张亚彬，孙富学，龚敦红，徐力衙，李俊强

(1.温州大学 建筑工程学院，浙江 温州 325000； 2.温州工程勘察院有限公司，浙江 温州 325000； 3.温州市自来水有限公司，浙江 温州 325000)

近年来，我国大中城市都在最大限度利用地下空间来解决发展用地不足问题，地下综合管廊、地铁等成为城市拓展发展空间最重要的基础设施选择。沉井施工技术[1]具有施工方便、对周围建筑物影响小等优点，由于施工条件限制以及地质环境的复杂性，虽然对沉井周围的地面采取地下连续墙、拉森钢板桩等多种形式的止水帷幕措施，但是在沉井下沉施工过程中也会不可避免的引起地下水位降低、水土流失、流砂等地层损失现象，最终导致诸如周围地面沉降、脱空甚至塌陷等灾害[2]。施工造成频繁的地面不均匀沉降、塌陷灾害已经严重威胁到了人民群众的生命安全，如2019年12月1日上午，广州大道北与禹东西路交叉口发生多次地面塌陷造成三人失踪，2019年12月12日晚，厦门地铁吕厝路口因施工因素发生500平方米塌陷造成主水管爆裂，淹没附近地铁站。针对各个大中城市频繁出现的地面塌陷灾害，利用探地雷达便捷、分辨率高的优点[3]，通过介绍探地雷达的原理[4]和基本使用方法，包括测线布置、数据参数设置采集，对瓯江路接收井在下沉施工过程引发的地面沉降进行无损检测，探测沉降区可能存在的地质不良体的类型、范围，判断危险程度，为采取注浆加固措施提供指导。

1 工程概况

接收井位于瓯江路西侧绿地内，沉井内径为Φ12 m，壁厚1.1 m，总高度30.42 m，距离外径2.7 m采用单排深19.5 m拉森钢板桩做止水帷幕；出洞口加固范围为6×10.14×10.14(m)，采用高压旋喷桩地基加固，工程区内地表水主要为瓯江江水，地下水为瓯江路一侧以及七都岛一侧的地下潜水及承压水。地表水主要受潮汐影响较大，与地下水存在一定水力联系，沉井下沉施工时主要涉及的土层及其物理参数如表1所示。

表1 地层及其物理参数

该沉井采用五节制作二次下沉方式如表2所示。沉井采用法排水下沉时，用水力冲泥取土、泥浆泵排泥，依靠沉井自重下沉到设计标高。挖土下沉,取土顺序为先中央后四周，并沿刃脚留出土台，最后对称分层冲挖，保持高压水枪冲入井底的泥浆量和渗入的水量与水力吸泥机吸出的泥浆量保持平衡。

一般情况下，沉井施工可能引起的地面沉降灾害类型及其特征[5]比较复杂如表3所示，灾害发展多为逐渐积累爆发的过程、存在多种灾害共存现象，技术人员需要拥有丰富的工程经验才能准确的判断地质灾害。

表2 瓯江路沉井分节制作、分次下沉表 单位：(m)

表3 地下灾害类型及特征

2 探地雷达技术原理

探地雷达(Ground Penetrating Radar，简称 GPR)是现阶段探测地面沉降、地层脱空等不良地质体最便捷高效的仪器，主要由主机、天线及数据处理软件等组成如图1所示。

图1 探地雷达工作示意图

由置于地面的发射天线不断向地下发射高频率电磁波束[6]，当电磁波在地下传播过程中遇到地下不同介质结构体(介电常数不同)时，传播路径也将发生变化，一部分发生折射透过界面继续向下传播，另一部分反射到地面被接收天线接收，通过大线传播、由主机记录如图1所示，高频电磁波在介质体传播过程中，其电场强度和波形会随着不同介质体的介电常数[7]差异发生波形和幅度的变化。通过后期数据处理，依据波形/振幅及衰减等信号特征进行判断地下不良地质体的空间位置。

探地雷达在不断向地下发射电磁波束过程中，雷达主机可以自动记录发射波与反射接收波的时间差 ΔT，电磁波在同一种介质中的传播速度 V 是固定的，即可算出地下探测异常体的大概深度 H：

(1)

(1)式中，H 即为目标的深度.V 是电磁波在地下介质中的传播速度，其大小可表示为:

(2)

(2)式中，C是电磁波在真空中的传播速度，大约为 30×108m/s;ε为地层的介电常数。反射信号的振幅与介质的反射系数成正比，在以位移电流为主的低损耗介质中，反射系数r可表示为:

(3)

