利用地质雷达法探测地铁盾构隧洞范围孤石

杨国华

摘要：现代城市建设中，盾构机在当前地铁施工中的应用越来越普及，技术越来越成熟。但是，很多城市的地层中都存在孤石，当地铁施工中盾构机遇到孤石时，不仅会对工程工期造成很大影响，严重时还会使施工机械损伤，造成更大的经济损失。利用地质雷达法在地面探测地铁盾构施工范围内的孤石，不仅效果明显，而且探测工期较短，是一种高效可行的探测孤石的物探方法。

关键词：地质雷达；城市建设；地铁施工；盾构；孤石

在工程建设中，怎样处理地下孤石一直是个比较棘手的问题。常规方法是采用钻探法，另外还有跨孔CT、常规地面物探（电法、地震）等。钻探法是最基本也是最常用的方法，但这种方法费时耗力，成本高昂，工期很长。所以在实际应用中，钻孔间距不能布置太密，这就使得钻孔之间的范围形成空白区域。跨孔CT虽能填补钻孔之间的空白区域，但受钻孔位置影响，只能探测两孔之间的区域，对旁边的区域无法探测；而且跨孔CT探测步骤繁琐、工作时间受限（只能等钻孔刚刚终孔后才能开始工作、且须在刚终孔时马上就测，防止垮孔、卡孔）。而常规地面物探虽然相对于钻探法来说，是一种比较常用的补充方法，但是受场地地形条件的影响比较大，探测效果有时候也是差强人意。

近几年来，微动已经成为探测孤石的主要物探方法，取得了一定的效果，并逐步在工程方面推广开来。而采用地质雷达^[1]探测孤石的案例则比较少，且大多数处于试验和研究阶段。本文以实际工程为例，探讨地质雷达在探测地铁盾构隧洞范围内的孤石的应用效果和特点，为查找地下孤石难题，提供有益的尝试工作。

1 地质雷达法简介

地质雷达（Ground Penetrating Radar，简称GPR）技术依据电磁波脉冲在地下传播的原理进行工作，基本原理^[1~3]是，由发射天线发射一个电磁脉冲，当遇到介质分界面或地下异常体时，该电磁脉冲被地下介质（或埋藏物、空洞）反射回来，并被接收天线接收，连续采集即可形成一条雷达剖面。

2 工程实例

东莞市城市快速轨道交通项目某标段，位于东莞市城市主干道-东莞大道上，场地地貌单元属冲洪积平原地貌，地表为水泥路面、绿化带，场地西南略高，东北略低。

上覆土层平均厚度约13m，主要为素填土、粉质粘土和砂质黏性土；下伏基岩为震旦系混合片麻岩，根据岩石的风化程度不同划分为全、强、中、微风化四个亚层，其中全、强风化的厚度约6~8m，中、微风化埋深超过22m。场地内孤石较为发育^[4]，存在形式为：在粘土层中存在强风化、中风化或微风化岩，在全风化基岩中存在强风化、中风化或微风化岩，在强风化基岩中夹有中风化或微风化岩。

本次工程对该标段右洞盾构施工范围的孤石进行探测。该标段右洞走向为北东-南西方向，主要沿着该条主干道，从路边人行道外开始，逐渐偏向人行道、辅道、主干道，到达路中心后又逐渐偏移向主干道与辅道的隔离带，沿途主要为绿化带和车道。右洞直径6m，洞顶埋深5m~16m。

本次探测目的物为较软岩土层中的球状风化体即孤石。较软岩与其中的孤石存在明显的介电常数差异，从而可以通过地质雷达方法^[5]，探测出场地内地面以下球状风化体的发育位置。

表1 岩土层的相对介电常数及电磁波传播速度

介质	相对介电常数	电磁波传播速度(m/ns)
土壤（干）	4	0.10~0.13
土壤（含水）	10	0.08~0.11
片麻岩	6	0.15
砂	4	0.12
水	81	0.033
空气	1	0.3

3仪器及参数设置

3.1仪器简介

本次使用的仪器为瑞典玛拉公司生产的CUII型地质雷达，以探测深度大而闻名，其中100MHz一体式屏蔽天线可以屏蔽来自地面以上的电磁干扰，经现场测试，最大探测深度可达19m，基本满足本次工程的现场地形和探测深度要求。

表2 MALA RAMAC/GPR屏蔽天线最大探测深度

天线主频（MHz）	探测深度（m）
100	12~20
250	5~10
500	2~5
800	2~3.5
1000	1.5~3.0
1200	0.7~1.5
1600	0.5~0.7

3.2参数设置

本次拟探测的隧洞直径6.0m，洞顶埋深在5.0~15.0m，所以探测深度范围为11.0~20.0m。本次主要探测水平方向直径大于1.0m的孤石。为此，设置测点距0.2m，这样可以保证在探测到孤石时，可以采集到至少连续5个测点的异常信号^[6~7]；时窗475ns，保证可以接收到19.0m深度的反射信号；另外，采样点1069点，叠加次数设为8次。

