地質雷達探測技術在陡坡樁坑臨崖側地質勘察中的應用

■林友煒

（福建省交通規劃設計院有限公司，福州 350004）

鉆探是一種常規且重要的勘察技術，其具有勘察效率高、精準度高及勘察深度深等優點，目前常應用于橋梁樁基的地質勘探中[1]。 山區公路橋梁建設受地形條件制約，橋墩樁基常布設于陡坡懸崖地段，該地段的樁基地質勘察往往采用挖孔結合地質人員經驗來判斷樁基臨崖側地質，由于地質的隱蔽性和不均勻性，采用經驗判斷等勘察手段存在較大誤差，而人工鉆孔僅能勘探豎向地層情況，無法勘探橫向地質，存在一定局限性。 為此，將地質雷達探測技術應用于樁坑臨崖側地質和孔底巖層的測量中將具有重要意義。

地質雷達探測由于雷達設備輕便靈活、分辨率高、探測快速、結果相對準確直觀、探測成本低等優點，使其在公路工程建設領域得到廣泛應用[2]。 其中，王立乾[3]通過工程實例驗證地質雷達技術是公路路基質量檢測最為理想的方法。 黃真萍等[4]開展了地質雷達探測技術對地鐵沿線未知涵洞探查的研究。 王振宇等[5]結合深埋長大隧道工程，提出并實踐基于掌子面編錄和地質雷達的綜合超前預報技術。 廖秀宇等[6]、胡從驕等[7]、武科等[8]采用地質雷達技術分別對樁基孔底地質及溶洞進行探測。

地質雷達探測技術在公路路基質量檢測、涵洞探查及隧道施工的超前地質預報中已經大量應用，在橋梁樁基孔底地質及溶洞的探測也有部分應用，但是在陡邊坡樁坑孔壁地質及孔底的探測方面還未開展。 為此，本研究以福州繞城高速某橋梁挖孔樁基臨崖側孔壁和孔底巖層的地質勘察實踐為例，探討地質雷達探測技術在樁坑臨崖側孔壁勘察中的適用性。 證實在成樁條件下，合理運用地質雷達探測技術，可更為快速準確判別陡坡基坑側壁和樁底巖體的厚度和土層分布情況，為樁基的設計和安全施工提供科學依據。

1 工程背景

本研究以福州繞城高速某橋梁為背景，擬建橋梁位于連江縣東湖鎮飛石村，橫跨連江縣雨峰生態農業園下游一大沖溝。 大橋左幅中心樁號K42+290.5，橋孔為（40+50+40）m 預應力砼連續T 梁，橋長141.0 m；右幅中心樁號K42+280，橋孔為2×40 m預應力砼連續T 梁，橋長88.0 m，見圖1。

圖1 橋位平面圖

橋址區屬丘陵坡地間沖溝地貌， 地形起伏大，橋梁跨越沖溝，寬度10～20 m，有一山澗發育，沖溝橫斷面坡度陡峭，溝底基巖裸露；山坡植被發育，兩側橋臺自然山坡穩定，經地質測繪并結合區域地質，該橋址區未見發育斷層帶。 該橋左橋1 號橋墩布設在陡坡懸崖地段，見圖2。

圖2 左橋1 號橋墩處地形地貌

2 陡坡懸崖常規地質勘察

通過在橋墩樁位處布設單點勘探孔，根據鉆探孔取出的土層樣本，分析鉆孔處的地層厚度，并結合巖土工程人員的經驗來推斷樁位處的地層面分布情況。 根據現場鉆探及經驗判斷，勘察單位提供了橋墩處橫斷面地質圖（圖3）。由圖3 可知，在鉆孔深度范圍內共有四層覆蓋層，分別為坡積含礫亞粘土、碎塊狀強分化花崗巖、弱分化花崗巖、微分化花崗巖。

圖3 左橋1 號橋墩橫斷面地質剖面圖

3 陡坡懸崖地質雷達探測

本項目橋址處的地表植被清理后，發現地形情況與原設計有出入，受常規勘察工具的限制，確定在人工挖基坑過程中采用地質雷達檢測技術對巖壁進行輔助測量，以確保設計的樁基安全。

3.1 地質雷達探測原理與技術參數

地質雷達探測技術是根據地下介質的電性差異，利用電磁脈沖波的反射來探測地下介質分布形態與特征的一種方法。 通過發射天線向被測介質發送高頻脈沖電磁波，當其遇到不均勻體（界面）時會反射一部分電磁波，雷達主機通過對此部分的反射波進行實時接收和處理，得到二維雷達圖像，通過配套程序解析上述圖像以獲取地下介質的結構狀況，達到識別目標介質的目的[9]。

