地質(zhì)雷達(dá)物探技術(shù)在高速公路中應(yīng)用

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交通行業(yè)對(duì)地質(zhì)雷達(dá)測(cè)試高速公路質(zhì)量認(rèn)可度較高，其常用于隧道質(zhì)量控制（管棚數(shù)量、鋼筋數(shù)量、拱架數(shù)量、襯砌厚度、背后空洞、仰拱厚度）、橋梁鋼筋數(shù)量及混凝土裂縫、路面厚度等，并且在交工驗(yàn)收和超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中也經(jīng)常使用，地質(zhì)雷達(dá)物探技術(shù)屬于無(wú)損檢測(cè)技術(shù)范疇，其在施工質(zhì)量過程控制、日常或?qū)ｍ?xiàng)質(zhì)量督查中發(fā)揮重要作用，使質(zhì)量缺陷、質(zhì)量問題及違規(guī)行為無(wú)所遁形，是現(xiàn)階段高速公路建設(shè)中極其重要的檢測(cè)手段，行業(yè)內(nèi)已經(jīng)有不少建設(shè)單位將地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)隧道質(zhì)量直接納入第三方中試檢測(cè)工作內(nèi)容，同時(shí)作為隨時(shí)開展督查的利器。

1地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展

我國(guó)從20世紀(jì)80年代中期開始進(jìn)行探地雷達(dá)技術(shù)的研究和試驗(yàn)，最初用于軍事地雷的探測(cè)。經(jīng)過十幾年的研制攻關(guān)，在雷達(dá)硬件設(shè)備、信號(hào)處理、目標(biāo)成像等方面取得重大進(jìn)展和突破[1]。特別是最近10年，通過大批引進(jìn)國(guó)外技術(shù)同時(shí)進(jìn)行國(guó)內(nèi)改造孵化，我國(guó)的地質(zhì)雷達(dá)的分辨率和清晰度及三維層析成像技術(shù)都達(dá)到世界領(lǐng)先水準(zhǔn)，設(shè)備使用率及普及率大幅提升。地球物理高新技術(shù)方法是經(jīng)過十余年而發(fā)展起來的，地質(zhì)雷達(dá)以其分辨率高、定位準(zhǔn)確、無(wú)損快捷、方便經(jīng)濟(jì)、實(shí)用性強(qiáng)。現(xiàn)已成功地應(yīng)用于工程質(zhì)量檢測(cè)、文物考古探測(cè)、水文地質(zhì)調(diào)查、地質(zhì)勘察、生態(tài)環(huán)境檢測(cè)、礦產(chǎn)資源調(diào)查、城市地下管網(wǎng)普查等眾多領(lǐng)域，在工程質(zhì)量檢測(cè)及物探領(lǐng)域應(yīng)用不斷被拓寬深耕，得到廣大工程建設(shè)者的認(rèn)可，交通運(yùn)輸部、水利部、住建部等多部委均在不同規(guī)范中引入該測(cè)試方法用于質(zhì)量控制[2-4]。

2地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)在高速公路上的應(yīng)用

近年來，在高速公路建設(shè)中的應(yīng)用已經(jīng)普及，在高速公路工程地質(zhì)勘察、隧道質(zhì)量檢測(cè)、隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、路面厚度以及混凝土內(nèi)部缺陷檢測(cè)中都有廣泛應(yīng)用。由于地質(zhì)雷達(dá)這種無(wú)損檢測(cè)技術(shù)測(cè)試準(zhǔn)確，能有效判斷隱蔽工程中已經(jīng)覆蓋的質(zhì)量問題及缺陷，在全國(guó)交通系統(tǒng)范圍內(nèi)得到極大認(rèn)可，該項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)成為高速公路工程建設(shè)過程中的必要手段。

2.1地質(zhì)勘察

可以施工地質(zhì)雷達(dá)物探技術(shù)調(diào)查覆蓋層和松散體的厚度及分布，巖層風(fēng)化層界面及分布，巖層節(jié)理夾層和斷裂帶，地下水、溶洞、空洞、塌陷區(qū)狀況普查，城市地下洞室、排污巷道、排污管道及地下管線的調(diào)查。地質(zhì)雷達(dá)做物探雖然物探距離不如較其他物探方法，但其準(zhǔn)確性要優(yōu)于其他方法。

2.2隧道質(zhì)量檢測(cè)

