城市道路地下空洞探测及病害治理探讨

陈永照

本文使用地质雷达探测法对项目顶管工作区间段路面地下空洞开展无损探测，通过分析地质雷达成像，确定路面地下空洞的方位及形成规模，并对地下空洞的处理提出建议。目前，地质雷达探测城市路面地下空洞是主流方法，对有条件的重点区域，应利用地质雷达的探测方法开展城市道路健康普查以保障道路运营安全。

近几年，随着我国基础设施建设的持续加快，地下空间的开发利用程度越来越高。由于外部扰动，隐藏在城市道路下的地下空洞等病害规模会不断发展，导致道路塌陷的事故时有发生，造成人民生命财产的重大损失，严重威胁公共安全。为有效判定地下空洞的位置并对其进行处理，保护公共安全和城市的和谐发展，道路空洞的有效探测及病害同步治理刻不容缓。传统的空洞探测方法为打钻孔取芯探测，较为直观，单点探测准确率高，但缺点也十分突出，钻孔探测空洞效率低下，严重影响地面交通，损伤路基路面结构。地下空洞的探测应选择易操作，低成本且破坏小的实施手段，地质雷达探测已成为主流的地下空洞探测方法。

地质雷达法是用发射高频电波来探测介质内部分布规律的方法,具有无损、快速、连续精度高、分辨率高、实时成像等特点。本文采用地质雷达探测法对厦门某在建顶管施工项目道路路面地下空洞进行了探测,得到了地质雷达成像图并对地质异常区域进行分析,确定了地下空洞的方位及规模，并对空洞的有效处置提出建议。

一、工程概况

祥平保障房地铁社区配套综合管廊及高压架空线缆化工程位于厦门市同安区西南片区，项目主要开展电力管廊建设，其中约1.2 公里区段采用顶管施工工艺。顶管施工起终点与综合管廊顺接，管顶埋深约6～10m，顶管平面与既有道路线型基本一致，顶管全线位于城市主干路机动车道下，断面采用单舱形式，断面尺寸为d3200，地层从上到下依次为混凝土路面、路基结构、砂土、黏质粉土黏土。

二、地下空洞探测

1.探测方法

本项目地质雷达探测区段为城市主干路的机动车道，现状为水泥混凝土路面，路面车辆众多，要求探测方法具备高效、高精、易操作。实际探测过程选用设备为RIS-K2 型地质雷达，针对不同探测对象，雷达可选用多种频率天线。该型雷达体积小、工作效率高、现场操作简便。

2.探测原理

土层空洞区填充物一般为空气、水或其他填充物，厚度可由数厘米至数米。空洞内的填充介质与土层介电常数差别大。地质雷达通过发射机对外发射高频信号，通过配适天线耦合向路面下发射高频超宽带信号，发射信号在地层下传播介质不连续处、突变位置可发生反射，反射信号可被雷达接收天线捕获并接收，经过内置程序信号处理后获得目标信息，以此过程实现对路面之下的空洞探测图1。

图1 地质雷达工作原理示意图

3.探测测线布设

因路面交通情况较为复杂，鉴于车载雷达探测展布范围受限、灵活性差，本次探测采用人工移动天线的方式，在道路行车方向布设6 条测线，测线间距约2.5m，覆盖道路全断面。

图2 地质雷达剖面图（三类情况）

现场实际探测时，道路上布设的测线还要综合考虑以下因素：①顶管作业正上方路面测线应适当加密，路面异常点应进行多次重复测量；②路面测线布置应综合地下不良地质体分布及埋深等，使探测结果可以在平面图上便于标识；③在十字路口等交叉区域，地下管线分布区域，应根据实际探测需要，在主测线间增加辅助测线提高准确度。

