随着经济的发展，我国的城市化进程显著加快，地下空间的开发利用程度越来越高，不可避免地会带来一系列的地下病害问题。尤其在地铁隧道施工过程中，地层扰动和大型施工机械的振动会导致地下空洞的产生^[1,2]。地下空洞等病害问题如果没有得到有效处理，极易产生道路塌陷等问题，进而阻碍道路交通的安全运行。为了确定地下空洞的位置并对其进行处理，各种探测方法应运而生。其中，探地雷达法因其探测效率高、成果直观、对地层扰动小等优点而在工程中得到广泛使用^[3,4]。

探地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^[5,6]。虽然探地雷达是探测地下空洞的首选，但其在确定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。本工程采用探地雷达法对在建北京地铁16号线三里河路段及苏州街—北四环西路辅路路段地下空洞及病害进行了探测，得到了地质雷达成像图并对异常点进行分析，确定了地下空洞的位置及其发育情况，并对地下空洞的处理提出了合理建议。

北京地铁16号线三里河路段全长约2.8km，考虑路线折拐，单次全部探测长度约3km，途经2个车站，车站和区间主体结构采用暗挖法;苏州街—北四环西路辅路路段全长约1.5km。探测区域地下土层依次为杂填土、粉土、粉质黏土和粉土，探测深度为地下8m范围内。

由于本工程所探测区段处于交通主干线，来往车辆众多，因此要求探测方法效率高、精度高且对路面和环境影响小。工程采用探地雷达法对地铁施工区段的地下空洞进行探测，探测设备采用Sir-20型地质雷达。SIR-20型雷达性能突出、工作效率高，主机和天线的防尘、防潮、防振能力强，不受环境限制。

探地雷达法的原理就是将高频电磁波发射到地下，然后利用特定设备接收反射的回波信号。电磁波在介质中的传播服从传播介质的本构关系和麦克斯韦方程组^[7,8]。

当电磁波反射出回波信号后，分析回波信号，研究地下目标特性，如图1所示。

探地雷达是利用发射天线将高频电磁脉冲波送入地下成为发射信号，在不同介质交界上，一部分雷达波发生反射，被地面上的接收天线接收。由于具有不同的电磁特性材料，相邻结构层会发生反射和透射。接收机将接收到的信号放大，经处理机处理后得到需要的信息。操作人员对地下目标处理成像，使其真实直观再现。其工作原理流程如图2所示。

波在介质中传播的波长、速度、衰减和极化等参数取决于介质的电特性，因此雷达的性能极限和工作参数选择也取决于介质的电特性。其中，电导率决定了电磁波在介质中的穿透深度，如图3所示。电磁波的覆盖范围、传播速度等取决于介电常数。

根据探地雷达电磁波传播的特点，分析空洞探测得到的反射信号。公路路面下2.5m深度不同半径空洞的雷达模拟反射如图4所示。

通过理论模拟和实际探测经验，归纳了几个较为典型的地质雷达探测如图5所示。

为更好地服务探测天线选择、数据处理和解释等工作，最精确地探测地下空洞展布和病害发育，需要分析探地雷达工作时的物理参数包括:电磁脉冲波旅行时间、电磁波在介质中的传播速度、电磁波的反射系数、地质雷达记录时间和勘查深度、天线间距等。

本工程探测主要采用400MHz中心频率天线进行精细探测，探测可识别地下空洞、疏松、坍塌、脱空和其他异常点;270MHz中心频率天线探测8m深度内的地下介质展布是否连续，是否有深部空洞发育，配合400MHz天线对病害发育进行验证。为达到探测精度高、探测点可以展布到任何位置和反复灵活测量要求，采用人工移动天线测量，避免了车载天线测量探测精度低、不灵活和不可以每个点都探测到的缺点。

