綜合物探技術(shù)在橋基基礎(chǔ)探測(cè)上的應(yīng)用

劉文伍，田慶福，余森林

(南京市測(cè)繪勘察研究院有限公司，江蘇 南京 210019)

綜合物探技術(shù)在橋基基礎(chǔ)探測(cè)上的應(yīng)用

劉文伍*，田慶福，余森林

(南京市測(cè)繪勘察研究院有限公司，江蘇 南京 210019)

橋梁基礎(chǔ)資料丟失給橋梁養(yǎng)護(hù)及橋梁附近地下基建(管廊、地下街等)方案的設(shè)計(jì)和施工帶來(lái)障礙。物探方法具有經(jīng)濟(jì)、快速、無(wú)損的特點(diǎn)，但各種物探方法均有其應(yīng)用的局限性，本文通過(guò)對(duì)多種地球物理勘探方法特點(diǎn)的分析，結(jié)合橋基探測(cè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，提出了地質(zhì)雷達(dá)法、地面瞬變電磁法與鉆孔瞬變電磁法探測(cè)橋基分布范圍的綜合物探技術(shù)，實(shí)踐證明該綜合物探技術(shù)能對(duì)隱伏橋基分布范圍進(jìn)行快速、準(zhǔn)確的判定。

橋基探測(cè)；綜合物探；地質(zhì)雷達(dá)法；地面瞬變電磁法；鉆孔瞬變電磁法

1 引 言

截至2015年底，我國(guó)大大小小的橋梁有近80萬(wàn)座，居世界第一[1]，隨著時(shí)間推移，各種各樣的原因造成許多橋梁的設(shè)計(jì)及竣工驗(yàn)收資料丟失。橋梁基本信息，特別是橋基設(shè)計(jì)參數(shù)的丟失給橋梁的保養(yǎng)及維護(hù)帶來(lái)不便。另外，由于橋基結(jié)構(gòu)大部分甚至全部深埋于地下，屬于地下隱伏結(jié)構(gòu)，給橋梁附近地下基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的設(shè)計(jì)及施工帶來(lái)障礙。

物探方法作為一種間接勘察手段，具有經(jīng)濟(jì)、快速、無(wú)損的特點(diǎn)。通過(guò)物探方法對(duì)缺乏基礎(chǔ)資料的橋梁進(jìn)行橋基范圍探測(cè)，為相關(guān)部門(mén)橋梁養(yǎng)護(hù)與地下基建方案設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)資料，不失為一種新的思路。常用的城市工程物探方法主要包括地震波法、直流電法、地質(zhì)雷達(dá)法、瞬變電磁法等[2～4]。各種方法根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)條件及探測(cè)目的，具有各自的特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)，同時(shí)單一物探方法自身都存在一定的局限性與不足。通過(guò)不同的觀測(cè)系統(tǒng)及不同物探方法，從多角度、多地球物理場(chǎng)出發(fā)，對(duì)探測(cè)區(qū)域進(jìn)行綜合探測(cè)與解釋?zhuān)锾椒椒ㄖg相互配合、相互驗(yàn)證，能有效避免單一物探方法的局限性，提高解釋成果的可靠性和準(zhǔn)確性[5]。本文通過(guò)對(duì)多種地球物理勘探方法特點(diǎn)的分析，結(jié)合橋基探測(cè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，提出了地質(zhì)雷達(dá)法、地面瞬變電磁法與鉆孔瞬變電磁法探測(cè)橋基的綜合物探技術(shù)，通過(guò)對(duì)某橋梁橋基的工程實(shí)測(cè)，證明了該綜合物探技術(shù)對(duì)橋基橫向展布范圍及縱向深度能進(jìn)行有效判定。

2 探測(cè)原理

2.1 地質(zhì)雷達(dá)法探測(cè)原理

地質(zhì)雷達(dá)法是利用高頻電磁波的傳播特性來(lái)推斷探測(cè)區(qū)域內(nèi)隱伏界面及物體的存在，是一種高精度電磁勘探方法。當(dāng)電磁波在傳播過(guò)程中遇到界面或其他物體時(shí)，由于物質(zhì)間的電性差異，部分電磁波信號(hào)被反射回來(lái)從而被接收天線(xiàn)所接收，通過(guò)對(duì)反射電磁波的走時(shí)、振幅、形態(tài)等信息的分析處理，即可推斷得到探測(cè)區(qū)域內(nèi)隱伏界面及物體的位置、大小、深度等信息，原理示意圖如圖1所示。電磁波具有頻率越高，探測(cè)精度越高、衰減越快、探測(cè)深度越淺的特性，因此使用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行工程探測(cè)時(shí)，應(yīng)根據(jù)探測(cè)目的深度及探測(cè)精度要求，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)來(lái)選擇天線(xiàn)頻率及采集參數(shù)[6]。