4.探测实施

本次探测工作采用现场地质雷达探测，雷达选用80MHz 收发单置式天线进行数据采集，介电常数为6，采样点数为512，记录长度为250 ns，每秒扫描数16，发射率50 KHz，垂向高通滤波器25 MHz，垂向低通滤波器300 MHz。可有效识别浅层地下空洞、疏松、坍塌、脱空和其他异常点。

三、探测图像解析

地质雷达成果信息的处理和解析是一项复杂、精细、需要大量经验积累的工作，主要包括信息处理和图像解析两部分。现场采集的信号受外界干扰因素多，有用的信号往往被掩盖，数据解析的难点在于对异常无用信号的分析和筛选。

根路面下空洞与地层存在较大的物性差异，原本连续记录的波形在不同介质的分界面处会发生明显波形变化，典型雷达剖面表现为：①路面下基本无异常的区段，各层位的反射波波形清晰，路面基层及以下未现加强或紊乱的反射波形，波形总体趋于平坦。②在地下空洞顶部界面呈现同相轴不连续，反射波出现振幅加大，穿过空洞的雷达波形会表现出无规律的杂乱分布，当出现此类波形分布特征时可大致判断空洞存在。③波形从两侧向中间的倾斜同向轴，并且很多单波形都呈现同样的倾向，振幅大大增强，各别点位还出现弧状异常，也是空洞的一种波形表现形式（图2）。以下为本项目的实测雷达剖面图分析：

情况1：路面下基本无异常的区段，剖面上可清晰地见到砼面层底界面的反射波，各层位反射波清晰，基层及以下未现加强或紊乱的波形，波形总体趋势平坦。

情况2：路面下存在空洞或局部脱空，位于路面结构层下方，顶部深度约0.4m，长度约12m。图形特征：剖面图出现了同相轴明显不连续现象，顶界形成近似双曲线形态，推断为空洞所在位置。

情况3：该处测线靠近既有地下管线，判断为路面下存在空洞或土体疏松，位于路面结构层下方，顶部深度约0.5m，长度约10m。图形特征：剖面上可清晰地见到砼面层底界面的反射波，很多单波形都呈现同样的倾向，波形图表现出无规律的杂乱分布，推断为空洞所在位置。

四、病害治理

城市道路下空洞主要的治理方案分为以下几种，方案选择需要从现场条件、经济性、处理成效等方面综合比较。

方案一 ：充填注浆法

空洞发育不明显，表现为顶板局部脱空或土质疏松状态时，可以采用钻孔充填注浆法对空洞位置先行开展压力灌浆，按照分段分时、多复少灌的实施原则处理地下空洞。该种方法快捷易操作，对地面交通影响小。

方案二 ：开挖后回填法

空洞规模较大，注浆难以达到处理效果的情况下可采用将道路路面挖开，按照路基施工要求重新进行回填至路床，再铺设路面，路基的压实度需满足规范的规定，回填完毕后，恢复原路面结构，并加铺沥青。

方案三 ：开挖与充填注浆相结合法

对已暴露出来的空洞，可以更有效的进行地基加固处理；对于人行道的空洞，采用开挖回填方案进行处理；对于已发生沉陷的机动车道，并已将水泥混凝土板打掉的路段，采用充填注浆处理。

五、结语

（1）地质雷达探测地下空洞具有无损、快速、实时成像等特点，是目前技术条件下探测地下空洞的一种实用方法。

（2）地质雷达在识别地下空洞的准确位置和发育程度等方面的研究仍存在不足，判别自动化程度仍不高，目前技术主要还是依靠人工解析，因为经验不足导致虚警的情况较常见，需要针对不同使用情况进行二次开发，促进地质雷达的使用推广。

（3）顶管等地下工程施工过程中，对地质雷达方法探测显示的空洞发育区，可利于变形监测、钻孔注浆等方法充分保障施工及道路运营安全。

（4）由于地下空间的开发利用，现状城市道路下客观存在脱空、土质疏松、空洞等病害情况，对有条件的重点区域，应利用地质雷达的探测方法开展城市道路健康普查。