現場檢測與數據采集可采用加拿大探頭與軟件公司生產的pulseEKKO PRO 專業型最新一代探地雷達系統。 該系統配備有專門應用于人工挖孔樁樁底地質情況探查的30 m 長光纖信號傳輸線，在介質中有效探測距離（深度）達20 m 以上。 當人工挖孔接近原設計初定樁底標高后即可安排孔壁孔底雷達探測。 挖孔樁孔壁探測時采用中心頻率為100 Mhz 的天線，側壁采用垂直剖面探測法，樁底采用環形剖面法進行探測。 數據采集時間窗為500 ns，天線偏移距為1 m。 反射波采集后用該公司的配套處理軟件進行數據后處理。

3.2 挖孔樁位地質調繪

為能準確評估挖孔樁側壁的厚度及巖體分布情況，在采用地質雷達探測前，通過已開挖的樁孔坑位進行地質調繪（圖4）。

圖4 樁基坑壁巖體影像

從已清理的坡面和人工開挖的孔坑可以觀測到，樁位處橫向地勢較陡，基坑基巖埋深淺，樁底側壁巖性主要為淺肉紅色、 青灰色夾灰白色的弱～微風化燕山晚期花崗巖（γ53），巖質堅硬，巖體較完整，呈塊狀、厚層狀結構。 據統計，巖體完整性指數Kv為0.67～0.74；節理裂隙較發育，巖體體積節理數Jv為3.4～5.8。根據該樁位巖性特征和相關資料取用外側壁巖石介質的平均雷達波速度為0.1 m/ns。

3.3 樁基外側壁與樁底地質雷達探測分析

由圖5 可知，外側壁懸崖表面界限在雷達記錄上顯示清晰，產狀較陡。 地質雷達記錄顯示外側壁巖體內回波能量較弱，反映該樁位外側壁巖體結構較完整，但在外側壁巖體內有一條產狀較陡，朝樁坑方向傾斜的裂隙帶存在，借助專業的雷達數據后處理軟件，可得樁坑外側壁地層的分布及厚度情況（圖6）。由圖6 可知，該樁孔外側壁巖體從內往外可分為微～弱風化帶、強風化帶、第四系與全風化帶，其中挖孔爆破時對孔壁巖體的破損影響范圍約2 m， 而這個影響厚度用人工檢測或常規的勘察方式均無法反應，也常被設計人員所忽略。 由圖6 還可知，距孔頂5 m 處，孔壁臨崖側厚度為4.58 m；距孔頂10 m 處， 孔壁臨崖側厚度為6.79 m； 距孔頂15 m 處， 孔壁臨崖側厚度為8.81 m； 距孔頂20 m處，孔壁臨崖側厚度為10.68 m；孔底處，孔壁臨崖側厚度為11.52 m。

圖6 左橋1 號橋墩處樁孔外側壁巖體厚度及結構

由圖7 可知，波形反映了橋墩樁基底部在樁底以下0～12 m 范圍巖石介質中有一組近于水平的節理發育，但巖體結構較完整；樁底12 m 以下范圍巖石結構完整。

圖7 左橋1 號橋墩處樁底地質雷達探測記錄

通過使用地質雷達探測技術可知， 在陡坡路段，特別是帶有陡崖地形的橋址處，受巖土勘察成本的制約，勘察單位一般很難能做到通過布設足量的鉆探取樣以真實揭示山坡巖體的土層分布，人工測量也因勘察設備和野外環境的制約導致測量不準確。 為確保橋梁基礎的牢固穩定安全，設計者非常需要在樁基成孔過程中對樁基巖壁特別是臨崖側的厚度和地質情況的再確認，而地質雷達探測技術為實現上述目的提供了很好的途徑。

4 結語

通過研究地質雷達探測技術在陡坡樁坑臨崖側地質測量中的應用，主要結論如下：（1）實踐證明挖孔成樁工藝下的陡坡橋梁樁基，當初期地勘資料不夠完善或與現場地質有較大出入的，在樁基施工澆筑砼前， 可通過合理運用地質雷達探測手段，探明地質情況，避免因原地勘或測量資料的不準確導致盲目設計與施工；（2）挖孔樁基施工時，將對樁孔附近巖體產生約2 m 的爆破影響帶，在設計施工時應該加強考慮挖孔施工對孔周巖體破壞的影響；（3）雖然探討了地質雷達探測技術在樁孔臨崖側地質勘察中的應用，但是在挖孔樁施工時對孔壁產生的爆破影響范圍還需要進一步研究。