地质雷达在桩底基岩地质缺陷勘探中的应用

中交路桥华南工程有限公司 中山 528403

我国西南地区山地、河流分布广泛，喀斯特构造较为发育，桩基础能适应各种地质条件、各类工程条件和荷载情况，因而被广泛地应用于桥梁工程的建设[1]。桩底基岩作为应力承担的主体，其地质情况对桥梁的承载能力及稳定性起到至关重要的作用，因此探明桩底基岩的地质情况对于桥梁基础建设至关重要[2]。地质雷达作为一种无损、快速、直观的勘探方法，广泛应用于地下管线探测、结构物无损检测、路基检测等工程勘察领域，在桩底基岩地质缺陷勘探方面也取得较好的效果[3,4]。

1 工程概况

鸭池河特大桥属于贵阳至黔西高速公路项目，全长1 461 m，设计为双塔双索面混合梁斜拉桥，主塔采用H形桥塔，主墩承台采用整体式，下接群桩基础，均为端承桩。桩径3.0 m，每承台24 根，贵阳岸单根桩长40 m，黔西岸单根桩长48 m。根据初期勘察资料，桥址区属于构造侵蚀岩溶中山峡谷地貌区，为单斜岩层构造，未见区域性断裂构造；覆盖层主要为第四系残坡积层粉质黏土，崩坡积块石，下伏基岩为三叠系下统夜郎组白云质灰岩，泥质灰岩夹泥灰岩、砂岩，三叠系下统茅草铺组白云质灰岩。

2 工作原理

地质雷达是一种利用高频至特高频波段（1 MHz～1 GHz）电滋波反射法对地下或物体内部的不可见目标体或界面进行定位的无损探测方法。

地质雷达的工作基本原理是在系统主机的控制下，发射机通过天线向勘探围岩介质发射定向的脉冲电磁波，垂直于围岩介质表面向内部传播的电磁波当遇到有电性差异（介电常数、电导率、磁导率不同）的目标体（如分界面、空洞、管线等）时便会发生反射，反射波由天线接收进入接收机，并传到主机。主机对从不同深度返回的各个反射波进行放大、采样、滤波、数字叠加等一系列处理，可在显示器上形成一种类似于地震反射时间剖面的地质雷达连续探测彩色剖面，并根据这些彩色剖面对地下目标体进行定位。

可以利用速度分析法对雷达数据进行分析。由于速度分析法历史相对悠久，方法和理论都较为成熟，因此应用广泛。可以通过理论计算，根据各层的速度、相对介电常数以及时间差来推算出地质缺陷的位置。

3 现场勘探及数据判读

3.1 使用仪器及操作方式

本次检测使用的仪器是美国生产的SIR-20型地质雷达，针对本次探测对象的工程特点，采用工作频率100 MHz的天线进行探测。该仪器的特点是分辨率高，擅长于进行大数据量、高密度的连续探测并实时给出波形图，比较适合本工程检测的需要。SIR-20型地质雷达，由主机、显示器、天线（含发射机及接收机）、电源系统、连接电缆、操作软件和后处理软件组成。

采用宽角探测方法将发射天线固定于一端，接收天线向一个方向等间距移动，最后得到一系列扫描数据，探测方法如图1所示。在测量过程中确保桩底没有碎石，桩底基岩尽可能平整，使天线贴在桩底基岩表面，本次测量沿桩底表面布置2 条测量路线（图2）。在测量中采用键盘触发式对雷达系统进行操作，按一下键盘采集一次数据，天线以一定的速率沿测线平缓移动，完成一条测线的测量按一次键盘。

图1 宽角度探测方法示意

图2 测线布置

3.2 桩底基岩地质缺陷勘探分析结果

3.2.1 雷达剖面图一般特征

本次桩底基岩缺陷勘探的主要目的是判断桩底基岩是否存在溶洞、含水层、破碎带等，根据经验可以知道溶洞、含水层、破碎带的雷达剖面具有下列特征：

（a）溶洞电阻率高、介电常数低、电磁波传播速度快，在雷达剖面图上，通常表现为双曲线形态；

（b）破碎带常为节理裂隙发育区，可能伴有泥质、碎石混合区，在雷达剖面图上主要特征表现为反射波同相轴扭曲错动、不连续，零乱的团块状或条带状的强反射或多次反射异常；

（c）含水层、岩层分界面在雷达剖面图上表现为与含水层界面相同的一条曲线。

3.2.2 桩底基岩地质雷达剖面图及其分析

经过对贵州鸭池河特大桥3#主墩和4#主墩挖孔桩桩底进行的现场勘探资料，对特征比较明显的3-1、3-23、3-24、4-1、4-24桩底剖面图分析如图3～图6所示。

图3 3-1桩底雷达剖面

图4 3-23桩底雷达剖面

图5 3-24桩底雷达剖面

图6 4-1桩底雷达剖面

由图3可以看到3-1桩底基岩在0～2.5 m内有明显分解面存在，但区域内岩体完整性较好，节理裂隙不发育，电磁波反射不强烈；在2.5～10.0 m内剖面图显示为波动的条块状表明该区域内存小范围的节理裂隙发育区，岩体破碎；在10.0～15.0 m区域内电磁波反射不强烈，节理裂隙不发育，探测区域基岩完整性较好。因此，建议对2.5～10.0 m区域内的基岩进行注浆强化即可满足桥梁建设的要求。

由3-23桩底雷达剖面（图4）分析认为该桩底基岩岩体完整性较好，节理裂隙一般发育，电磁波反射不强烈，未发现明显破碎区及富水区，无明显溶洞。基岩完整性较好，可以进行下一步工程施工。

由3-24桩底雷达剖面（图5）分析认为在0～7.5 m处岩体完整性较好，节理裂隙不发育，电磁波反射不强烈，7.5～15.0 m电磁波反射较强，岩体完整性一般，节理裂隙较发育，裂隙区域可能存在裂隙水，探测区未发现明显破碎区及富水区，无明显溶洞。建议对基岩7.5～15.0 m区域进行相关强化措施，以满足桥梁承载能力。

对4-1桩底雷达剖面（图6）分析认为，该桩底岩体完整性较差，节理裂隙较发育。电磁波反射较强烈，0～7.0 m电磁波反射较弱，岩体较完整，7.0～15.0 m电磁波反射较强，推测为小型破碎区域，局部为溶蚀裂隙，溶蚀裂隙可能含有裂隙水，未发现明显富水区，无明显溶洞。建议对4-1桩底基岩进行相应的基岩强化措施，以保证桥梁基础具有足够的承载能力。

4 结语

地质雷达作为一种方便快捷的物探方法，在桩底基岩地质缺陷勘探过程中可以及时发现基岩的岩层分界面、破碎带、溶岩孔洞、含水层等。在鸭池河特大桥修建过程中，结合工程实际选择地质雷达参数，结合勘探结果和现场工程环境对桩底基岩地质情况进行综合判断，并及时反馈给施工单位，动态调整施工设计，保证了工程质量。

在地质雷达勘探过程中还存在着一定的不足之处，同其他勘探方法一样，地质雷达受地形干扰，勘探深度有限，分析人员应不断提高自己的业务水平。