地质雷达物探技术应用在高速公路建设中的意义

殷慧茹 熊绍鑫

(葛洲坝集团交通投资有限公司 湖北武汉 430000)

交通行业对地质雷达测试高速公路质量认可度较高，其常用于隧道质量控制（管棚数量、钢筋数量、拱架数量、衬砌厚度、背后空洞、仰拱厚度）、桥梁钢筋数量及混凝土裂缝、路面厚度等，并且在交工验收和超前地质预报中也经常使用，地质雷达物探技术属于无损检测技术范畴，其在施工质量过程控制、日常或专项质量督查中发挥重要作用，使质量缺陷、质量问题及违规行为无所遁形，是现阶段高速公路建设中极其重要的检测手段，行业内已经有不少建设单位将地质雷达检测隧道质量直接纳入第三方中试检测工作内容，同时作为随时开展督查的利器。

1 地质雷达技术的发展

我国从20 世纪80 年代中期开始进行探地雷达技术的研究和试验，最初用于军事地雷的探测。经过十几年的研制攻关，在雷达硬件设备、信号处理、目标成像等方面取得重大进展和突破[1]。特别是最近10 年，通过大批引进国外技术同时进行国内改造孵化，我国的地质雷达的分辨率和清晰度及三维层析成像技术都达到世界领先水准，设备使用率及普及率大幅提升。

地球物理高新技术方法是经过十余年而发展起来的，地质雷达以其分辨率高、定位准确、无损快捷、方便经济、实用性强。现已成功地应用于工程质量检测、文物考古探测、水文地质调查、地质勘察、生态环境检测、矿产资源调查、城市地下管网普查等众多领域，在工程质量检测及物探领域应用不断被拓宽深耕，得到广大工程建设者的认可，交通运输部、水利部、住建部等多部委均在不同规范中引入该测试方法用于质量控制[2-4]。

2 地质雷达技术在高速公路上的应用

近年来，在高速公路建设中的应用已经普及，在高速公路工程地质勘察、隧道质量检测、隧道超前地质预报、路面厚度以及混凝土内部缺陷检测中都有广泛应用。由于地质雷达这种无损检测技术测试准确，能有效判断隐蔽工程中已经覆盖的质量问题及缺陷，在全国交通系统范围内得到极大认可，该项技术已经成为高速公路工程建设过程中的必要手段。

2.1 地质勘察

可以施工地质雷达物探技术调查覆盖层和松散体的厚度及分布，岩层风化层界面及分布，岩层节理夹层和断裂带，地下水、溶洞、空洞、塌陷区状况普查，城市地下洞室、排污巷道、排污管道及地下管线的调查。地质雷达做物探虽然物探距离不如较其他物探方法，但其准确性要优于其他方法。

2.2 隧道质量检测

检测隧道支护的厚度、混凝土不密实、杂物、背后空洞、层间脱空及钢筋和钢拱架分布和隧道围岩裂隙、破碎、管路定位，也可以利用地质雷达开展初支超欠挖和隧道仰拱厚度及回填质量检测。采用地质雷达检测初支厚度、二衬厚度、衬砌背后密实状况已经列入《公路工程质量检验评定标准第一册土建工程》（JTG F 80/1-2017）中，属于强制性实施条款，后续新开工公路项目均必须实施雷达扫描检测。仰拱回填质量检测是交通运输部桥隧专项督查必检项目，也是影响隧道整体质量的较大隐患，仰拱厚度不足回填不密实，会造成隧道仰拱及二衬开裂、地表下沉及界限受侵等严重危害，极大影响通车后的行车安全，明确的检测方法就是地质转取芯及地质雷达检测。地质雷达用于隧道质量检测意义深远，提高了高速公路工程的质量，震慑了施工队伍的侥幸心理，使问题无所遁形[5-6]。

