地质雷达在上三高速公路护面墙检测中的应用

2012-11-24王桂军张浩军

浙江交通职业技术学院学报 2012年1期

王桂军,张浩军

(浙江沪杭甬高速公路绍兴管理处,浙江绍兴 312071)

0 引言

上三高速公路建于1997年,于2000年12月建成通车。K224+720～K225+020山体防护类型是护面墙,其中最上面级为裸坡,该山体的地质状况为局部覆盖残坡积含碎石亚粘土,基岩为全风化片麻岩,地貌为低丘陵。该路段为低山丘陵地貌,植被发育较好,局部基岩因人工开挖或表层坍塌而裸露。坡体由粉砂岩组成,切向坡。粉砂岩为褐红色,砂砾,层状构造,节理裂隙较发育。上覆第四系残坡积碎石土,为灰黄色,主要由碎石和粘土组成,碎石成份主要为砂岩,结构松散。

整个边坡高36 m,分四级开挖支护,坡率分别为 1∶0.75/1∶0.75/1∶1/1∶1, 坡高分别为 8 m/10 m/10 m/8 m,各级碎落台宽2m(见图1)。第一级至第三级采用浆砌护面墙防护,第四级为裸坡植草,坡顶设置截水沟和隔离栅。隔离栅以上为裸坡,植被覆盖较好。

图1 边坡代表性断面图

1 地质雷达检测的优点

高速公路护面墙属于隐蔽工程。由于受施工或地质条件的限制,护面墙的厚度施工离散性较大,墙体疏松、回填土密实度不够、富水等质量问题威胁着边坡工程的安全,其质量安全检测手段却相对滞后。长期以来,隐蔽工程质量检测与评价方法仍沿用着传统开挖检查的常规技术。

传统的护面墙检测方法多采用开孔或开槽取样验证。这种方法仅为 “一点之见”,代表性差,而且破坏了墙体的整体性。现利用地质雷达检测护面墙厚度变化情况,利用弹性波法检测墙体是否空洞,检测快速、简便、无损,并且实践证明能满足工程质量检测的实际要求。

使用地质雷达对高速公路护面墙进行探测,目前还主要集中在结构层厚度的划分和病害区域定性的解释上,检测效果取决于判读技术人员的经验。因此,获得雷达的典型病害图形就显得尤为重要。通过对护面墙的不同病害的典型雷达图进行分析比较,将复杂病害情况进行分类,从而获得护面墙缺陷的判读指标。

2 检测的必要性

上三高速K224+720～K225+020山体第二级碎落台2003年曾发生过空洞,空洞面积约为4 m2,深度约2 m,后对该处空洞用片石砂浆砌筑进行简单回填,并重新浇筑空洞处碎落台。2007年在日常巡查中发现该山体第二级碎落台又存在空洞,在对该碎落台混凝土开孔后发现,该处空洞面积约6 m2,深度在3 m左右,后对空洞位置进行碎石回填、灌浆,重做第二级碎落台,并在第二级坡面上增设PVC排水管等措施。自2008年以来,每逢雨量较大时,该山体第二级坡面有泥沙从泄水孔带出,通过对护面墙及碎落台的跟踪检查,未发现空洞、变形。

由于管理单位局限于当前的监测设备及技术手段,无法作深入检测,目前对该路段的跟踪检查中未发现有空洞、护面墙鼓肚、变形等病害,但为确保高速公路的安全稳定,给过往司乘人员良好的通行环境,管理单位委托专业地探单位通过地质雷达对该处边坡进行特殊检查。

本次运用地质雷达 (见图2)检测一级、二级、三级上边坡护面墙和二级、三级、四级碎落台内部是否存在不密实、空洞现象,探明护面墙后空洞的分布区域。边坡面按三门往上虞方向的顺序各级护面墙的起点为记录起点,一级上边坡护面墙和碎落台约为643 m;二级上边坡护面墙和碎落台约为488 m;三级上边坡护面墙和碎落台约为427 m;合计约1558.5,具体测线布置见图3。

图2 地质雷达

图3 具体测线布置

3 地质雷达工作原理

地质雷达测试技术是一种非破坏性的测试技术。它具有抗干扰能力强、工作条件宽松、工作方法快速简捷、较高的探测精度和分辨率等优点。地质雷达是用高频电磁波 (500兆赫或800兆赫)以宽频短脉冲形式,由边坡通过天线中的发射装置(T)送入地下土层。遇到不同界面时,部分电磁波发生反射现象返回,为天线中的另一接受装置(R)所接收 (见图4)。

