基于地質(zhì)雷達(dá)的路基病害探測(cè)技術(shù)與工程處治探討

■陳銀山

（漳州市路達(dá)工程設(shè)計(jì)有限公司，漳州 363000）

地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)技術(shù)指的是：向探測(cè)對(duì)象發(fā)射某一特定頻率的電磁波束，電磁波發(fā)生反射、散射，過(guò)程所攜帶的電磁參數(shù)發(fā)生改變，通過(guò)接收、判別反射回來(lái)的電磁波信號(hào)特征，判別探測(cè)對(duì)象存在異常或分層情況[1]。 若將其應(yīng)用到公路檢測(cè)，則可以根據(jù)電磁波參數(shù)的變化情況，探測(cè)出公路各結(jié)構(gòu)層分層情況，以及是否存在疏松、不密實(shí)、空洞等病害，結(jié)合工程周邊地形、地貌、水文特征，分析病害成因，進(jìn)而提出針對(duì)性的病害處治方案。 相比傳統(tǒng)探坑、挖槽等檢測(cè)方法，地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)技術(shù)具有不介入被測(cè)物體、連續(xù)探測(cè)、高效、結(jié)果準(zhǔn)確度高、現(xiàn)場(chǎng)操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)。

本研究依托福詔高速沈海復(fù)線漳州段工程，對(duì)K38+860～+920 路基沉陷處進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)，分析該段路基狀況及病害原因，提出道路改造和整修設(shè)計(jì)方案并處治，消除了行車安全隱患。

1 工程概況

漳州沈海復(fù)線高速公路線路總長(zhǎng)107 km，路基寬度26 m， 雙向四車道， 全線設(shè)計(jì)速度100 km/h，2013 年12 月30 日建成通車。

2016 年6 月，發(fā)現(xiàn)K38+860～+920 處存在路基沉降、路面沉陷病害，涵洞兩側(cè)出現(xiàn)沉陷、錯(cuò)臺(tái)，側(cè)壁漏水，八字墻錯(cuò)縫，路肩及坡腳擋墻開(kāi)裂等情況（圖1）。 其中B 道靠近山坡，此前已進(jìn)行過(guò)路面局部修復(fù)，A 道遠(yuǎn)離坡腳，填方較多，出現(xiàn)較大范圍的不均勻沉陷，給行車舒適性和安全性帶來(lái)了嚴(yán)重的危害。

圖1 路基沉陷病害情況

為了解該段路基狀況及病害原因， 為下一步的道路修復(fù)和整修設(shè)計(jì)提供第一手的基礎(chǔ)資料，2016年7 月12 日對(duì)該路段進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)。

2 地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)

2.1 工作原理

探地雷達(dá)工作時(shí)，主機(jī)和天線連接好，天線緊貼路面，由工作人員拖著，勻速向前移動(dòng)，天線向路面以下地層發(fā)射特定頻率的電磁波， 并接收地層反射回來(lái)的電磁波信號(hào)。使用專門的數(shù)據(jù)采集、分析軟件，對(duì)反射回來(lái)的電磁波信號(hào)進(jìn)行濾波、轉(zhuǎn)換等處理后，可以判別地層分層和存在的異常情況（圖2）。

圖2 地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)工作原理示意圖

地層異常體的性質(zhì)可以通過(guò)反射波的頻率、振幅及其變化趨勢(shì)來(lái)判斷[2]。 同時(shí)，根據(jù)反射時(shí)間和電磁波速可以推算其存在的位置及其空間大小。 就路基路面探測(cè)而言，若各結(jié)構(gòu)層結(jié)合緊密，反射回來(lái)的電磁波信號(hào)形狀規(guī)則、有序、不雜亂，且路基路面分層清晰；由此推斷，若信號(hào)雜亂、錯(cuò)斷，路基就可能存在脫空、不密實(shí)，再結(jié)合波速、介電參數(shù)變化情況、反射時(shí)間推算脫空位置及其大小。

與道路相關(guān)的介質(zhì)的電磁參數(shù)見(jiàn)表1。 當(dāng)?shù)缆方Y(jié)構(gòu)層下結(jié)構(gòu)具有疏松、松散、裂隙、空隙等異常情況時(shí)，則電磁波經(jīng)過(guò)時(shí)，參數(shù)會(huì)發(fā)生顯著改變。 通過(guò)分析電磁波參數(shù)的變化可以推測(cè)結(jié)構(gòu)層存在的異常體。

