地質雷達在樁底基巖地質缺陷勘探中的應用

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，喀斯特構造較為發(fā)育，樁基礎能適應各種地質條件、各類工程條件和荷載情況，因而被廣泛地應用于橋梁工程的建設[1]。樁底基巖作為應力承擔的主體，其地質情況對橋梁的承載能力及穩(wěn)定性起到至關重要的作用，因此探明樁底基巖的地質情況對于橋梁基礎建設至關重要[2]。地質雷達作為一種無損、快速、直觀的勘探方法，廣泛應用于地下管線探測、結構物無損檢測、路基檢測等工程勘察領域，在樁底基巖地質缺陷勘探方面也取得較好的效果[3,4]。

1 工程概況

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

2 工作原理

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

地質雷達的工作基本原理是在系統(tǒng)主機的控制下，發(fā)射機通過天線向勘探圍巖介質發(fā)射定向的脈沖電磁波，垂直于圍巖介質表面向內部傳播的電磁波當遇到有電性差異（介電常數、電導率、磁導率不同）的目標體（如分界面、空洞、管線等）時便會發(fā)生反射，反射波由天線接收進入接收機，并傳到主機。主機對從不同深度返回的各個反射波進行放大、采樣、濾波、數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間剖面的地質雷達連續(xù)探測彩色剖面，并根據這些彩色剖面對地下目標體進行定位。

可以利用速度分析法對雷達數據進行分析。由于速度分析法歷史相對悠久，方法和理論都較為成熟，因此應用廣泛。可以通過理論計算，根據各層的速度、相對介電常數以及時間差來推算出地質缺陷的位置。

3 現場勘探及數據判讀

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的SIR-20型地質雷達，針對本次探測對象的工程特點，采用工作頻率100 MHz的天線進行探測。該儀器的特點是分辨率高，擅長于進行大數據量、高密度的連續(xù)探測并實時給出波形圖，比較適合本工程檢測的需要。SIR-20型地質雷達，由主機、顯示器、天線（含發(fā)射機及接收機）、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，接收天線向一個方向等間距移動，最后得到一系列掃描數據，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)式對雷達系統(tǒng)進行操作，按一下鍵盤采集一次數據，天線以一定的速率沿測線平緩移動，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 樁底基巖地質缺陷勘探分析結果

3.2.1 雷達剖面圖一般特征

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，根據經驗可以知道溶洞、含水層、破碎帶的雷達剖面具有下列特征：

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

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

（c）含水層、巖層分界面在雷達剖面圖上表現為與含水層界面相同的一條曲線。

3.2.2 樁底基巖地質雷達剖面圖及其分析

經過對貴州鴨池河特大橋3#主墩和4#主墩挖孔樁樁底進行的現場勘探資料，對特征比較明顯的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樁底雷達剖面

圖4 3-23樁底雷達剖面

圖5 3-24樁底雷達剖面

圖6 4-1樁底雷達剖面

由圖3可以看到3-1樁底基巖在0～2.5 m內有明顯分解面存在，但區(qū)域內巖體完整性較好，節(jié)理裂隙不發(fā)育，電磁波反射不強烈；在2.5～10.0 m內剖面圖顯示為波動的條塊狀表明該區(qū)域內存小范圍的節(jié)理裂隙發(fā)育區(qū)，巖體破碎；在10.0～15.0 m區(qū)域內電磁波反射不強烈，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2.5～10.0 m區(qū)域內的基巖進行注漿強化即可滿足橋梁建設的要求。

由3-23樁底雷達剖面（圖4）分析認為該樁底基巖巖體完整性較好，節(jié)理裂隙一般發(fā)育，電磁波反射不強烈，未發(fā)現明顯破碎區(qū)及富水區(qū)，無明顯溶洞?；鶐r完整性較好，可以進行下一步工程施工。

由3-24樁底雷達剖面（圖5）分析認為在0～7.5 m處巖體完整性較好，節(jié)理裂隙不發(fā)育，電磁波反射不強烈，7.5～15.0 m電磁波反射較強，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)現明顯破碎區(qū)及富水區(qū)，無明顯溶洞。建議對基巖7.5～15.0 m區(qū)域進行相關強化措施，以滿足橋梁承載能力。

對4-1樁底雷達剖面（圖6）分析認為，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，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)現明顯富水區(qū)，無明顯溶洞。建議對4-1樁底基巖進行相應的基巖強化措施，以保證橋梁基礎具有足夠的承載能力。

4 結語

地質雷達作為一種方便快捷的物探方法，在樁底基巖地質缺陷勘探過程中可以及時發(fā)現基巖的巖層分界面、破碎帶、溶巖孔洞、含水層等。在鴨池河特大橋修建過程中，結合工程實際選擇地質雷達參數，結合勘探結果和現場工程環(huán)境對樁底基巖地質情況進行綜合判斷，并及時反饋給施工單位，動態(tài)調整施工設計，保證了工程質量。

在地質雷達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，地質雷達受地形干擾，勘探深度有限，分析人員應不斷提高自己的業(yè)務水平。