综合物探技术在桥基基础探测上的应用

刘文伍，田庆福，余森林

(南京市测绘勘察研究院有限公司，江苏 南京 210019)

综合物探技术在桥基基础探测上的应用

刘文伍*，田庆福，余森林

(南京市测绘勘察研究院有限公司，江苏 南京 210019)

桥梁基础资料丢失给桥梁养护及桥梁附近地下基建(管廊、地下街等)方案的设计和施工带来障碍。物探方法具有经济、快速、无损的特点，但各种物探方法均有其应用的局限性，本文通过对多种地球物理勘探方法特点的分析，结合桥基探测现场环境，提出了地质雷达法、地面瞬变电磁法与钻孔瞬变电磁法探测桥基分布范围的综合物探技术，实践证明该综合物探技术能对隐伏桥基分布范围进行快速、准确的判定。

桥基探测；综合物探；地质雷达法；地面瞬变电磁法；钻孔瞬变电磁法

1 引 言

截至2015年底，我国大大小小的桥梁有近80万座，居世界第一[1]，随着时间推移，各种各样的原因造成许多桥梁的设计及竣工验收资料丢失。桥梁基本信息，特别是桥基设计参数的丢失给桥梁的保养及维护带来不便。另外，由于桥基结构大部分甚至全部深埋于地下，属于地下隐伏结构，给桥梁附近地下基础设施建设的设计及施工带来障碍。

物探方法作为一种间接勘察手段，具有经济、快速、无损的特点。通过物探方法对缺乏基础资料的桥梁进行桥基范围探测，为相关部门桥梁养护与地下基建方案设计提供基础资料，不失为一种新的思路。常用的城市工程物探方法主要包括地震波法、直流电法、地质雷达法、瞬变电磁法等[2～4]。各种方法根据现场探测条件及探测目的，具有各自的特点与优势，同时单一物探方法自身都存在一定的局限性与不足。通过不同的观测系统及不同物探方法，从多角度、多地球物理场出发，对探测区域进行综合探测与解释，物探方法之间相互配合、相互验证，能有效避免单一物探方法的局限性，提高解释成果的可靠性和准确性[5]。本文通过对多种地球物理勘探方法特点的分析，结合桥基探测现场环境，提出了地质雷达法、地面瞬变电磁法与钻孔瞬变电磁法探测桥基的综合物探技术，通过对某桥梁桥基的工程实测，证明了该综合物探技术对桥基横向展布范围及纵向深度能进行有效判定。

2 探测原理

2.1 地质雷达法探测原理

地质雷达法是利用高频电磁波的传播特性来推断探测区域内隐伏界面及物体的存在，是一种高精度电磁勘探方法。当电磁波在传播过程中遇到界面或其他物体时，由于物质间的电性差异，部分电磁波信号被反射回来从而被接收天线所接收，通过对反射电磁波的走时、振幅、形态等信息的分析处理，即可推断得到探测区域内隐伏界面及物体的位置、大小、深度等信息，原理示意图如图1所示。电磁波具有频率越高，探测精度越高、衰减越快、探测深度越浅的特性，因此使用地质雷达进行工程探测时，应根据探测目的深度及探测精度要求，结合现场实验来选择天线频率及采集参数[6]。

图1 地质雷达工作原理示意图

2.2 地面瞬变电磁探测原理

瞬变电磁法的理论基础是麦克斯韦方程理论，属时间域电磁感应方法，在一次磁场的激励下，地下地质体将产生涡流，涡流大小取决于地质体的导电性能，在一次场消失后，该涡流不会立即消失，而是有一个过渡(衰减)过程。该衰减过程又产生一个衰减的二次电磁场向地面传播，且被地面接收线圈线所接收，通过探测二次电磁场随时间的变化规律，可得到探测区域内不同深度的地电特征，从而反演推断探测区域内地质体的分布情况[7]，探测原理示意图如图2所示。

图2 瞬变电磁探测原理示意图

2.3 钻孔瞬变电磁探测原理

钻孔瞬变电磁法的基本原理与地面瞬变电磁法相同，其理论基础均是麦克斯韦方程理论。由于钻孔瞬变电磁的发射与接收线圈均位于钻孔内，更靠近探测目标体，具有更高的探测精度和准确性，且能有效降低地面现场环境干扰[8]。钻孔瞬变电磁法通过发射线圈发射脉冲式一次电磁场后，利用多个不同方向的线圈同时接收感应二次场，通过分析各道二次场衰减段感应电压信号的差异，对钻孔四周介质差异进行判断。钻孔周围介质均匀时，一次场激励后，各方向接收线圈的感应电压信号类似，差异性小，定义为电压偏移量小(散度低)；钻孔某个方向存在良导体时，其对应方向接收线圈的感应电压信号衰减要比其他方向接收线圈慢，各线圈感应电压信号差异性大，即电压偏移量大(散度高)。钻孔瞬变电磁法能有效反映钻孔周边一定范围内的地质情况，提高钻孔携带的地质信息量。

