地質(zhì)雷達(dá)在樁底基巖地質(zhì)缺陷勘探中的應(yīng)用

中交路橋華南工程有限公司 中山 528403

我國西南地區(qū)山地、河流分布廣泛，喀斯特構(gòu)造較為發(fā)育，樁基礎(chǔ)能適應(yīng)各種地質(zhì)條件、各類工程條件和荷載情況，因而被廣泛地應(yīng)用于橋梁工程的建設(shè)[1]。樁底基巖作為應(yīng)力承擔(dān)的主體，其地質(zhì)情況對(duì)橋梁的承載能力及穩(wěn)定性起到至關(guān)重要的作用，因此探明樁底基巖的地質(zhì)情況對(duì)于橋梁基礎(chǔ)建設(shè)至關(guān)重要[2]。地質(zhì)雷達(dá)作為一種無損、快速、直觀的勘探方法，廣泛應(yīng)用于地下管線探測、結(jié)構(gòu)物無損檢測、路基檢測等工程勘察領(lǐng)域，在樁底基巖地質(zhì)缺陷勘探方面也取得較好的效果[3,4]。

1 工程概況

鴨池河特大橋?qū)儆谫F陽至黔西高速公路項(xiàng)目，全長1 461 m，設(shè)計(jì)為雙塔雙索面混合梁斜拉橋，主塔采用H形橋塔，主墩承臺(tái)采用整體式，下接群樁基礎(chǔ)，均為端承樁。樁徑3.0 m，每承臺(tái)24 根，貴陽岸單根樁長40 m，黔西岸單根樁長48 m。根據(jù)初期勘察資料，橋址區(qū)屬于構(gòu)造侵蝕巖溶中山峽谷地貌區(qū)，為單斜巖層構(gòu)造，未見區(qū)域性斷裂構(gòu)造；覆蓋層主要為第四系殘坡積層粉質(zhì)黏土，崩坡積塊石，下伏基巖為三疊系下統(tǒng)夜郎組白云質(zhì)灰?guī)r，泥質(zhì)灰?guī)r夾泥灰?guī)r、砂巖，三疊系下統(tǒng)茅草鋪組白云質(zhì)灰?guī)r。

2 工作原理

地質(zhì)雷達(dá)是一種利用高頻至特高頻波段（1 MHz～1 GHz）電滋波反射法對(duì)地下或物體內(nèi)部的不可見目標(biāo)體或界面進(jìn)行定位的無損探測方法。

地質(zhì)雷達(dá)的工作基本原理是在系統(tǒng)主機(jī)的控制下，發(fā)射機(jī)通過天線向勘探圍巖介質(zhì)發(fā)射定向的脈沖電磁波，垂直于圍巖介質(zhì)表面向內(nèi)部傳播的電磁波當(dāng)遇到有電性差異（介電常數(shù)、電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率不同）的目標(biāo)體（如分界面、空洞、管線等）時(shí)便會(huì)發(fā)生反射，反射波由天線接收進(jìn)入接收機(jī)，并傳到主機(jī)。主機(jī)對(duì)從不同深度返回的各個(gè)反射波進(jìn)行放大、采樣、濾波、數(shù)字疊加等一系列處理，可在顯示器上形成一種類似于地震反射時(shí)間剖面的地質(zhì)雷達(dá)連續(xù)探測彩色剖面，并根據(jù)這些彩色剖面對(duì)地下目標(biāo)體進(jìn)行定位。

可以利用速度分析法對(duì)雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。由于速度分析法歷史相對(duì)悠久，方法和理論都較為成熟，因此應(yīng)用廣泛。可以通過理論計(jì)算，根據(jù)各層的速度、相對(duì)介電常數(shù)以及時(shí)間差來推算出地質(zhì)缺陷的位置。

3 現(xiàn)場勘探及數(shù)據(jù)判讀

3.1 使用儀器及操作方式

本次檢測使用的儀器是美國生產(chǎn)的SIR-20型地質(zhì)雷達(dá)，針對(duì)本次探測對(duì)象的工程特點(diǎn)，采用工作頻率100 MHz的天線進(jìn)行探測。該儀器的特點(diǎn)是分辨率高，擅長于進(jìn)行大數(shù)據(jù)量、高密度的連續(xù)探測并實(shí)時(shí)給出波形圖，比較適合本工程檢測的需要。SIR-20型地質(zhì)雷達(dá)，由主機(jī)、顯示器、天線（含發(fā)射機(jī)及接收機(jī)）、電源系統(tǒng)、連接電纜、操作軟件和后處理軟件組成。

采用寬角探測方法將發(fā)射天線固定于一端，接收天線向一個(gè)方向等間距移動(dòng)，最后得到一系列掃描數(shù)據(jù)，探測方法如圖1所示。在測量過程中確保樁底沒有碎石，樁底基巖盡可能平整，使天線貼在樁底基巖表面，本次測量沿樁底表面布置2 條測量路線（圖2）。在測量中采用鍵盤觸發(fā)式對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行操作，按一下鍵盤采集一次數(shù)據(jù)，天線以一定的速率沿測線平緩移動(dòng)，完成一條測線的測量按一次鍵盤。

