地質雷達聯合數字化隨鉆對城市道路病害定量探測的應用研究*

王年近，王江濤，楊 敏，張 碩，于澤明

(1.中電建路橋集團有限公司，北京 100032； 2.北京市市政工程研究院，北京 100037； 3.北京科技大學，北京 100101)

0 引言

現階段城市道路病害探查手段主要有地質雷達探查、鉆孔取芯查驗和標準貫入法等[1-2]。眾多學者和現場檢測人員進行大量工作[3-9]，但由于地下工況越來越復雜，影響病害發生因素和病害類型越來越多，傳統檢測手段的弊端愈發明顯，其中地質雷達雖然檢測速度快，但受周邊環境和地層影響較大，探測結果誤判性很高[10-11]，而鉆孔取芯和標準貫入試驗耗時長、成本高，對道路路面和原始地層擾動較大，同時阻礙交通運行。因此，有效結合并充分發揮現有檢測技術手段的優勢，研究發展新的檢測理念和方法勢在必行。

基于此，提出地質雷達普查、數字化隨鉆檢測和孔內形貌窺視三步法的數字化隨鉆土體病害快速檢測技術，并應用于某城市隧道下穿工程中。檢測結果顯示，雷達初判的疑似病害區域為A，C，數字化隨鉆檢測承載力計算值分別為39.6，48.9kPa，遠低于勘察標準值60kPa，結合孔內病害形貌對應段，分別判定為土體中度疏松病害和輕微疏松病害。無病害土層段計算值高于標準值的94%，表明檢測結果準確性較高，滿足工程需求。

1 數字化隨鉆土體病害快速檢測技術

1.1 土體病害檢測方法及設備

1)病害區域普查 即采用地質雷達普查技術，根據測線劃分對監測區域進行拉網式普查，根據雷達反射圖譜初步判定地下疏空病害區域范圍及位置。本文采用MALA-ProEx型地質雷達，雷達天線頻率為250MHz，有效探測深度8m，單次橫掃面積100cm2。

2)隨鉆力學響應量表征 采用鉆孔設備對可疑區域進行鉆孔驗證，鉆孔過程中，需保持轉速和推進力恒定，實時傳輸、記錄鉆進扭矩數值，計算鉆測土層的承載力特征值。數字化鉆進系統的數據采集系統采集扭矩值為0～200N·m，12mm直徑光電編碼器采集鉆探深度，計算機和系統軟件分別實時生成扭矩與鉆探深度間的關系曲線。旋轉鉆進系統可提供最大10kN推力，最大速度為1 000r/min， 最大鉆進深度為15m。

3)地下光學形貌表征 為更直觀判斷地下土體，采用TS-C0601型數字式全孔攝像系統表征鉆孔光學形貌，利用匹配軟件采集鉆孔影像信息，通過剖面圖與柱狀圖展示病害形貌，同時獲取病害埋深位置。

1.2 地下土體病害判定依據

1.2.1地質雷達普查依據

地質雷達探測是通過向目標物發射一定頻率的雷達波，并基于反射波對引起反射的目標進行物性特征分析的技術。由于地下巖土層介質數量多、類型繁雜，雷達波在不同介質的反射波中呈現特性也不相同，因此可通過分析反射波的特性推演地下病害信息。

通過大量試驗與現場驗證，雷達發射圖譜特征與對應病害類型如下[12]：①輕度疏松 反射信號能量有變化，同相軸較不連續，波形較雜亂、不規則；②中度疏松 反射信號能量變化較大，同相軸較不連續，波形較雜亂、不規則；③嚴重疏松 反射信號能量變化大，同相軸不連續，波形雜亂、不規則；④空洞 反射波信號能量強，反射信號的頻率、振幅、相位變化異常明顯，下部反射波明顯，邊界可能伴隨繞射現象；⑤一般富水異常 反射波信號能量較強，下部衰減較明顯，同相軸較連續，頻率變化不明顯；⑥嚴重富水異常 反射波信號能量強，下部信號衰減明顯，同相軸較連續，頻率變化不明顯。

1.2.2數字化隨鉆判定原理

數字化隨鉆檢測技術通過隨鉆過程的鉆進參數，包括扭矩、推進力、轉速和進尺速率，基于相應數學模型對巖土體的力學參數進行計算表征。近年來，數字化隨鉆檢測技術愈發成熟，不同土層、不同含水率、不同圍壓等工況隨鉆參數與目標力學參數的數學關系模型越來越準確，適用性愈發廣泛，因便利性和準確性，在各檢測工程中的優先級也越來越高。

旋壓觸探鉆進系統工作時，將鉆機轉速、推進力、進尺速率參量調整為確定值，計算機系統實時采集并記錄扭矩值；鉆進結束后，將扭矩值進行數據去噪處理，通過數學模型計算各土層承載力，并對比工程勘察結果，判定土體狀況。