表1 電磁波在部分常見(jiàn)介質(zhì)中的傳播參數(shù)

2.2 儀器設(shè)備

此次探測(cè)采用美國(guó)GSSI 公司生產(chǎn)的SIR-30E地質(zhì)雷達(dá)系統(tǒng)，包括SIR-30E 主機(jī)、電纜、單體屏蔽天線、電源，以及專業(yè)處理軟件RADAN（圖3）。 采用自動(dòng)觸發(fā)方式進(jìn)行連續(xù)測(cè)量。

圖3 地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)

單體屏蔽天線包括100 MHz 天線和400 MHz天線。 天線頻率與探測(cè)深度呈反比，對(duì)淺層路面，采用400 MHz 天線，探測(cè)深度約50～60 cm；對(duì)深層水穩(wěn)層、路基，則需低頻天線，本次采用100 MHz 天線，探測(cè)深度能達(dá)到10 m 以上。

2.3 測(cè)線布置

根據(jù)工程實(shí)際情況，每車道布置1 條測(cè)線，共8 條（圖4）。每條測(cè)線跨過(guò)病害區(qū)域并雙向各延伸20～30 m，總測(cè)線長(zhǎng)度510 m。

圖4 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)線布置圖

3 探測(cè)結(jié)果處理與分析

3.1 探測(cè)結(jié)果

采用專業(yè)處理軟件RADAN， 對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，包括增益調(diào)整、濾波成圖等，最終得到各測(cè)線的成果圖（圖5）。

圖5 地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)結(jié)果

3.2 結(jié)果分析

檢測(cè)結(jié)果表明，檢測(cè)段落病害較多；主要病害是B 道應(yīng)急車道K38+890 ～+895 路面下方0.5～1.5 m 位置不均勻沉降， 延伸到A 道匝道K38+880～+902 路面下方1.5～2.5 m 位置不均勻沉降， 推斷是樁號(hào)K38+880～+902 路面下方2 m多從B 道應(yīng)急車道到A 道匝道位置下方8 m 多有較大脫空現(xiàn)象，同時(shí)引起周圍段落不同程度路基層松散、疏松甚至脫空。 地質(zhì)雷達(dá)具體解釋成果見(jiàn)表2。

表2 地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)解釋結(jié)果

4 路基病害原因分析及對(duì)策

查閱資料和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查后得知該路段原地面表層為棄石場(chǎng)，并且在勘察時(shí)發(fā)現(xiàn)地表水流在山凹處下滲，流經(jīng)路基，從底部排出。 地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)報(bào)告表明該段落路基中存在較多較大的疏松、 脫空區(qū)域。產(chǎn)生脫空現(xiàn)象的主要原因是該段落原地形地處洼地，易匯集水量，同時(shí)施工時(shí)未處理好排水引水問(wèn)題，從而引起地下水沖刷侵蝕路基層，形成路基層疏松甚至脫空，造成路面開(kāi)裂、斷裂，甚至塌陷下沉，從而路面跟著下沉。

綜上， 漳州沈海復(fù)線高速公路K38+860～+920由于填土空隙率大， 地表水下滲形成地下水通道，經(jīng)長(zhǎng)期侵蝕、掏空，將填料細(xì)顆粒沖走，路基填土層出現(xiàn)較大范圍的疏松層和局部脫空， 導(dǎo)致路基變形、路面下沉等病害。 因此，病害段處治首先需設(shè)置截水溝，截?cái)嗟乇硭苊鈴搅骼^續(xù)下滲惡化路基，然后采用高壓旋噴樁加固路堤進(jìn)行。

5 路基病害處治與效果

5.1 準(zhǔn)備工作

（1）設(shè)置截水溝，將地表水引入涵洞排出，避免大量地表水下滲帶走路基中的細(xì)顆粒及軟化路基。

（2）采用土體反壓路堤坡腳，保證路基處于穩(wěn)定狀態(tài)。

5.2 工程處治方案

采用雙重管法旋噴樁工法，工藝流程為：依據(jù)設(shè)計(jì)圖，測(cè)量定出樁孔位；開(kāi)啟鉆機(jī)，確保鉆桿與樁位處于同一位置后在路面結(jié)構(gòu)層上進(jìn)行鉆孔；然后，引孔鉆至路床地面；再把旋噴管插入到路基預(yù)先設(shè)計(jì)好的深度進(jìn)行試噴， 試噴正常后升起旋噴管，噴頭可在自轉(zhuǎn)的同時(shí)高壓噴出漿液，在壓力的作用下使之和軟弱土體摻和， 并最終凝固膠結(jié)土體，提高承載力[3]。

