地质雷达在轨道交通工程回填土密实情况检测中的应用

徐永亮，谢峰，黄溯航，庞炜，马伟

（北京城建勘测设计研究院有限责任公司，北京　100101）

摘要：本文选择北京某城市轨道交通指挥中心作为试验场地，采用地质雷达探测和原位测试相结合的方式对回填土密实情况进行检测，评价了场区回填土密实情况。形成如下结论：（1）原位测试结果同地质雷达检测结果吻合，采用地质雷达对回填土密实性的检测切实可行；（2）场区普遍存在回填不密实的情况，出现3处土层严重疏松异常、1处土层中等疏松异常；（3）回填土层密实度整体空间差异性较大，场区埋深1～3.5m范围内的回填土严重疏松，为上层滞水提供储水条件和渗流途径，存在地面沉降和出现地下空洞的安全隐患。

关键词：地质雷达；原位测试；回填土；密实性

近年来，各大城市加大了城市轨道交通工程的规划建设，大部分指挥中心、车站及附属工程在施工过程中会采用开挖形式，开挖后，再对场地进行回填。如果场地填土回填的不密实，一方面，会产生地面沉降，破坏地下管线；另一方面，填土长期受到上层滞水浸泡和冲刷，细颗粒不断被带走，未来可能会形成地下空洞，造成地面坍塌，对人员、车辆以及地下管线都构成安全隐患。目前，国内城市轨道交通较为发达的一线城市已经开始针对回填土密实情况及可能出现的安全隐患开展研究工作，其中，回填土密实情况的检测是研究的难点和热点。本次研究选择北京某城市轨道交通指挥中心场地作为试验场地，采用地质雷达探测和原位测试相结合的方式对回填土密实情况进行检测，评价场区回填土密实情况，分析评价结果，进而消除由此带来的安全隐患，为其他场区此类探测与研究提供借鉴。

1　地质雷达探测

1.1　原理

地质雷达（Ground Penetrating Radar简称GPR）方法是一种用于确定地下介质分布的广谱（1MHz～2.5GHz）电磁波技术，是近年来一种新兴的地下探测与混凝土建筑物无损检测的新技术，其特点是天线屏蔽干扰小，探测范围广，分辨率高，具有实时数据治理和信号增强的功能，可进行连续透视扫描，现场实时显示二维彩色图像。地质雷达工作示意图如图1所示。

地质雷达通过雷达天线对隐蔽目标体进行全断面扫描的方式获得断面的扫描图像，具体工作原理是：当雷达系统利用天线向地下发射宽频带高频电磁波，电磁波信号在介质内部传播遇到介电差异较大的介质界面时，就会发生反射、透射和折射。两种介质的介电常数差异越大，反射的电磁波能量也越大；反射回的电磁波被与发射天线同步移动的接收天线接收后，由雷达主机精确记录下反射回的电磁波的运动特征，再通过信号技术治理，形成全断面的扫描图，工程技术人员通过对雷达图像的判读，判断出地下目标物的实际结构情况。由于本项目探测的疏松、空洞部位与周围地层有较大电性差异，故采用地质雷达方法具备较好的地球物理前提。地质雷达工作原理如图2所示。

地质雷达主要利用宽带高频时域电磁脉冲波的反射探测目的体。

由公式：

根据测得的雷达波走时，自动求出反射物的深度z和范围。

电磁波的传播取决于介质的电性，介质的电性主要有电导率μ和介电常数ε，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，因此，所谓电性介面也就是电磁波传播的速度面。不同的地质体（物体）具有不同的电性，因此，在不同电性的地质体的分界面上，都会产生回波。基本目标体探测原理示意如图3所示。

地质雷达基本参数如下：

（1）电磁脉冲波旅行时间

式中　z——勘查目标体的埋深；

x——发射、接收天线的距离（式中因z≫x，故x可忽略）；

v——电磁波在介质中的传播速度。

（2）电磁波在介质中的传播速度

式中　c——电磁波在真空中的传播速度（0.29979m/ns）；

εr——介质的相对介电常数；

μr——介质的相对磁导率（一般μr≈1）。

（3）电磁波的反射系数

电磁波在介质传播过程中，当遇到相对介电常数明显变化的地质现象时，电磁波将产生反射及透射现象，其反射和透射能量的分配主要与异常变化界面的电磁波反射系数有关：

式中　r——界面电磁波反射系数；

ε1——第一层介质的相对介电常数；

ε2——第二层介质的相对介电常数。

空气的相对介电常数为1，最小；水的相对介电常数为81，最大。常见介质的电性特征见表1。

（4）地质雷达记录时间和勘查深度的关系

式中　z——勘查目标体的深度；

t——雷达记录时间。

本工程采用瑞典MALA地球物理公司生产的RAMAC X3M系列地质雷达。根据探测目的，选用100MHz屏蔽天线，雷达主机和天线如图4、图5所示。

RAMAC X3M型地质雷达主要技术指标见表2。

1.2　雷达测线布置

本次地质雷达探测沿建筑周边布置雷达测线，共布置14条测线如图4所示，测线总长度425.3m。数据采集以连续测量方式为主，利用测量轮定位。

1.3　探测结果

经过对地质雷达检测资料进行数据治理可以得到信噪比高的资料，但是要得到检测结果，还需要结合地质资料、市政工程信息，尽量剔除假异常，得到真正的地下结构信息，使雷达检测信息和道路真实情况相对应，获取真正的道路异常信息，并对该异常信息作合理解释。

