地质雷达联合数字化随钻对城市道路病害定量探测的应用研究*

王年近，王江涛，杨 敏，张 硕，于泽明

(1.中电建路桥集团有限公司，北京 100032； 2.北京市市政工程研究院，北京 100037； 3.北京科技大学，北京 100101)

0 引言

现阶段城市道路病害探查手段主要有地质雷达探查、钻孔取芯查验和标准贯入法等[1-2]。众多学者和现场检测人员进行大量工作[3-9]，但由于地下工况越来越复杂，影响病害发生因素和病害类型越来越多，传统检测手段的弊端愈发明显，其中地质雷达虽然检测速度快，但受周边环境和地层影响较大，探测结果误判性很高[10-11]，而钻孔取芯和标准贯入试验耗时长、成本高，对道路路面和原始地层扰动较大，同时阻碍交通运行。因此，有效结合并充分发挥现有检测技术手段的优势，研究发展新的检测理念和方法势在必行。

基于此，提出地质雷达普查、数字化随钻检测和孔内形貌窥视三步法的数字化随钻土体病害快速检测技术，并应用于某城市隧道下穿工程中。检测结果显示，雷达初判的疑似病害区域为A，C，数字化随钻检测承载力计算值分别为39.6，48.9kPa，远低于勘察标准值60kPa，结合孔内病害形貌对应段，分别判定为土体中度疏松病害和轻微疏松病害。无病害土层段计算值高于标准值的94%，表明检测结果准确性较高，满足工程需求。

1 数字化随钻土体病害快速检测技术

1.1 土体病害检测方法及设备

1)病害区域普查 即采用地质雷达普查技术，根据测线划分对监测区域进行拉网式普查，根据雷达反射图谱初步判定地下疏空病害区域范围及位置。本文采用MALA-ProEx型地质雷达，雷达天线频率为250MHz，有效探测深度8m，单次横扫面积100cm2。

2)随钻力学响应量表征 采用钻孔设备对可疑区域进行钻孔验证，钻孔过程中，需保持转速和推进力恒定，实时传输、记录钻进扭矩数值，计算钻测土层的承载力特征值。数字化钻进系统的数据采集系统采集扭矩值为0～200N·m，12mm直径光电编码器采集钻探深度，计算机和系统软件分别实时生成扭矩与钻探深度间的关系曲线。旋转钻进系统可提供最大10kN推力，最大速度为1 000r/min， 最大钻进深度为15m。

3)地下光学形貌表征 为更直观判断地下土体，采用TS-C0601型数字式全孔摄像系统表征钻孔光学形貌，利用匹配软件采集钻孔影像信息，通过剖面图与柱状图展示病害形貌，同时获取病害埋深位置。

1.2 地下土体病害判定依据

1.2.1地质雷达普查依据

地质雷达探测是通过向目标物发射一定频率的雷达波，并基于反射波对引起反射的目标进行物性特征分析的技术。由于地下岩土层介质数量多、类型繁杂，雷达波在不同介质的反射波中呈现特性也不相同，因此可通过分析反射波的特性推演地下病害信息。

通过大量试验与现场验证，雷达发射图谱特征与对应病害类型如下[12]：①轻度疏松 反射信号能量有变化，同相轴较不连续，波形较杂乱、不规则；②中度疏松 反射信号能量变化较大，同相轴较不连续，波形较杂乱、不规则；③严重疏松 反射信号能量变化大，同相轴不连续，波形杂乱、不规则；④空洞 反射波信号能量强，反射信号的频率、振幅、相位变化异常明显，下部反射波明显，边界可能伴随绕射现象；⑤一般富水异常 反射波信号能量较强，下部衰减较明显，同相轴较连续，频率变化不明显；⑥严重富水异常 反射波信号能量强，下部信号衰减明显，同相轴较连续，频率变化不明显。

1.2.2数字化随钻判定原理

数字化随钻检测技术通过随钻过程的钻进参数，包括扭矩、推进力、转速和进尺速率，基于相应数学模型对岩土体的力学参数进行计算表征。近年来，数字化随钻检测技术愈发成熟，不同土层、不同含水率、不同围压等工况随钻参数与目标力学参数的数学关系模型越来越准确，适用性愈发广泛，因便利性和准确性，在各检测工程中的优先级也越来越高。

旋压触探钻进系统工作时，将钻机转速、推进力、进尺速率参量调整为确定值，计算机系统实时采集并记录扭矩值；钻进结束后，将扭矩值进行数据去噪处理，通过数学模型计算各土层承载力，并对比工程勘察结果，判定土体状况。

充分考虑现场工况与数学模型的适配性，在参考大量研究的基础上，采用以下数学模型进行计算：

Q=-200.33+10.47N

(1)