2.3 隧道超前地质预报

隧道超前地质预报是设计地质勘察的补充和延伸，是保证隧道施工安全的重压环节和重要技术手段。在可预测隧道开挖掌子面前方50 m范围内的断层、溶洞、裂隙带、含水带等地质构造。超前地质预报在隧道开挖工作面进行测试，预测判断工作面前一定距离范围内的工程地质、水文条件及不良地质体的工程性状、位置、规模、风险等，并做出预报结论和提出技术建议。尽最大可能避免或减少因地质不明所造成的安全事故或经济损失。

2.4 路面厚度检测及结构混凝土内部缺陷检测

水泥混凝土路面现场检测指标包括板厚度、抗滑构造深度、中线偏位、路面宽度、平整度、横坡、相邻板高差、纵断高程、纵横缝顺直度，还需对外观检定进行系统排查，以便于交工验收。板厚度在施工过程中采取直接量测法或水准测量法，在交竣工验收时采用地质雷达法进行。结构混凝土内部缺陷检测主要是不密实、背后空洞、有杂物、预埋构件缺失及位置偏移、钢筋及钢架数量不足、较大较深结构性裂缝。

3 工程应用实例

3.1 隧道初支背后空洞

2019年7月在四川某高速公路质量监督过程中的检测实例。现场抽检隧道初期支护质量，现场随机抽取一个段落180 m 左右，拱顶部位出现大面积的空洞10条，共计长度达16.6 m，从地质雷达图像可以清楚看出隧道初支缺陷的位置、大小、分布，便于业主鉴定工程质量状况和及时采取补救整改措施，同时警示施工队伍及施工质量管控人员。探地雷达测线布置示意图见图1，隧道进口段初期支护质量检测结果见表1，隧道进口拱顶初期支护见图2。

表1 隧道进口K48+265～K48+500段初期支护质量检测结果

图1 探地雷达测线布置示意图

图2 隧道进口段拱顶初期支护

3.2 混凝土不密实

湖北某高速公路隧道交工验收测试，采用的是500 MHz屏蔽天线，对测试数据进行分析整理比对，从雷达图像上可以清楚地看到二衬混凝土中存在多处不密实区域，图3中5 m长的混凝土出现3处不密实，4图中5 m 长的测试长度中大部分均不密实，测试时该隧道喷涂完防火涂料，在外观上已经看不出缺陷，但在地质雷达的测试下无所遁形。不密实现象常出现于仰拱回填区、边墙超挖回填区，拱顶拱腰较少出现，在钢筋较密部位也会出现混凝土不密实。调查其形成原因为混凝土和易性不佳，振捣不到位造成。

图3 多处不密实

图4 大面积不密实

3.3 路面基础脱空

2021年河南郑州发生特大水灾，因郑州地区表层土层大多为湿陷性黄土，湿陷性黄土雨水后很出现大规模湿陷、路基沉陷，影响高速公路的本质安全，水灾过后河南省交通运输厅组织对郑州境内所有被淹高速公路及地方道路进行病害普查，主要针对路基基础沉陷造成的脱空，所测试的3 条高速均不同程度出现大规模基础脱空，数据完成上报后，地方政府根据地质雷达测试的精准数据，迅速确定施工补救方案，组织设计及施工开展施工，保障了高速公路的本质安全，挽回不可估量的经济损失。对选取两段大规模脱空的地质雷达测试图如图5所示。

图5 脱空举例

3.4 围岩等级变化

图6 为围岩等级变化的实例，在福建龙岩某高速公路进行质量监督检查，采用瑞典RAMAC/GPR 探底雷达800 MHz 屏蔽天线进行的隧道衬砌检测，设计隧道洞口段为浅埋破碎Ⅳ类围岩，进洞174 m 后为Ⅲ类围岩，围岩不同对应二衬的设计也不同，洞口段设有钢筋，Ⅲ类围岩是素混凝土。

图6 围岩等级变化举例

从雷达测试图上可以看出在进洞174 m处图像有明显变化，可以清晰地看出钢筋至布置到进洞174 m处，可以看出本段隧道的超欠挖状况，可以清楚地看到隧道洞口段的浅埋破碎Ⅳ类围岩和Ⅲ类围岩区域分布。