充分考慮現場工況與數學模型的適配性，在參考大量研究的基礎上，采用以下數學模型進行計算：

Q=-200.33+10.47N

(1)

式中：Q為地基承載力(kPa)；N為扭矩(N·m)。

該數學模型適用于固定鉆機轉速為800r/min，推進力7.5kN，進尺速率15cm/min，土體含水率為10%～20%的模型。

2 某下穿隧道工程周邊病害探查

2.1 工程地質概況

某地下隧道工程中心軸線位于城市主干道正下方，隧道呈東西向依次橫穿10條南北向城市道路，全長約6km，為一類城市交通隧道，采用明挖法施工，結構底板埋深0～19.2m，基坑開挖最大深度27.9m，所在地層信息如表1所示。

表1 地層信息

為研究隧道開挖對鄰近區域巖土體的影響，探查穿越道路下方土層狀況，排除安全隱患，確保工程和周邊建(構)筑物的安全，通過數字化隨鉆土體疏空病害快速檢測技術進行病害探查。

2.2 地質雷達探測結果分析

如圖1所示，此次探測區域集中在隧道中心線與南北向橫穿道路交叉的3個路口，分別為探測區域A，B，C，D，E，F，在鄰近開挖區10m范圍內，測線橫穿馬路，平行于隧道開挖主線，測線間距3m。

圖1 雷達探測區域分布

通過對6處道路進行地質雷達普查，排除各類管線干擾，對可疑區域進行加密網格詳查(網格間距1m×1m)后，確定疑似缺陷土體區域為A，C，如圖2所示。其中疑似缺陷土體區域A雷達圖譜顯示，在地下0.8～1.25m范圍處，雷達反射信號能量變化幅度較大，同相軸不連續或缺失，波形結構不規則，可判定區域A為道路路基中度疏松；圖2b顯示缺陷區域埋深位置為地下0.6～1.2m處，雷達反射信號處能量存在小幅變化，同相軸表現為不連續、錯亂，波形結構較不規則，由此判定區域C為路基輕微疏松。兩處疑似病害區域為淤泥質粉質黏土，地基承載力為60kPa。

圖2 疑似缺陷土體區域

2.3 數字化隨鉆檢測結果分析

根據雷達圖譜探測結果，分別在缺陷土體區域進行數字化隨鉆檢測，檢測點位分別命名為A1，C1。隨鉆檢測中，鉆頭選取直徑5cm的薄壁金剛石鉆頭，兩點位處隨鉆扭矩-深度曲線如圖3所示，孔內病害形貌如圖4所示。

圖3 缺陷土體隨鉆曲線

圖4 檢測點位孔內病害形貌

對A1，C1點位的隨鉆扭矩-深度曲線進行分段選取與數據整合。A1點位分別抽取0.8～1.25m和1.3～1.6m數據，C1點位分分別抽取0.6～1.2m和1.25～1.5m數據。對數據進行處理整合得到區段扭矩平均值后，分別代入式(1)進行計算，得到承載力計算值，并與勘察結果進行對比。

A1點位在0.8～1.25m深度處的疑似缺陷土體扭矩均值為22.9N·m，對應承載力計算值為39.6kPa，為勘察值60kPa的66%，由圖4a可知，該區域土體不完整程度較大，綜合分析后判定該區域為中度疏松病害；C1點位在0.6～1.2m深度處的疑似缺陷土體扭矩均值為23.8N·m， 對應承載力計算值為48.9kPa，為勘察值60kPa的81.5%，由圖4b可知，土體出現較不完整狀況時，綜合分析后判定為輕微疏松病害。

為檢驗數學模型的適用性和準確性，通過兩點位處土體表現良好區段的承載力計算值和勘察值進行對比檢驗，如表2所示，A1點位處1.3～1.6m的承載力計算值為97.0kPa，C1點位處1.25～1.5m的承載力計算值為94.9kPa，相比標準勘察值100kPa，相差率低于6%，結合病害形貌圖對應區段，可判定該區段土體良好、無病害特征，綜上說明檢測結果具有較高準確性，滿足工程實際需求。

表2 承載力計算對比

3 結語

1)數字化隨鉆土體病害快速檢測技術融合現有檢測手段技術優勢，能實現道路病害快速、精確診斷。

2)隨鉆參數與地基承載力在一定條件下可量化出數學關系模型，為道路病害檢測提供新思路。

3)某隧道下穿工程中，A1點位地下0.8～1.25m處的承載力數學模型計算值為39.6kPa，為勘察值60kPa的66%，結合病害形貌圖判定為中度疏松病害。

4)C1點位地下0.6～1.2m處承載力數學模型計算值為48.9kPa，為勘察值的81.5%，結合病害形貌圖判定為輕微疏松病害。

5)以無病害土體對數學模型進行檢驗，承載力計算值與勘察值吻合度高于94%，說明本次工況條件適用于數學模型使用條件，其他工況下的適用模型需進一步驗證。