式中：Q为地基承载力(kPa)；N为扭矩(N·m)。

该数学模型适用于固定钻机转速为800r/min，推进力7.5kN，进尺速率15cm/min，土体含水率为10%～20%的模型。

2 某下穿隧道工程周边病害探查

2.1 工程地质概况

某地下隧道工程中心轴线位于城市主干道正下方，隧道呈东西向依次横穿10条南北向城市道路，全长约6km，为一类城市交通隧道，采用明挖法施工，结构底板埋深0～19.2m，基坑开挖最大深度27.9m，所在地层信息如表1所示。

表1 地层信息

为研究隧道开挖对邻近区域岩土体的影响，探查穿越道路下方土层状况，排除安全隐患，确保工程和周边建(构)筑物的安全，通过数字化随钻土体疏空病害快速检测技术进行病害探查。

2.2 地质雷达探测结果分析

如图1所示，此次探测区域集中在隧道中心线与南北向横穿道路交叉的3个路口，分别为探测区域A，B，C，D，E，F，在邻近开挖区10m范围内，测线横穿马路，平行于隧道开挖主线，测线间距3m。

图1 雷达探测区域分布

通过对6处道路进行地质雷达普查，排除各类管线干扰，对可疑区域进行加密网格详查(网格间距1m×1m)后，确定疑似缺陷土体区域为A，C，如图2所示。其中疑似缺陷土体区域A雷达图谱显示，在地下0.8～1.25m范围处，雷达反射信号能量变化幅度较大，同相轴不连续或缺失，波形结构不规则，可判定区域A为道路路基中度疏松；图2b显示缺陷区域埋深位置为地下0.6～1.2m处，雷达反射信号处能量存在小幅变化，同相轴表现为不连续、错乱，波形结构较不规则，由此判定区域C为路基轻微疏松。两处疑似病害区域为淤泥质粉质黏土，地基承载力为60kPa。

图2 疑似缺陷土体区域

2.3 数字化随钻检测结果分析

根据雷达图谱探测结果，分别在缺陷土体区域进行数字化随钻检测，检测点位分别命名为A1，C1。随钻检测中，钻头选取直径5cm的薄壁金刚石钻头，两点位处随钻扭矩-深度曲线如图3所示，孔内病害形貌如图4所示。

图3 缺陷土体随钻曲线

图4 检测点位孔内病害形貌

对A1，C1点位的随钻扭矩-深度曲线进行分段选取与数据整合。A1点位分别抽取0.8～1.25m和1.3～1.6m数据，C1点位分分别抽取0.6～1.2m和1.25～1.5m数据。对数据进行处理整合得到区段扭矩平均值后，分别代入式(1)进行计算，得到承载力计算值，并与勘察结果进行对比。

A1点位在0.8～1.25m深度处的疑似缺陷土体扭矩均值为22.9N·m，对应承载力计算值为39.6kPa，为勘察值60kPa的66%，由图4a可知，该区域土体不完整程度较大，综合分析后判定该区域为中度疏松病害；C1点位在0.6～1.2m深度处的疑似缺陷土体扭矩均值为23.8N·m， 对应承载力计算值为48.9kPa，为勘察值60kPa的81.5%，由图4b可知，土体出现较不完整状况时，综合分析后判定为轻微疏松病害。

为检验数学模型的适用性和准确性，通过两点位处土体表现良好区段的承载力计算值和勘察值进行对比检验，如表2所示，A1点位处1.3～1.6m的承载力计算值为97.0kPa，C1点位处1.25～1.5m的承载力计算值为94.9kPa，相比标准勘察值100kPa，相差率低于6%，结合病害形貌图对应区段，可判定该区段土体良好、无病害特征，综上说明检测结果具有较高准确性，满足工程实际需求。

表2 承载力计算对比

3 结语

1)数字化随钻土体病害快速检测技术融合现有检测手段技术优势，能实现道路病害快速、精确诊断。

2)随钻参数与地基承载力在一定条件下可量化出数学关系模型，为道路病害检测提供新思路。

3)某隧道下穿工程中，A1点位地下0.8～1.25m处的承载力数学模型计算值为39.6kPa，为勘察值60kPa的66%，结合病害形貌图判定为中度疏松病害。

4)C1点位地下0.6～1.2m处承载力数学模型计算值为48.9kPa，为勘察值的81.5%，结合病害形貌图判定为轻微疏松病害。

5)以无病害土体对数学模型进行检验，承载力计算值与勘察值吻合度高于94%，说明本次工况条件适用于数学模型使用条件，其他工况下的适用模型需进一步验证。