(3)式中，ε1、ε2 为界面上、下介质的相对介电常数，常见物质的介电常数如表4所示。

表4 常见物质介电常数

3 现场工作方法

检测设备使用的是美国劳雷公司(GSSI)生产SIR-3000型探地雷达，该雷达体积小、携带方便、功能强大[8]，MLF多频组合天线能够按照需要组合多种频率天线，经过现场多次试验对比，本次采用80 MHz天线以时间测量模式采集检测数据，仪器设置主要参数如表5所示。

表5 主要数据设置参数

测线布置要覆盖沉降区(图2深色标记区)，现场采用红油漆划线打点标记，布置相距两米的平行测线如图3所示，技术人员拖动天线沿着测线匀速检测并进行往返复测，记录好检测数据编号与现场对应的位置、方向，方便准确判断地下不良地质体位置。施工现场是素混凝土硬化地面，场地发生不均匀沉降，探测时确保天线与地面耦合(接触)，布置的测线长度要同时经过沉降异常区和正常地段形成对比效果，测量过程避开地下管线、金属物等干扰。

图2 沉降区标记示意图

图3 现场测线布置图

4 数据处理及解译

随着雷达数据处理软件不断优化，相关处理步骤更加简捷，图形显示方式更加丰富，为技术人员处理数据提供很大的帮助。常规的数据处理步骤包括时间零点矫正、背景去除、带通滤波、增益显示等[9]，技术人员可以根据视图化需要进一步进行拉伸、压缩、图片颜色渲染等操作，增加图片结果的可辨别性。经过处理的道路测量数据，结合现场勘查地质资料，分析判断可能出现的地质灾害，进行解译雷达测量数据[10]，以下为雷达检测数据判断结果。

测线1剖面测量结果如图4所示：该测线横跨正常地段和沉降路段，横轴为地面水平方向，测线长为35米，竖轴为深度方向，测量深度10米，从测量成果图中能够分辨出异常沉降段和正常路段交界处。从测量数据波形、振幅及同性轴特点[11]等方面结合现场具体地质情况进行判断解译结果：在深度方向0～3米，同性轴连续性较好，波形，振幅正常，属于路基杂和填土层，可以判定没有发生大的脱空等地质不良体；图中水平坐标13～35米，深3～10米(淤泥砂层)标记异常区(图4a)与正常路段数据相比，同性轴不连续、错断严重，反射波波幅异常增大，可以判定，由于地层损失严重造成土体不密实、富含地下水，甚至局部脱空现象[12]，由于旁边行车主干道通行车辆的振动作用以及入海口的潮汐作用产生的水力联系会加重水土流失，引起地面继续沉降，累积到一定程度产生脱空、沉陷灾害[13]。

图4 测线1探测成果图

测线2剖面的测量结果如图5所示，整条测线在测量过程中经过沉降最严重区，相比于正常地面低40 cm，造成测量距离标定存在误差，但是不影响判断地下异常位置，综合判定结果：在深度方向上0～2米范围内，同性轴连续性较好，为道路的基层和底基层，不存在局部脱空现象；地面深度2米以下区域，同性轴断断续续、连续性较差，可以判定受沉井下沉施工影响，发生流砂、地层损失引起地面沉降，需要及时采取地层加固措施。图中标记区(图5a)扫描数据同性轴完全错段，形成块状堆积形状，波幅异常增大，可以判定为地层脱空异常区，甚至不排除已经形成小范围空洞区。

图5 测线2探测成果图

5 结语

地面沉降、塌陷事故主要诱因在于大规模开发利用地下空间，同时破坏了原有的土层应力结构[14]。地面沉降、塌陷事故大多由施工降水引发，接收井同时受瓯江潮汐水力联系，且下沉深度范围内分布淤泥、淤泥夹砂层，地层结构灵敏度高、极易受外在因素改变土体原来结构造成承载力下降。在沉井排水下沉过程中，地面沉降基本机理可以概括为：地下水流失→产生静水头差→周边水土流动→土层损失→土层固结沉降这样一个过程，对于出现的地面沉降现象，要及时查明地下是否已经形成地层脱空、空洞地质灾害，及时采取地层加固措施，防止出现地面塌陷等次生灾害。

探地雷达能够非常快速准确检测地面沉降，根据地下地质灾害类型呈现差异性的信号特征，可以准确判断出地面下出现的地层脱空、疏松地质体、富水情况等缺陷。

城市地下广泛分布着管线，同时会受到外界电磁波干扰、地下水、等因素影响，在一定程度上限制了探地雷达的检测深度和直接呈相的真实性，技术人员需要根据不同环境地质情况选用合适的频率天线、参数设置提高检测效果和精度。现在占领国内市场的几类工程雷达设备多为外国生产进口，价格昂贵，限制了其大范围民用生产使用。