地质雷达探测技术在陡坡桩坑临崖侧地质勘察中的应用

■林友炜

（福建省交通规划设计院有限公司，福州 350004）

钻探是一种常规且重要的勘察技术，其具有勘察效率高、精准度高及勘察深度深等优点，目前常应用于桥梁桩基的地质勘探中[1]。 山区公路桥梁建设受地形条件制约，桥墩桩基常布设于陡坡悬崖地段，该地段的桩基地质勘察往往采用挖孔结合地质人员经验来判断桩基临崖侧地质，由于地质的隐蔽性和不均匀性，采用经验判断等勘察手段存在较大误差，而人工钻孔仅能勘探竖向地层情况，无法勘探横向地质，存在一定局限性。 为此，将地质雷达探测技术应用于桩坑临崖侧地质和孔底岩层的测量中将具有重要意义。

地质雷达探测由于雷达设备轻便灵活、分辨率高、探测快速、结果相对准确直观、探测成本低等优点，使其在公路工程建设领域得到广泛应用[2]。 其中，王立乾[3]通过工程实例验证地质雷达技术是公路路基质量检测最为理想的方法。 黄真萍等[4]开展了地质雷达探测技术对地铁沿线未知涵洞探查的研究。 王振宇等[5]结合深埋长大隧道工程，提出并实践基于掌子面编录和地质雷达的综合超前预报技术。 廖秀宇等[6]、胡从骄等[7]、武科等[8]采用地质雷达技术分别对桩基孔底地质及溶洞进行探测。

地质雷达探测技术在公路路基质量检测、涵洞探查及隧道施工的超前地质预报中已经大量应用，在桥梁桩基孔底地质及溶洞的探测也有部分应用，但是在陡边坡桩坑孔壁地质及孔底的探测方面还未开展。 为此，本研究以福州绕城高速某桥梁挖孔桩基临崖侧孔壁和孔底岩层的地质勘察实践为例，探讨地质雷达探测技术在桩坑临崖侧孔壁勘察中的适用性。 证实在成桩条件下，合理运用地质雷达探测技术，可更为快速准确判别陡坡基坑侧壁和桩底岩体的厚度和土层分布情况，为桩基的设计和安全施工提供科学依据。

1 工程背景

本研究以福州绕城高速某桥梁为背景，拟建桥梁位于连江县东湖镇飞石村，横跨连江县雨峰生态农业园下游一大冲沟。 大桥左幅中心桩号K42+290.5，桥孔为（40+50+40）m 预应力砼连续T 梁，桥长141.0 m；右幅中心桩号K42+280，桥孔为2×40 m预应力砼连续T 梁，桥长88.0 m，见图1。

图1 桥位平面图

桥址区属丘陵坡地间冲沟地貌， 地形起伏大，桥梁跨越冲沟，宽度10～20 m，有一山涧发育，冲沟横断面坡度陡峭，沟底基岩裸露；山坡植被发育，两侧桥台自然山坡稳定，经地质测绘并结合区域地质，该桥址区未见发育断层带。 该桥左桥1 号桥墩布设在陡坡悬崖地段，见图2。

图2 左桥1 号桥墩处地形地貌

2 陡坡悬崖常规地质勘察

通过在桥墩桩位处布设单点勘探孔，根据钻探孔取出的土层样本，分析钻孔处的地层厚度，并结合岩土工程人员的经验来推断桩位处的地层面分布情况。 根据现场钻探及经验判断，勘察单位提供了桥墩处横断面地质图（图3）。由图3 可知，在钻孔深度范围内共有四层覆盖层，分别为坡积含砾亚粘土、碎块状强分化花岗岩、弱分化花岗岩、微分化花岗岩。

图3 左桥1 号桥墩横断面地质剖面图

3 陡坡悬崖地质雷达探测

本项目桥址处的地表植被清理后，发现地形情况与原设计有出入，受常规勘察工具的限制，确定在人工挖基坑过程中采用地质雷达检测技术对岩壁进行辅助测量，以确保设计的桩基安全。

3.1 地质雷达探测原理与技术参数

地质雷达探测技术是根据地下介质的电性差异，利用电磁脉冲波的反射来探测地下介质分布形态与特征的一种方法。 通过发射天线向被测介质发送高频脉冲电磁波，当其遇到不均匀体（界面）时会反射一部分电磁波，雷达主机通过对此部分的反射波进行实时接收和处理，得到二维雷达图像，通过配套程序解析上述图像以获取地下介质的结构状况，达到识别目标介质的目的[9]。