3 地球物理方法分析与选择

桥基通常为钢筋混凝土结构，与周围填土及地基之间不同程度地存在着多种物性差异，如密度差异、波速差异、电阻率差异、介电常数差异等，这些差异为不同的物探方法应用于桥基范围探测提供了地球物理基础。

各种物探方法根据探测目的及现场探测条件，具有各自的特点、优势以及局限性，比如地震波法具有较高的探测分辨率，对波阻抗差异界面反映直观、明显，但现场探测工作量较大，且要求现场无施工震动干扰；直流电法能对探测区域的电阻率分布情况进行划分，但由于体积效应，探测精度不高，且桥面布置电极较麻烦；瞬变电磁法对良导体反应灵敏，现场探测方便快捷，但纵向分辨率低；地质雷达法探测精度高，现场探测快捷，但探测深度较浅，且要求现场探测面较平整[9，10]。

从多角度、不同地球物理场来分析和推断桥基的分布范围，对多种物探方法成果进行对比、相互验证，能有效提高解释成果的可靠性。本文选用地质雷达法、地面瞬变电磁法与钻孔瞬变电磁法综合探查桥基分布范围主要有以下考虑：①桥基结构中含有大量钢筋网，地质雷达法探测分辨率高，对钢筋网结构可能反映较明显；钢筋属于良导体，瞬变电磁法对钢筋网的低阻反应灵敏；地质雷达法与瞬变电磁法都具有现场探测效率高的特点。②地震波法现场工作量较大，且受道路上车辆行驶震动干扰影响大；直流电法现场工作量较大，且现场探测时电极接地耦合困难。③由于地质雷达探测深度较浅，且地面瞬变电磁法纵向分辨率低，因此补充钻孔瞬变电磁法对桥基纵向深度进行探测。

4 探测实例

苏州某地区因综合管廊改线，需要部分桥梁的桥基形态基础资料，某桥梁因特殊原因导致现无基础资料可查，因此，通过地球物理方法对该桥梁基础形态进行探查，为综合管廊改线提供设计依据。具体探测目标为确定沿桥梁走向方向桥基的横向展布范围以及确定桥基垂向深度。根据现场实际情况以及探测目的，采用地质雷达法与瞬变电磁法来确定桥基的横向展布范围；采用钻孔瞬变电磁法确定桥基的纵向深度。

地质雷达法现场采用500 MHz屏蔽天线进行连续扫描测量，测线沿桥梁走向方向布置，从桥面伸缩缝向南 2 m开始，向路面方向(北)延伸 16 m，测线布置示意图如图3所示。探测数据经滤波、背景值消除、增益补偿等处理后得到最终雷达断面成果图，如图4所示。

图3 地面物探测线布置示意图

图4 雷达反演成果图

利用地质雷达法的同时，在同一测线剖面上采用瞬变电磁法对探测区域进行二次测量，以达到相互支持、相互验证的目的，增加解释成果的可靠性。瞬变电磁法现场采用 1.2 m×1.2 m的多匝重叠回线装置，发射线框与接收线框为匝数不等的独立线框，测线同地质雷达法测线，采用逐点扫描法，测点间距 0.2 m，共81个测点。探测数据经视电阻率计算、时深转化后得到深度-视电阻率断面成果图，如图5所示。

图5 瞬变电磁反演成果图

根据地质雷达与瞬变电磁探测成果图，结合现场情况对探测区域解释如下：

(1)从探测起始位置起1.6 m范围为独立桥面(现场可见)，地质雷达成果断面能清晰地看到钢筋结构引起的密集绕射弧，且瞬变电磁成果显示为低阻，与实际相符；

(2)1.6 m～7 m范围为桥基的横向展布范围，桥基为整体性较好的钢筋混凝土结构，因此该区域地质雷达断面整体表现为弱反射，但能看到由钢筋引起的密集绕射弧，瞬变电磁成果整体显示为低阻，另外测线 2 m位置处铁质桥面伸缩缝的影响在地质雷达与瞬变电磁结果上都有明显反映；