檢測(cè)隧道支護(hù)的厚度、混凝土不密實(shí)、雜物、背后空洞、層間脫空及鋼筋和鋼拱架分布和隧道圍巖裂隙、破碎、管路定位，也可以利用地質(zhì)雷達(dá)開展初支超欠挖和隧道仰拱厚度及回填質(zhì)量檢測(cè)。采用地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)初支厚度、二襯厚度、襯砌背后密實(shí)狀況已經(jīng)列入《公路工程質(zhì)量檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)第一冊(cè)土建工程》（JTGF80/1-2017）中，屬于強(qiáng)制性實(shí)施條款，后續(xù)新開工公路項(xiàng)目均必須實(shí)施雷達(dá)掃描檢測(cè)。仰拱回填質(zhì)量檢測(cè)是交通運(yùn)輸部橋隧專項(xiàng)督查必檢項(xiàng)目，也是影響隧道整體質(zhì)量的較大隱患，仰拱厚度不足回填不密實(shí)，會(huì)造成隧道仰拱及二襯開裂、地表下沉及界限受侵等嚴(yán)重危害，極大影響通車后的行車安全，明確的檢測(cè)方法就是地質(zhì)轉(zhuǎn)取芯及地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)。地質(zhì)雷達(dá)用于隧道質(zhì)量檢測(cè)意義深遠(yuǎn)，提高了高速公路工程的質(zhì)量，震懾了施工隊(duì)伍的僥幸心理，使問題無(wú)所遁形[5-6]。

2.3隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)是設(shè)計(jì)地質(zhì)勘察的補(bǔ)充和延伸，是保證隧道施工安全的重壓環(huán)節(jié)和重要技術(shù)手段。在可預(yù)測(cè)隧道開挖掌子面前方50m范圍內(nèi)的斷層、溶洞、裂隙帶、含水帶等地質(zhì)構(gòu)造。超前地質(zhì)預(yù)報(bào)在隧道開挖工作面進(jìn)行測(cè)試，預(yù)測(cè)判斷工作面前一定距離范圍內(nèi)的工程地質(zhì)、水文條件及不良地質(zhì)體的工程性狀、位置、規(guī)模、風(fēng)險(xiǎn)等，并做出預(yù)報(bào)結(jié)論和提出技術(shù)建議。盡最大可能避免或減少因地質(zhì)不明所造成的安全事故或經(jīng)濟(jì)損失。

2.4路面厚度檢測(cè)及結(jié)構(gòu)混凝土內(nèi)部缺陷檢測(cè)

水泥混凝土路面現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)指標(biāo)包括板厚度、抗滑構(gòu)造深度、中線偏位、路面寬度、平整度、橫坡、相鄰板高差、縱斷高程、縱橫縫順直度，還需對(duì)外觀檢定進(jìn)行系統(tǒng)排查，以便于交工驗(yàn)收。板厚度在施工過程中采取直接量測(cè)法或水準(zhǔn)測(cè)量法，在交竣工驗(yàn)收時(shí)采用地質(zhì)雷達(dá)法進(jìn)行。結(jié)構(gòu)混凝土內(nèi)部缺陷檢測(cè)主要是不密實(shí)、背后空洞、有雜物、預(yù)埋構(gòu)件缺失及位置偏移、鋼筋及鋼架數(shù)量不足、較大較深結(jié)構(gòu)性裂縫。

3工程應(yīng)用實(shí)例

3.1隧道初支背后空洞

2019年7月在四川某高速公路質(zhì)量監(jiān)督過程中的檢測(cè)實(shí)例。現(xiàn)場(chǎng)抽檢隧道初期支護(hù)質(zhì)量，現(xiàn)場(chǎng)隨機(jī)抽取一個(gè)段落180m左右，拱頂部位出現(xiàn)大面積的空洞10條，共計(jì)長(zhǎng)度達(dá)16.6m，從地質(zhì)雷達(dá)圖像可以清楚看出隧道初支缺陷的位置、大小、分布，便于業(yè)主鑒定工程質(zhì)量狀況和及時(shí)采取補(bǔ)救整改措施，同時(shí)警示施工隊(duì)伍及施工質(zhì)量管控人員。探地雷達(dá)測(cè)線布置示意圖見圖1，隧道進(jìn)口段初期支護(hù)質(zhì)量檢測(cè)結(jié)果見表1，隧道進(jìn)口拱頂初期支護(hù)見圖2。

3.2混凝土不密實(shí)