现场检测与数据采集可采用加拿大探头与软件公司生产的pulseEKKO PRO 专业型最新一代探地雷达系统。 该系统配备有专门应用于人工挖孔桩桩底地质情况探查的30 m 长光纤信号传输线，在介质中有效探测距离（深度）达20 m 以上。 当人工挖孔接近原设计初定桩底标高后即可安排孔壁孔底雷达探测。 挖孔桩孔壁探测时采用中心频率为100 Mhz 的天线，侧壁采用垂直剖面探测法，桩底采用环形剖面法进行探测。 数据采集时间窗为500 ns，天线偏移距为1 m。 反射波采集后用该公司的配套处理软件进行数据后处理。

3.2 挖孔桩位地质调绘

为能准确评估挖孔桩侧壁的厚度及岩体分布情况，在采用地质雷达探测前，通过已开挖的桩孔坑位进行地质调绘（图4）。

图4 桩基坑壁岩体影像

从已清理的坡面和人工开挖的孔坑可以观测到，桩位处横向地势较陡，基坑基岩埋深浅，桩底侧壁岩性主要为浅肉红色、 青灰色夹灰白色的弱～微风化燕山晚期花岗岩（γ53），岩质坚硬，岩体较完整，呈块状、厚层状结构。 据统计，岩体完整性指数Kv为0.67～0.74；节理裂隙较发育，岩体体积节理数Jv为3.4～5.8。根据该桩位岩性特征和相关资料取用外侧壁岩石介质的平均雷达波速度为0.1 m/ns。

3.3 桩基外侧壁与桩底地质雷达探测分析

由图5 可知，外侧壁悬崖表面界限在雷达记录上显示清晰，产状较陡。 地质雷达记录显示外侧壁岩体内回波能量较弱，反映该桩位外侧壁岩体结构较完整，但在外侧壁岩体内有一条产状较陡，朝桩坑方向倾斜的裂隙带存在，借助专业的雷达数据后处理软件，可得桩坑外侧壁地层的分布及厚度情况（图6）。由图6 可知，该桩孔外侧壁岩体从内往外可分为微～弱风化带、强风化带、第四系与全风化带，其中挖孔爆破时对孔壁岩体的破损影响范围约2 m， 而这个影响厚度用人工检测或常规的勘察方式均无法反应，也常被设计人员所忽略。 由图6 还可知，距孔顶5 m 处，孔壁临崖侧厚度为4.58 m；距孔顶10 m 处， 孔壁临崖侧厚度为6.79 m； 距孔顶15 m 处， 孔壁临崖侧厚度为8.81 m； 距孔顶20 m处，孔壁临崖侧厚度为10.68 m；孔底处，孔壁临崖侧厚度为11.52 m。

图6 左桥1 号桥墩处桩孔外侧壁岩体厚度及结构

由图7 可知，波形反映了桥墩桩基底部在桩底以下0～12 m 范围岩石介质中有一组近于水平的节理发育，但岩体结构较完整；桩底12 m 以下范围岩石结构完整。

图7 左桥1 号桥墩处桩底地质雷达探测记录

通过使用地质雷达探测技术可知， 在陡坡路段，特别是带有陡崖地形的桥址处，受岩土勘察成本的制约，勘察单位一般很难能做到通过布设足量的钻探取样以真实揭示山坡岩体的土层分布，人工测量也因勘察设备和野外环境的制约导致测量不准确。 为确保桥梁基础的牢固稳定安全，设计者非常需要在桩基成孔过程中对桩基岩壁特别是临崖侧的厚度和地质情况的再确认，而地质雷达探测技术为实现上述目的提供了很好的途径。

4 结语

通过研究地质雷达探测技术在陡坡桩坑临崖侧地质测量中的应用，主要结论如下：（1）实践证明挖孔成桩工艺下的陡坡桥梁桩基，当初期地勘资料不够完善或与现场地质有较大出入的，在桩基施工浇筑砼前， 可通过合理运用地质雷达探测手段，探明地质情况，避免因原地勘或测量资料的不准确导致盲目设计与施工；（2）挖孔桩基施工时，将对桩孔附近岩体产生约2 m 的爆破影响带，在设计施工时应该加强考虑挖孔施工对孔周岩体破坏的影响；（3）虽然探讨了地质雷达探测技术在桩孔临崖侧地质勘察中的应用，但是在挖孔桩施工时对孔壁产生的爆破影响范围还需要进一步研究。