圖1 寬角度探測方法示意

圖2 測線布置

3.2 樁底基巖地質(zhì)缺陷勘探分析結(jié)果

3.2.1 雷達(dá)剖面圖一般特征

本次樁底基巖缺陷勘探的主要目的是判斷樁底基巖是否存在溶洞、含水層、破碎帶等，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)可以知道溶洞、含水層、破碎帶的雷達(dá)剖面具有下列特征：

（a）溶洞電阻率高、介電常數(shù)低、電磁波傳播速度快，在雷達(dá)剖面圖上，通常表現(xiàn)為雙曲線形態(tài)；

（b）破碎帶常為節(jié)理裂隙發(fā)育區(qū)，可能伴有泥質(zhì)、碎石混合區(qū)，在雷達(dá)剖面圖上主要特征表現(xiàn)為反射波同相軸扭曲錯(cuò)動(dòng)、不連續(xù)，零亂的團(tuán)塊狀或條帶狀的強(qiáng)反射或多次反射異常；

（c）含水層、巖層分界面在雷達(dá)剖面圖上表現(xiàn)為與含水層界面相同的一條曲線。

3.2.2 樁底基巖地質(zhì)雷達(dá)剖面圖及其分析

經(jīng)過對(duì)貴州鴨池河特大橋3#主墩和4#主墩挖孔樁樁底進(jìn)行的現(xiàn)場勘探資料，對(duì)特征比較明顯的3-1、3-23、3-24、4-1、4-24樁底剖面圖分析如圖3～圖6所示。

圖3 3-1樁底雷達(dá)剖面

圖4 3-23樁底雷達(dá)剖面

圖5 3-24樁底雷達(dá)剖面

圖6 4-1樁底雷達(dá)剖面

由圖3可以看到3-1樁底基巖在0～2.5 m內(nèi)有明顯分解面存在，但區(qū)域內(nèi)巖體完整性較好，節(jié)理裂隙不發(fā)育，電磁波反射不強(qiáng)烈；在2.5～10.0 m內(nèi)剖面圖顯示為波動(dòng)的條塊狀表明該區(qū)域內(nèi)存小范圍的節(jié)理裂隙發(fā)育區(qū)，巖體破碎；在10.0～15.0 m區(qū)域內(nèi)電磁波反射不強(qiáng)烈，節(jié)理裂隙不發(fā)育，探測區(qū)域基巖完整性較好。因此，建議對(duì)2.5～10.0 m區(qū)域內(nèi)的基巖進(jìn)行注漿強(qiáng)化即可滿足橋梁建設(shè)的要求。

由3-23樁底雷達(dá)剖面（圖4）分析認(rèn)為該樁底基巖巖體完整性較好，節(jié)理裂隙一般發(fā)育，電磁波反射不強(qiáng)烈，未發(fā)現(xiàn)明顯破碎區(qū)及富水區(qū)，無明顯溶洞。基巖完整性較好，可以進(jìn)行下一步工程施工。

由3-24樁底雷達(dá)剖面（圖5）分析認(rèn)為在0～7.5 m處巖體完整性較好，節(jié)理裂隙不發(fā)育，電磁波反射不強(qiáng)烈，7.5～15.0 m電磁波反射較強(qiáng)，巖體完整性一般，節(jié)理裂隙較發(fā)育，裂隙區(qū)域可能存在裂隙水，探測區(qū)未發(fā)現(xiàn)明顯破碎區(qū)及富水區(qū)，無明顯溶洞。建議對(duì)基巖7.5～15.0 m區(qū)域進(jìn)行相關(guān)強(qiáng)化措施，以滿足橋梁承載能力。

對(duì)4-1樁底雷達(dá)剖面（圖6）分析認(rèn)為，該樁底巖體完整性較差，節(jié)理裂隙較發(fā)育。電磁波反射較強(qiáng)烈，0～7.0 m電磁波反射較弱，巖體較完整，7.0～15.0 m電磁波反射較強(qiáng)，推測為小型破碎區(qū)域，局部為溶蝕裂隙，溶蝕裂隙可能含有裂隙水，未發(fā)現(xiàn)明顯富水區(qū)，無明顯溶洞。建議對(duì)4-1樁底基巖進(jìn)行相應(yīng)的基巖強(qiáng)化措施，以保證橋梁基礎(chǔ)具有足夠的承載能力。

4 結(jié)語

地質(zhì)雷達(dá)作為一種方便快捷的物探方法，在樁底基巖地質(zhì)缺陷勘探過程中可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)基巖的巖層分界面、破碎帶、溶巖孔洞、含水層等。在鴨池河特大橋修建過程中，結(jié)合工程實(shí)際選擇地質(zhì)雷達(dá)參數(shù)，結(jié)合勘探結(jié)果和現(xiàn)場工程環(huán)境對(duì)樁底基巖地質(zhì)情況進(jìn)行綜合判斷，并及時(shí)反饋給施工單位，動(dòng)態(tài)調(diào)整施工設(shè)計(jì)，保證了工程質(zhì)量。

在地質(zhì)雷達(dá)勘探過程中還存在著一定的不足之處，同其他勘探方法一樣，地質(zhì)雷達(dá)受地形干擾，勘探深度有限，分析人員應(yīng)不斷提高自己的業(yè)務(wù)水平。