经过对雷达探测成果的细致分析，检测范围内共3处土层严重疏松异常、1处土层中等疏松异常，每处异常的范围、性质及其在雷达图像上的显示分述如下。

1.3.1　1号异常

该异常分布在雷达测线5上，距测线起点6～13m范围，异常深度0.5～3.5m。该处图像反射波同相轴不连续，判断异常性质为土层严重疏松，雷达异常图像见图5。异常位置见图4。

1.3.2　2号异常

该异常分布在雷达测线5上，距测线起点19～22m范围，异常深度0.5～3.5m。该处图像反射波同相轴不连续，判断异常性质为土层严重疏松，雷达异常图像见图6。异常位置见图4。

1.3.3　3号异常

该异常分布在雷达测线8上，距测线起点1.0～8.0m位置，异常深度1.0～5.0m。该处图像同相轴较不连续，波形较为杂乱，判断异常性质为中等疏松，雷达异常图像见图7。异常位置见图4。

1.3.4　4号异常

该异常分布在雷达测线11上，距测线起点1.0～10.0m位置，异常深度1.0～5.0m。该处图像同相轴连续，波形杂乱，判断异常性质为严重疏松，雷达异常图像见图8。异常位置见图6。

2　原位测试

2.1　原位测试布置

地质雷达探测结果显示检测范围内共3处土层严重疏松异常、1处土层中等疏松异常，在以上4处位置处均布设钻孔，并采用轻型动力触探对其进行验证。

2.2　原位测试工作量统计

共完成4个钻孔的轻型动力触探，轻型动力触探共计11.1m，测试结果见表3。

续表

2.3　数据分析

对原位测试数据进行统计分析和规律分析，分析结果见表4、图9和图10。

由表4可知，填土层回填不均匀，根据轻型动力触探N10击数统计成果可以看出，回填土层密实情况整体空间差异性较大。

图9主要反映了回填土轻型动力触探N10击数统计结果，由图可以看出，轻型动力触探N10击数主要集中在17～30之间，按照素填土判定，属中高压缩性土—中压缩性土，局部为高压缩性土。

图10主要反映了回填土层垂向上轻型动力触探N10击数的变化。由图可以看出1号和2号孔N10击数随深度变化先减小后增大；3号和4号孔2m深度处N10增大，这是由于3号和4号孔位于建筑基坑肥槽内，肥槽回填了大量粒径不等的卵石，在进行测试时，探头碰触卵石所致。综合考虑4个钻孔轻型动力触探测试结果，可以看出填土垂向上回填不均匀，且埋深1.0～3.5m范围内的回填土严重疏松，进而为上层滞水提供储水条件和渗流途径，上层滞水长时间作用可能会产生地面沉降和地下空洞。

3　地质雷达探测结果验证

综合现场地质钻探、上层滞水分布以及原位测试情况对地质雷达探测结果进行验证。地质雷达探测的1#和2#异常点处布设3号孔和4号孔，原位测试结果显示，填土回填不均匀，结合钻孔施工现场观察情况，发现3号孔和4号孔的位置回填物最为杂乱，含有回填细砂和卵石，钻孔出土量较小。3#异常点和4#异常点处布设1号和2号钻孔，现场钻探深度2.2m和1.7m处时发现上层滞水，且钻探过程中发现回填砖块，土质疏松。综上所述，地质雷达探测结果与原位测试即钻探结果一致。

4　回填土密实情况综合分析

本次研究采用地质雷达和原位测试对场地回填土密实情况进行检测，检测结果显示：

（1）场区普遍存在回填不密实的情况，其中3处土层严重疏松异常、1处土层中等疏松异常。

（2）回填土层密实情况整体空间差异性较大。

（3）按照素填土判定，场区回填土属中高压缩性土—中压缩性土，局部为高压缩性土。

（4）场区埋深1.0～3.5m范围内的回填土严重疏松，为上层滞水提供储水条件和渗流途径。上层滞水长时间作用可能会产生地面沉降和地下空洞。

5　结论

（1）采用原位测试对地质雷达探测结果进行验证，测试结果同地质雷达检测结果吻合。因此，采用地质雷达对回填土密实性的检测切实可行。

（2）通过地质雷达对场地进行回填土密实度检测，发现检测场区普遍存在回填不密实的情况，其中3处土层严重疏松异常、1处土层中等疏松异常。

（3）回填土层密实度整体空间差异性较大，场区埋深1.0～3.5m范围内的回填土严重疏松，可以为上层滞水提供储水条件和渗流途径，存在地面沉降和出现地下空洞的安全隐患。

参考文献

[1]　王先义，赵欢，黄华东.地质雷达探测原理及在工程中的应用[J].安徽建筑，2013，（3）：108-110.

[2]　李大心.探地雷达的方法与应用[M].北京：地质出版社，1994.