湖北某高速公路隧道交工驗(yàn)收測(cè)試，采用的是500MHz屏蔽天線，對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析整理比對(duì)，從雷達(dá)圖像上可以清楚地看到二襯混凝土中存在多處不密實(shí)區(qū)域，圖3中5m長(zhǎng)的混凝土出現(xiàn)3處不密實(shí)，4圖中5m長(zhǎng)的測(cè)試長(zhǎng)度中大部分均不密實(shí)，測(cè)試時(shí)該隧道噴涂完防火涂料，在外觀上已經(jīng)看不出缺陷，但在地質(zhì)雷達(dá)的測(cè)試下無(wú)所遁形。不密實(shí)現(xiàn)象常出現(xiàn)于仰拱回填區(qū)、邊墻超挖回填區(qū)，拱頂拱腰較少出現(xiàn)，在鋼筋較密部位也會(huì)出現(xiàn)混凝土不密實(shí)。調(diào)查其形成原因?yàn)榛炷梁鸵仔圆患?，振搗不到位造成。

3.3路面基礎(chǔ)脫空

2021年河南鄭州發(fā)生特大水災(zāi)，因鄭州地區(qū)表層土層大多為濕陷性黃土，濕陷性黃土雨水后很出現(xiàn)大規(guī)模濕陷、路基沉陷，影響高速公路的本質(zhì)安全，水災(zāi)過后河南省交通運(yùn)輸廳組織對(duì)鄭州境內(nèi)所有被淹高速公路及地方道路進(jìn)行病害普查，主要針對(duì)路基基礎(chǔ)沉陷造成的脫空，所測(cè)試的3條高速均不同程度出現(xiàn)大規(guī)?；A(chǔ)脫空，數(shù)據(jù)完成上報(bào)后，地方政府根據(jù)地質(zhì)雷達(dá)測(cè)試的精準(zhǔn)數(shù)據(jù)，迅速確定施工補(bǔ)救方案，組織設(shè)計(jì)及施工開展施工，保障了高速公路的本質(zhì)安全，挽回不可估量的經(jīng)濟(jì)損失。對(duì)選取兩段大規(guī)模脫空的地質(zhì)雷達(dá)測(cè)試圖如圖5所示。

3.4圍巖等級(jí)變化

圖6為圍巖等級(jí)變化的實(shí)例，在福建龍巖某高速公路進(jìn)行質(zhì)量監(jiān)督檢查，采用瑞典RAMAC/GPR探底雷達(dá)800MHz屏蔽天線進(jìn)行的隧道襯砌檢測(cè)，設(shè)計(jì)隧道洞口段為淺埋破碎Ⅳ類圍巖，進(jìn)洞174m后為Ⅲ類圍巖，圍巖不同對(duì)應(yīng)二襯的設(shè)計(jì)也不同，洞口段設(shè)有鋼筋，Ⅲ類圍巖是素混凝土。從雷達(dá)測(cè)試圖上可以看出在進(jìn)洞174m處圖像有明顯變化，可以清晰地看出鋼筋至布置到進(jìn)洞174m處，可以看出本段隧道的超欠挖狀況，可以清楚地看到隧道洞口段的淺埋破碎Ⅳ類圍巖和Ⅲ類圍巖區(qū)域分布。

3.5仰拱厚度

在山東某高速公路例行監(jiān)督抽查過程中發(fā)現(xiàn)，該隧道仰拱厚度不足，仰拱厚度僅為設(shè)計(jì)厚度的1/2，仰拱與仰拱回填分別澆筑，在兩層混凝土交界面處會(huì)出現(xiàn)一波反射信號(hào)，測(cè)試過程中可以清晰地判斷出巖層與仰拱、仰拱與仰拱回填的界限、仰拱底部存在一定厚度的沉渣。后經(jīng)取芯驗(yàn)證，證實(shí)該部位仰拱厚度不足，仰拱底部存在較厚洞渣料，項(xiàng)目建設(shè)方責(zé)令全線復(fù)查停工整改[7]。仰拱地質(zhì)雷達(dá)結(jié)果見圖7。