雷达扫描记录以连续扫描图形和波形记录显示,遇异常可直观反映出异常体的深度、形态和范围。雷达图形常以脉冲反射波的波形形式记录,波形的正负峰分别以黑白表示,或以灰阶或彩色表示,这样同相轴或等灰度、等色线即可形象地象征各反射界面,图5是雷达记录示意图。

就本次雷达检测而言,空气、浆砌块石层、垫层以及扰动区、脱空区的介电常数以及电磁波在其介质中的传播速度都存在一定的差异,具有利用该方法检测的地球物理前提。

图4 反射探测原理图

图5 雷达波形记录示意图

4 工作方法技术

4.1 地质雷达仪器及参数设置 ‘

本次检测工作采用瑞典地质雷达 (RAMAC/GPR),为了在保证探测深度的情况下尽量提高探测精度,采用500MHz和800MHz收发同置天线配合地质雷达仪器进行检测。

500MHz选取采样长度为70 ns,采样率512,扫描率64次/秒;800 MHz选取采样长度为48 ns,采样率1 024,扫描率60次/秒。天线沿测线紧贴边坡以连续扫描方式进行野外实测,对有怀疑地段进行复测,以确保资料完整可靠。

4.2 地质雷达室内资料处理

应用专门处理软件对原始采集数据进行重复测量的平均处理,抑制随机噪声;邻近道不同的多次测量平均,以压低非目的体杂乱回波,改善背景;自动时变增益或抑制增益以补偿介质吸收和抑制噪声;用偏移处理消除在数据采集过程中引起畸变的二维成像;用反褶积处理消除天线的瞬态和多次反射,提高数据的垂向分辨能力。

4.3 地质雷达原始资料质量保证

为确保检测质量,保证成果的精确性,采取了下述质量措施。

(1)野外工作仪器的检查和使用,野外工作方法布置及技术措施,室内资料处理和解释等各个环节,都认真参考各相应技术规范。

(2)室内资料由专人负责处理,数据处理采取分段进行滤波,充分突出信噪比,确保滤波后信号不失真,进行道平均和控制增益,时变增益、压缩子波提高垂向分辨率。

5 成果解释

本次检测在各级上边坡护面墙每隔10 m布置了一条地质雷达横测线,若墙后存在脱空区域,测线则加密至5 m;在每级碎落台中线布置一条纵测线。经对检测资料进行分析处理后,检测结果如下:

5.1 一级上边坡护面墙

地质雷达检测脱空或不密实位置如表1:

表1 一级上边坡护面墙缺陷情况

编号一级上边坡护面墙缺陷位置深度宽度面积5 测线里程185m 从一级碎落台向上3～5m 15cm～30cm 10m 20m2从一级碎落台向上3～4m 20cm～35cm 3m 3m2 6 测线里程195m2从一级碎落台向上5～7m 20cm～30cm 10m 20m从一级碎落台向上2.7m左右 20cm～30cm 3m 3m2从一级碎落台向上3～4m 20cm～30cm 7m 7m2 7 测线里程205m2从一级碎落台向上5～6m 20cm～30cm 8m 8m从一级碎落台向上7～8m 20cm～30cm 3m 3m2从一级碎落台向上2～3m 20cm～30cm 2m 2m2 8 测线里程225m从一级碎落台向上4～6.5m 20cm～30cm 10m 25m2从一级碎落台向上7～8m 20cm～30cm 3m 3m2从一级碎落台向上3～4m 10cm～25cm 6m 6m2 9 测线里程245m2从一级碎落台向上6～7m 10cm～30cm 8m 8m从一级碎落台向上1～2m 9cm～30cm 6m 6m2 10 测线里程255m从一级碎落台向上3m 8cm～15cm 5m 5m22从一级碎落台向上8～9m 9cm～30cm 10m 10m

表1中测线里程的起点为上边坡护面墙面向上三高速往杭州方向的边角。

二级碎落台上未发现有不密实或脱空等不良地质现象。

一级上边坡护面墙实测地质雷达波形图如图6、图7。

图6 一级上边坡护面墙45 m处

图7 一级上边坡护面墙65 m处

5.2 二级上边坡护面墙

地质雷达检测脱空或不密实位置如表2:

表2 二级上边坡护面墙缺陷情况

表2中测线里程的起点为上边坡护面墙面向上三高速往杭州方向的边角。

三级碎落台上不密实或脱空等不良地质现象的位置有里程6～8 m处,深度约30 cm～1.8 m范围整体表现为不密实;里程33～36 m和50 m附近整体表现为含水量高,里程135～140 m处,深度约30 cm～1.8 m之间范围整体表现为不密实;里程185 m附近,深度40 cm～1.2 m之间范围整体表现为不密实。

二级上边坡护面墙实测地质雷达波形图如图8、图9。