(3)7 m～16 m范围为与桥基连接路基，地质雷达成果显示该区段有一明显反射界面，且瞬变电磁反演成果整体显示为相对高阻，推断该界面为素混凝土路基填充界面。

钻孔瞬变电磁法探测时，结合现场情况在桥基东侧距桥基水平距离 2 m位置向下施工钻孔，钻孔直径 150 mm，钻孔孔口距桥面高差为 3.1 m，将瞬变多通道探头从孔口向孔底逐点测量，测点间距为 0.2 m，共40个测点。多通道孔中瞬变电磁数据，通过提取二次场衰减段感应电压信号，计算各测点电压信号偏移量，得到电压偏移量沿钻孔的展布情况，成果图如图6所示。

图6 钻孔瞬变电磁成果图

根据钻孔瞬变电磁成果图，可以发现1号测点～24号测点(24号测点距孔口 4.8 m，距桥面 7.9 m)的信号偏移量整体偏大，25号测点～40号测点的信号偏移量整体偏小，结合现场情况判定桥基底部深度延伸至24号测点位置，即距桥面 7.9 m深度处。

综合地质雷达法、地面瞬变电磁法、钻孔瞬变电磁法成果，结合现场情况，判定所探测桥梁桥基从桥面伸缩缝以南 0.4 m处向北横向展布 5.4 m，桥基纵向深度 7.9 m。

5 结 语

物探方法具有经济、快速、无损的优点，但单一物探方法均有其应用的局限性，从多角度、多地球物理场出发，对探测区域进行综合探测与解释，能有效避免单一物探方法的局限性，提高解释成果的可靠性和准确性。地质雷达法、地面瞬变电磁法与钻孔瞬变电磁法相结合的综合物探技术，能对隐伏桥基分布范围进行快速、准确的判定，为桥梁附近地下基建方案的设计与施工提供基础资料与理论依据。

[1] 交通基础设施重大结构安全保障战略研究[R].

[2] 张建清. 工程物探检测方法技术应用及展望[J]. 地球物理学进展，2016(4)：1867～1878.

[3] 王俊，雷宛，李星等. 综合物探方法在工程基础勘探中的应用[J]. 物探化探计算技术，2013(2)：215～220+121.

[4] 赵仁基，林松. 工程物探方法综述[J]. 科技资讯，2009(3)：2～3.

[5] 苏鹏. 综合物探在岩溶区铁路路基与隧道病害探测中的应用研究[D]. 成都：成都理工大学，2015.

[6] 刘英利. 地质雷达在工程物探中的应用研究[D]. 成都：成都理工大学，2008.

[7] 薛国强，李貅，底青云. 瞬变电磁法理论与应用研究进展[J]. 地球物理学进展，2007(4)：1195～1200.

[8] 储韬玉. 矿井孔中瞬变电磁测量方法及其应用研究[D]. 徐州：中国矿业大学，2015.

[9] 郝治国，贾树林，文群林. 综合物探方法在采空区及其富水性探测中的应用[J]. 物探与化探，2012(S1)：102～106.

[10] 张合，扈本娜，刘国辉. 综合物探方法探测城市隐伏活动断层的研究[J]. 工程地球物理学报，2012(6)：776～780.

The Application of Integrated Geophysical Exploration Technique on The Detection of Bridge Foundation

Liu Wenwu，Tian Qingfu，Yu Senlin

(Nanjing Institute of Surveying，Mapping & Geotechnical Investigation Co.，Ltd，Nanjing 210019，China)

It’s barrier to bridge maintenance and underground construction design for the lost of bridgefoundation information. Geophysical exploration method has the characteristics of economic，rapid and nondestructive，but every geophysical exploration method has the limitations of its application.In this paper，through the analysis of the characteristics of various geophysical exploration methods，combined with the environment of bridge foundation detection，put forward the geological ground penetrating radar method，ground transient electromagnetic method and drillingtransient electromagnetic methodto detect the bridge foundation at the same time. Practice proves that the integrated geophysical exploration technique canjudgedistribution range of bridge foundationrapidly and accurately.

bridge foundation detection；integrated geophysical exploration；geological ground penetrating radar method；groundtransient electromagnetic method；drillingtransient electromagnetic method

1672-8262(2017)03-166-05

P631

B

2016—12—27

刘文伍(1973—)，男，高级工程师，主要从事地下管线探测监测等技术管理工作。