3.6橋梁結(jié)構(gòu)混凝土缺陷

對(duì)湖北省某高速公路在施工建設(shè)期進(jìn)行第三方監(jiān)督巡檢時(shí)，發(fā)現(xiàn)空心薄壁墩主筋數(shù)量與圖紙不符，立即上報(bào)公司及項(xiàng)目業(yè)主單位。起初采用鋼筋位置測(cè)定儀進(jìn)行檢測(cè)，由于空心薄壁墩鋼筋層次多有密集，鋼筋位置測(cè)定儀無(wú)法有效測(cè)定鋼筋數(shù)量及位置。質(zhì)監(jiān)局調(diào)集地質(zhì)雷達(dá)從上到下，每一模進(jìn)行一次地質(zhì)雷達(dá)測(cè)試，最終確定共計(jì)12模中最上邊11模、12模有偷主筋行為，11模偷主筋8根，12模偷主筋14根，業(yè)主單位立即對(duì)施工單位進(jìn)行處罰并責(zé)令其對(duì)問題部位進(jìn)行返工處理。單根鋼筋在雷達(dá)圖像上一般表現(xiàn)為有規(guī)律的小雙曲線強(qiáng)反射，波幅較窄，隨著埋藏深度增大雙曲線變緩?？招谋”诙罩袖摻钜话銥殡p層鋼筋網(wǎng)，表現(xiàn)為多次反射、兩層鋼筋走勢(shì)一般不同。通常情況下，當(dāng)鋼筋埋藏深度小于50cm時(shí)，800MHz天線可以更清楚地看到隧道襯砌內(nèi)部的鋼筋分布情況。

3.7隧道二襯厚度測(cè)試

廣東深圳某水源地水庫(kù)隧道交竣工驗(yàn)收時(shí)采用500MHz屏蔽天線測(cè)試，設(shè)計(jì)二襯厚度30cm，經(jīng)過測(cè)試并分析，發(fā)現(xiàn)初襯和二襯的界限明顯，從雷達(dá)圖像上可以清楚地看到二襯存在兩處連續(xù)欠厚的部位。查閱施工監(jiān)控測(cè)量及施工記錄，并對(duì)已經(jīng)施工完成的二襯進(jìn)行破壞驗(yàn)證，實(shí)際厚度與地質(zhì)雷達(dá)測(cè)試數(shù)據(jù)吻合，業(yè)主單位以隧道二襯厚度存在較嚴(yán)重質(zhì)量問題為由，要求施工隊(duì)伍進(jìn)行質(zhì)量問題處理。分析該問題原因，施工隊(duì)伍未意識(shí)到現(xiàn)有地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)可以準(zhǔn)確地測(cè)試出隱蔽工程的質(zhì)量問題，為追求施工利潤(rùn)最大化，刻意去欠挖，以致造成二襯厚度不足問題。二襯厚度不足案例測(cè)試圖如圖8所示。

4結(jié)語(yǔ)

地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)在高速公路的應(yīng)用越來越廣，其特點(diǎn)是快速、無(wú)損、連續(xù)檢測(cè)，并以時(shí)實(shí)成像方式顯示地下結(jié)構(gòu)剖面，使探測(cè)結(jié)果一目了然，分析、判讀直觀方便，近年來倍受交通行業(yè)的追捧。地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)在高速公路隧道質(zhì)量檢測(cè)中的意義非凡，除無(wú)法測(cè)試系統(tǒng)錨桿數(shù)量及長(zhǎng)度外，隧道質(zhì)量控制（管棚數(shù)量、鋼筋數(shù)量、拱架數(shù)量、襯砌厚度、背后空洞、仰拱厚度）、超前地質(zhì)預(yù)報(bào)都可以采用地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)進(jìn)行測(cè)試。國(guó)內(nèi)很多省份都要求使用地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)協(xié)助施工質(zhì)量控制，及時(shí)將施工中存在的質(zhì)量隱患排除在建設(shè)施工過程中，對(duì)工程的施工質(zhì)量控制作用明顯。地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)也應(yīng)用在高速公路工程地質(zhì)勘察、路面厚度、結(jié)構(gòu)混凝土內(nèi)部缺陷檢測(cè)中，比如：該文列舉的混凝土不密實(shí)、路面脫空、結(jié)構(gòu)混凝土內(nèi)部缺陷等質(zhì)量問題，都是實(shí)際工程中發(fā)現(xiàn)的，地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)儼然成為高速公路施工過程監(jiān)督、交竣工驗(yàn)收及交通行業(yè)質(zhì)量督查行動(dòng)中不可或缺的重要手段。尤其是在施工過程中進(jìn)行督查，對(duì)施工隊(duì)伍的威懾作用極大，有效地提高了施工質(zhì)量，提升了高速公路隧道施工隊(duì)伍的質(zhì)量意識(shí)。

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作者:殷慧茹 熊紹鑫 單位:葛洲壩集團(tuán)交通投資有限公司