4测线布置及数据处理流程

4.1测线布置

地质雷达测线沿隧洞中心线及两侧各2m位置共平行布置3条长剖面。工作时以测距轮触发，同时在地面用50.0m皮尺校正距离。

4.2数据处理流程

数据处理流程为：调零→去零漂→增益恢复→带通滤波→去除背景→点平均→成果断面图。

增益恢复选用标准的Energy Decay。带通滤波选用Bandpass Butterworth，高切150MHz，低切60MHz，以便去除电磁信号和沟坎异常的干扰。采用去除背景滤波后，剖面上去除掉路面层、粘土层的背景信号后，留下了包括孤石异常在内的全部异常。

数据处理采用ReflexW软件进行多种有效的滤波组合之后，可以有效的去除较多的干扰信号源，但同时目标体（孤石）产生的异常形态也发生了改变。由于地下地质情况的复杂性，不同于理想纯介质中的规则的反射弧^[8]，在本次探测工程成果图中，异常特征表现为波形宽大、振幅增强的近椭圆形，两侧同相轴错断，周围围岩的信号形态波形细小^[9~10]。这增加了有效异常辨识的难度，对技术人员的工作经验和判识能力要求较高。

5 推断结果

经过滤波，排除掉路面井盖、路牙、树根（枝）、沟坎等异常引起的信号后，结合地质资料，共推断出有23处孤石异常，编号为D1~D23。

图1 地质雷达法推断孤石剖面图（局部）

6 验证情况

项目部对处于隧洞范围的12处异常进行了钻探验证。验证结果见下表：

表3 推断孤石验证情况列表

序号	编号	中心里程	埋深范围	平面直径(m)	钻孔验证情况	备注
1	D1	18+416	11.0~12.5	2.0	未发现孤石
2	D2	+461	14.5~15.5	1.5	未发现孤石
3	D8	+910	13.0~14.0	1.0	高压输油管	实际管顶埋深6.0m
4	D9	+921	17.0~18.0	1.0	供水主干管	实际管顶埋深3.5m
5	D11	+941	16.0~17.5	1.5	微风化孤石
6	D12	+950	12.0~14.0	5.0	微风化孤石
7	D14	+983	15.0~16.0	3.0	强风化孤石
8	D17	19+260	12.5~13.5	3.0	强风化孤石
9	D18	+275	14.5~16.0	3.0	微风化孤石
10	D19	+296	14.0~15.0	2.5	微风化孤石
11	D20	+310	15.0~16.5	2.5	微风化孤石
12	D21	+318	12.0~13.5	2.0	微风化孤石

图2 部分验证孤石岩芯照片（D18~D21）

7 结论

地质雷达法是根据高频电磁波在地下介质中的传播路径、振幅、相位、双程走时等规律来分析判断异常的分布形态。虽然也有花坛、绿化带、路牙以及地下管线等地面和地下因素的影响，但这些影响都局限于线路上的某一段，而不会对整条线路的效果造成过多的影响，完全可在数据处理时排除掉。虽然微动法不受以上干扰的影响，且具有探测深度大、成果图比较直观等优点；但地质雷达法探测速度快、工作效率高，且成本较低，在地面干扰和地下管线较少的条件下，探测精度比较高，不失为一种较好的探测孤石的物探方法。

参考文献：

[1]王惠濂.探地雷达概论.中国地质大学学报,1993,3:1-9

[2]黄南晖.地质雷达探测的波场分析.中国地质大学学报,1993, 3:294-302

[3]李大心.探底雷达方法与应用.北京.地址出版社1994（12）

[4]王浩,刘成禹,陈志波.闽东南花岗岩球状风化不良地质发育特征及其工程地质问题[J].工程地质学报,2011,19(4):564-569

[5]王俊茹,吕继东.地质雷达在环境地质灾害探测中的应用.地质与勘探,2002,38(3)70-73

[6]王俊茹,吕继东. 地下障碍物雷达定位探测的技术应用.地质与勘探,2003,39(3)84-86

[7]李国祥,杜坤乾,杨勇,李志朋.花岗岩风化地层中“孤石含量百分比”的确定方法[J].地质与勘探,2012,03:629-636

[8]刘成禹,林毅鹏,林超群,刘汗青.球状孤石在探地雷达探测成果中的表现特征.物探与化探,2015,39(4):860-866

[9]曹权.探地雷达在花岗岩球状风化体探测中的应用.上海应用技术学院学报（自然科学版）,2015,15(4):371-374

[10] 曾国春,刘成禹,林毅鹏.孤石形状与岩土介质对孤石探测的影响研究.路基工程,2016,185(2):18-23

作者简介：杨国华（1971-），男，深圳市水务规划设计院股份有限公司，518001，工程师，毕业于中国地质大学（武汉），一直从事工程物探工作。主要研究方向为地质雷达法、高密度电法、面波法和钻孔波速测试等。

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