根據(jù)沉陷情況及地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)結(jié)果， 選擇對(duì)K38+860～K38+920 路段進(jìn)行處理， 具體方案如下：（1）采用高壓旋噴樁對(duì)BK38+860～+895.6 路段進(jìn)行路面引孔，然后進(jìn)行注漿加固路基，最后設(shè)置連續(xù)配筋混凝土板，重新鋪設(shè)上層路面結(jié)構(gòu)。 高壓旋噴樁采用樁徑0.5 m，間距1.5 m，長(zhǎng)度5～14 m，引孔深度0.8 m。 （2）采用高壓旋噴樁對(duì)AK38+895.6～+920 路段進(jìn)行路面引孔，然后進(jìn)行注漿加固路基，最后設(shè)置連續(xù)配筋混凝土板， 重新鋪設(shè)上層路面結(jié)構(gòu)。 高壓旋噴樁采用樁徑0.5 m，間距1.8 m，長(zhǎng)度5～14 m，引孔深度0.8 m。 （3）旋噴樁長(zhǎng)度設(shè)置依據(jù)為“穿透疏松、脫空區(qū)域1 m 以上且深入原地面以下2 m 以上”。

5.3 旋噴樁施工要求及質(zhì)量控制

5.3.1 施工材料

水泥采用P.O 42.5 普通硅酸鹽水泥，加入水泥用量3%的陶土、0.9%的堿，消除離析。 為了防止堵塞管路和噴嘴，漿液需在旋噴前1 h 以內(nèi)進(jìn)行配制，使用時(shí)需要過(guò)濾掉砂石等雜物。

5.3.2 施工工藝及質(zhì)量控制

（1）采用雙重管高壓噴射注漿工藝。 （2）旋噴樁現(xiàn)場(chǎng)定位誤差≤50 mm，如果樁位與擋墻相沖突，可以在一定范圍內(nèi)調(diào)整樁位。對(duì)鉆孔要求為：傾斜度≤0.5%，深度誤差≤10 cm。 （3）施工時(shí)應(yīng)實(shí)時(shí)觀察記錄現(xiàn)場(chǎng)的情況， 若是觀察到地層和設(shè)計(jì)參數(shù)有明顯差異， 應(yīng)及時(shí)對(duì)旋噴樁的長(zhǎng)度進(jìn)行修改。（4）雙重管旋噴樁的施工參數(shù)如下：漿液主要材料為42.5 級(jí)普通硅酸鹽水泥， 水泥的摻入量≥200 kg/m，水灰比0.8～1.0，漿液比重1.5～1.6，返漿比重1.2～1.3；旋噴樁的直徑為50 cm，高壓漿射流的壓力宜大于25 MPa，提升速度6～12 cm/min，旋轉(zhuǎn)速度20 r·min-1。 （5）要求水泥土固結(jié)體的28 d 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度大于2.0 MPa。

5.4 工程處治效果

K38+880～+920 路段采用雙重管法旋噴樁工法對(duì)路堤進(jìn)行加固處治，于2017 年2 月竣工，歷時(shí)半個(gè)月。經(jīng)過(guò)4 年多運(yùn)營(yíng)，2021 年6 月現(xiàn)場(chǎng)勘查，處治段路面平整，標(biāo)線清晰，路基完好，如圖6 所示，表明處治效果良好。

圖6 病害處治4 年后的K38+880～+920 路段

6 結(jié)論

（1）漳州沈海復(fù)線高速公路K38+860～+920 存在路面、路基沉陷病害，嚴(yán)重影響行車安全。 地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)結(jié)果表明，K38+880～+902 路基存在較多的不密實(shí)，甚至脫空。

（2）造成路基脫空病害的主要原因是原地形地處低洼、易匯集水量，且施工時(shí)未做好引排水措施，導(dǎo)致地下水沖刷、侵蝕、掏空路基細(xì)顆粒，且軟化路基下部土體。

（3）針對(duì)病害成因，首先引排、階段地面水下滲，然后采用高壓旋噴樁加固路基，消除疏松脫空部位，使得路基層重新處于密實(shí)狀態(tài)，恢復(fù)路基承載力。 該段路基經(jīng)過(guò)4 年多運(yùn)營(yíng)，效果良好。