该工程根据场地条件和中心线间距布置雷达测线，采用测量轮探测模式，测线布置情况如图6所示。

在对探测得到的异常点进行具体分析后，为提高异常点的探测精度，采用横向探测与纵向探测相结合的方式来增大探测密度，异常点测网布置如图7所示。

在实际探测工作时，测线布置还应该符合下列要求。

1) 测线布置应根据任务要求、探测目的体的空间结构与埋深等因素综合确定，测线和工作比例尺的选择以能反映探测目标为标准，并可在平面图上清楚地标识出探测目标位置和形态。

2) 测线布置应建立在前期异常点勘探成果的基础上，对异常点区域进行着重加密，采用多次重复测量，对异常点进行精细探测。

3) 在路面展布不规则和复杂地质结构地区，雷达测线应适当加密，并根据实际情况在主要测线之间布置辅助测线。

探测结束后，将获得自动编号的雷达数据与野外记录文件相对应并整理编号，对雷达数据进行预处理和后期精细处理，经过处理后的地质雷达数据呈现出很高的信噪比和可读性。工作人员会结合市政工程信息、道路结构信息、前人探测成果和地质资料，根据现有最实用和全面的解释技术对数据进行分析处理，同时对异常点信息及处理后的效果进行评估。

本次工程探测的主要目的是检测地下存在的空洞以及其他病害。因为地下空洞 (包括土层疏松、脱空区域) 的存在，雷达信号上将出现反射波同相轴不连续，反射波振幅突然增强 (特别是含水量大的疏松、脱空区) 等现象。根据异常程度划分的地下介质情况如表1所示。

本工程探测区域存在地下管线复杂、周边车辆多、旁侧建筑物磁性干扰多等问题，特别是地下管线异常复杂、改移非常严重，给野外工作开展、数据处理和资料解释都带来一定影响。通过对雷达数据进行精细化处理和多样化解释，地铁16号线三里河路段统计得到异常点共20处;苏州街—北四环西路辅路路段统计得到异常点共13处。

结合雷达探测图像，对两路段的代表性异常点进行空洞分析和病害处理的研究。

1) 异常点A由探地雷达探测结果可知，异常点A的路面以下地层不连续，但里面没有空洞，经与施工单位核实有管道通过，中等异常缺陷。建议可暂不处理，需加强沉降监测，发现问题及时处理。

2) 异常点B由探地雷达探测结果可知，异常点B的雷达波反应异常，管道处理不密实，浅层下陷，地面已出现开裂，异常缺陷等级为严重。建议进行浅层路面修补。

3) 异常点C异常点C的探地雷达探测结果显示路面以下0.3m处有疑似钢板，且钢板下有疑似空洞。经与施工单位核实，此处开展了污水管道迁改工程的工作井施工，后期由于审批没有通过，暂时搁置，后虚铺回填，并在上方放置钢板，异常缺陷等级为严重。考虑到钢板下存在空洞，建议相关施工方妥善处理，避免长期荷载作用下使钢板掉入下方脱空区。

1) 异常点D由探地雷达探测结果可知，异常点D路面以下雷达波反应异常，管线较多，管线两侧回填不够密实，浅层有坍塌，局部有小空洞，异常缺陷等级为严重。建议进行浅中层路面修补。

2) 异常点E由探地雷达探测结果可知，异常点E路面以下有管线通过，疑似浅层有钢板，中等异常缺陷。建议确定稳定后不处理，下方开挖时，需要加强监测，发现问题及时处理。

3) 异常点F由探地雷达探测结果可知，异常点F管道密集布置，雷达波反应杂乱，多条管线同时布设，回填土体欠密实;路面出现小规模沉降;1.2m深度处地层线不连续，出现了小规模沉降，异常缺陷等级为严重。建议0～1.2m范围内修补，并加强监测，发现问题及时处理。

1) 在实际施工过程及地下空洞的处理过程中，应注意管线的埋设及对地下管线的保护。

2) 由于探测方法本身的局限性、物探方法的多解性、地下隐蔽工程的复杂性及工作中实测剖面位置的电性参数与标定位置参数的差别性，会使探测结果出现误差。因此施工过程中应加强监测，发现问题及时处理。

3) 本次工程中提出了测网布设方法、空洞处理方法及对误差的规避方法，可为日后类似工程提供一定的参考。