3.5 仰拱厚度

在山东某高速公路例行监督抽查过程中发现，该隧道仰拱厚度不足，仰拱厚度仅为设计厚度的1/2，仰拱与仰拱回填分别浇筑，在两层混凝土交界面处会出现一波反射信号，测试过程中可以清晰地判断出岩层与仰拱、仰拱与仰拱回填的界限、仰拱底部存在一定厚度的沉渣。后经取芯验证，证实该部位仰拱厚度不足，仰拱底部存在较厚洞渣料，项目建设方责令全线复查停工整改[7]。仰拱地质雷达结果见图7。

图7 仰拱厚度不足

3.6 桥梁结构混凝土缺陷

对湖北省某高速公路在施工建设期进行第三方监督巡检时，发现空心薄壁墩主筋数量与图纸不符，立即上报公司及项目业主单位。起初采用钢筋位置测定仪进行检测，由于空心薄壁墩钢筋层次多有密集，钢筋位置测定仪无法有效测定钢筋数量及位置。质监局调集地质雷达从上到下，每一模进行一次地质雷达测试，最终确定共计12模中最上边11模、12模有偷主筋行为，11 模偷主筋8 根，12 模偷主筋14 根，业主单位立即对施工单位进行处罚并责令其对问题部位进行返工处理。

单根钢筋在雷达图像上一般表现为有规律的小双曲线强反射，波幅较窄，随着埋藏深度增大双曲线变缓。空心薄壁墩中钢筋一般为双层钢筋网，表现为多次反射、两层钢筋走势一般不同。通常情况下，当钢筋埋藏深度小于50 cm时，800 MHz天线可以更清楚地看到隧道衬砌内部的钢筋分布情况。

3.7 隧道二衬厚度测试

广东深圳某水源地水库隧道交竣工验收时采用500 MHz 屏蔽天线测试，设计二衬厚度30 cm，经过测试并分析，发现初衬和二衬的界限明显，从雷达图像上可以清楚地看到二衬存在两处连续欠厚的部位。查阅施工监控测量及施工记录，并对已经施工完成的二衬进行破坏验证，实际厚度与地质雷达测试数据吻合，业主单位以隧道二衬厚度存在较严重质量问题为由，要求施工队伍进行质量问题处理。分析该问题原因，施工队伍未意识到现有地质雷达技术可以准确地测试出隐蔽工程的质量问题，为追求施工利润最大化，刻意去欠挖，以致造成二衬厚度不足问题。二衬厚度不足案例测试图如图8所示。

图8 二衬厚度不足

4 结语

地质雷达技术在高速公路的应用越来越广，其特点是快速、无损、连续检测，并以时实成像方式显示地下结构剖面，使探测结果一目了然，分析、判读直观方便，近年来倍受交通行业的追捧。

地质雷达技术在高速公路隧道质量检测中的意义非凡，除无法测试系统锚杆数量及长度外，隧道质量控制（管棚数量、钢筋数量、拱架数量、衬砌厚度、背后空洞、仰拱厚度）、超前地质预报都可以采用地质雷达技术进行测试。国内很多省份都要求使用地质雷达技术协助施工质量控制，及时将施工中存在的质量隐患排除在建设施工过程中，对工程的施工质量控制作用明显。

地质雷达技术也应用在高速公路工程地质勘察、路面厚度、结构混凝土内部缺陷检测中，比如：该文列举的混凝土不密实、路面脱空、结构混凝土内部缺陷等质量问题，都是实际工程中发现的，地质雷达技术俨然成为高速公路施工过程监督、交竣工验收及交通行业质量督查行动中不可或缺的重要手段。尤其是在施工过程中进行督查，对施工队伍的威慑作用极大，有效地提高了施工质量，提升了高速公路隧道施工队伍的质量意识。