn)度，采用縱向、橫向探測(cè)相結(jié)合的方式，提升探測(cè)密度，異常點(diǎn)探測(cè)網(wǎng)布置如圖5所示。

在實(shí)際探測(cè)時(shí)，布置的測(cè)線還要滿足下述要求：①測(cè)線布置應(yīng)綜合考慮探測(cè)目的、空洞結(jié)構(gòu)及埋深等，比例尺和測(cè)線布置應(yīng)能反映探測(cè)目標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)，且探測(cè)結(jié)果可以在平面圖上清楚標(biāo)識(shí);②測(cè)線布置應(yīng)在前期異常點(diǎn)探測(cè)基礎(chǔ)上進(jìn)行，對(duì)前期探測(cè)出的異常點(diǎn)進(jìn)行多次重復(fù)測(cè)量，實(shí)現(xiàn)對(duì)異常點(diǎn)的精細(xì)探測(cè);③在地下結(jié)構(gòu)復(fù)雜、地表路面展布不規(guī)整的區(qū)域內(nèi)，應(yīng)適當(dāng)加密測(cè)線，根據(jù)實(shí)際探測(cè)需要，在主測(cè)線間增加輔助測(cè)線。

3 探測(cè)數(shù)據(jù)分析

采用探測(cè)雷達(dá)完成區(qū)域探測(cè)后，要對(duì)獲取的雷達(dá)數(shù)據(jù)及記錄文件進(jìn)行整理，對(duì)接收到的電磁波數(shù)據(jù)進(jìn)行前期預(yù)處理，后續(xù)精細(xì)化處理。處理后的電磁波數(shù)據(jù)具備更高的可度性及信噪比。作業(yè)人員可根據(jù)道路結(jié)構(gòu)、材料等市政工程信息，地質(zhì)資料，前期異常點(diǎn)探測(cè)結(jié)果，應(yīng)用現(xiàn)階段具備的解釋技術(shù)對(duì)探測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)估分析。

采用探測(cè)雷達(dá)的主要目的是確定探測(cè)區(qū)內(nèi)的空洞。當(dāng)探測(cè)區(qū)內(nèi)存在空洞（包括地層脫空、疏松區(qū)域）時(shí)，接收器接收到的反射波波幅會(huì)突然增加，在含水率高的區(qū)域內(nèi)更為明顯，反射波同軸出現(xiàn)不連續(xù)現(xiàn)象。

4 探測(cè)結(jié)果分析

探測(cè)范圍內(nèi)地下管線密布且布置較為復(fù)雜，周邊的機(jī)電設(shè)備、車(chē)輛及構(gòu)筑物等對(duì)探測(cè)雷達(dá)探測(cè)數(shù)據(jù)解釋以及異常點(diǎn)的確定具有一定的不利影響。通過(guò)對(duì)探測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行精細(xì)化處理和多樣化解釋?zhuān)诘罔F4號(hào)線火車(chē)站—北廣場(chǎng)站范圍內(nèi)共圈定20個(gè)地質(zhì)異常點(diǎn)，結(jié)合探測(cè)雷達(dá)探測(cè)圖像，對(duì)具有代表性的A、B、C、D四個(gè)典型異常點(diǎn)展開(kāi)分析，并提出治理措施。

4.1 異常點(diǎn)A

異常點(diǎn)A的主要問(wèn)題是地層不聯(lián)系，探測(cè)不存在空洞。經(jīng)與市政部分溝通確認(rèn)，在異常點(diǎn)A處不存在地下管線，異常缺陷等級(jí)為中等。對(duì)于這類(lèi)問(wèn)題，可以暫時(shí)不做處理，并加強(qiáng)對(duì)沉陷的監(jiān)測(cè)，若發(fā)現(xiàn)問(wèn)題要及時(shí)處理。

4.2 異常點(diǎn)B

探測(cè)雷達(dá)探測(cè)出B類(lèi)異常點(diǎn)反射的電磁波異常，主要原因是地下管道周邊土體密實(shí)度差，淺層有一定程度下陷，地面出現(xiàn)一定程度的開(kāi)裂，異常缺陷等級(jí)判定為嚴(yán)重。對(duì)于這類(lèi)異常點(diǎn)，建議采取淺層路面修補(bǔ)措施。

4.3 異常點(diǎn)C

探測(cè)雷達(dá)探測(cè)出C類(lèi)異常點(diǎn)位于路面下方0.3m處且存在有鋼板，在鋼板下方探測(cè)有空洞存在，空洞附近存在污水管線。經(jīng)與市政部門(mén)溝通，確認(rèn)附近確有污水管線，異常缺陷等級(jí)判定為嚴(yán)重。對(duì)于此類(lèi)空洞異常點(diǎn)，可采取注漿加固措施，對(duì)存在的空洞進(jìn)行填充，避免后續(xù)出現(xiàn)地表下沉問(wèn)題，給地面交通正常進(jìn)行造成不利影響。

4.4 異常點(diǎn)D

由探測(cè)雷達(dá)探測(cè)結(jié)果得知，在異常點(diǎn)D處反射的電磁波異常，附近管線密集，在管線兩側(cè)回填土周邊密實(shí)度不夠，淺層存在坍塌，局部區(qū)域存在小直徑空洞，判定的異常缺陷等級(jí)判定為嚴(yán)重。對(duì)于此類(lèi)問(wèn)題，建議采取淺中層路面修補(bǔ)措施。

5 結(jié)語(yǔ)

①地鐵施工多集中在城區(qū)繁華位置，在施工及地下空洞治理過(guò)程中，應(yīng)注意確定地下管線埋設(shè)位置，并提出具體的保護(hù)措施。

②由于采取的探測(cè)雷達(dá)技術(shù)本身存在一定的局限性，同時(shí)物探數(shù)據(jù)的解釋具有多樣性、地下隱蔽工程復(fù)雜，實(shí)際探測(cè)出來(lái)的剖面位置處介質(zhì)電性參數(shù)與標(biāo)定處介質(zhì)電性參數(shù)存在差異，這是導(dǎo)致探測(cè)結(jié)果存在偏差的主要原因。因此，在探測(cè)施工過(guò)程中應(yīng)強(qiáng)化監(jiān)測(cè)工作，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)進(jìn)行治理。

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