圖1 地質(zhì)雷達(dá)工作原理示意圖

2.2 地面瞬變電磁探測(cè)原理

瞬變電磁法的理論基礎(chǔ)是麥克斯韋方程理論，屬時(shí)間域電磁感應(yīng)方法，在一次磁場(chǎng)的激勵(lì)下，地下地質(zhì)體將產(chǎn)生渦流，渦流大小取決于地質(zhì)體的導(dǎo)電性能，在一次場(chǎng)消失后，該渦流不會(huì)立即消失，而是有一個(gè)過(guò)渡(衰減)過(guò)程。該衰減過(guò)程又產(chǎn)生一個(gè)衰減的二次電磁場(chǎng)向地面?zhèn)鞑?，且被地面接收線(xiàn)圈線(xiàn)所接收，通過(guò)探測(cè)二次電磁場(chǎng)隨時(shí)間的變化規(guī)律，可得到探測(cè)區(qū)域內(nèi)不同深度的地電特征，從而反演推斷探測(cè)區(qū)域內(nèi)地質(zhì)體的分布情況[7]，探測(cè)原理示意圖如圖2所示。

圖2 瞬變電磁探測(cè)原理示意圖

2.3 鉆孔瞬變電磁探測(cè)原理

鉆孔瞬變電磁法的基本原理與地面瞬變電磁法相同，其理論基礎(chǔ)均是麥克斯韋方程理論。由于鉆孔瞬變電磁的發(fā)射與接收線(xiàn)圈均位于鉆孔內(nèi)，更靠近探測(cè)目標(biāo)體，具有更高的探測(cè)精度和準(zhǔn)確性，且能有效降低地面現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境干擾[8]。鉆孔瞬變電磁法通過(guò)發(fā)射線(xiàn)圈發(fā)射脈沖式一次電磁場(chǎng)后，利用多個(gè)不同方向的線(xiàn)圈同時(shí)接收感應(yīng)二次場(chǎng)，通過(guò)分析各道二次場(chǎng)衰減段感應(yīng)電壓信號(hào)的差異，對(duì)鉆孔四周介質(zhì)差異進(jìn)行判斷。鉆孔周?chē)橘|(zhì)均勻時(shí)，一次場(chǎng)激勵(lì)后，各方向接收線(xiàn)圈的感應(yīng)電壓信號(hào)類(lèi)似，差異性小，定義為電壓偏移量小(散度低)；鉆孔某個(gè)方向存在良導(dǎo)體時(shí)，其對(duì)應(yīng)方向接收線(xiàn)圈的感應(yīng)電壓信號(hào)衰減要比其他方向接收線(xiàn)圈慢，各線(xiàn)圈感應(yīng)電壓信號(hào)差異性大，即電壓偏移量大(散度高)。鉆孔瞬變電磁法能有效反映鉆孔周邊一定范圍內(nèi)的地質(zhì)情況，提高鉆孔攜帶的地質(zhì)信息量。

3 地球物理方法分析與選擇

橋基通常為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，與周?chē)钔良暗鼗g不同程度地存在著多種物性差異，如密度差異、波速差異、電阻率差異、介電常數(shù)差異等，這些差異為不同的物探方法應(yīng)用于橋基范圍探測(cè)提供了地球物理基礎(chǔ)。

各種物探方法根據(jù)探測(cè)目的及現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)條件，具有各自的特點(diǎn)、優(yōu)勢(shì)以及局限性，比如地震波法具有較高的探測(cè)分辨率，對(duì)波阻抗差異界面反映直觀、明顯，但現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)工作量較大，且要求現(xiàn)場(chǎng)無(wú)施工震動(dòng)干擾；直流電法能對(duì)探測(cè)區(qū)域的電阻率分布情況進(jìn)行劃分，但由于體積效應(yīng)，探測(cè)精度不高，且橋面布置電極較麻煩；瞬變電磁法對(duì)良導(dǎo)體反應(yīng)靈敏，現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)方便快捷，但縱向分辨率低；地質(zhì)雷達(dá)法探測(cè)精度高，現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)快捷，但探測(cè)深度較淺，且要求現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)面較平整[9，10]。

從多角度、不同地球物理場(chǎng)來(lái)分析和推斷橋基的分布范圍，對(duì)多種物探方法成果進(jìn)行對(duì)比、相互驗(yàn)證，能有效提高解釋成果的可靠性。本文選用地質(zhì)雷達(dá)法、地面瞬變電磁法與鉆孔瞬變電磁法綜合探查橋基分布范圍主要有以下考慮：①橋基結(jié)構(gòu)中含有大量鋼筋網(wǎng)，地質(zhì)雷達(dá)法探測(cè)分辨率高，對(duì)鋼筋網(wǎng)結(jié)構(gòu)可能反映較明顯；鋼筋屬于良導(dǎo)體，瞬變電磁法對(duì)鋼筋網(wǎng)的低阻反應(yīng)靈敏；地質(zhì)雷達(dá)法與瞬變電磁法都具有現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)效率高的特點(diǎn)。②地震波法現(xiàn)場(chǎng)工作量較大，且受道路上車(chē)輛行駛震動(dòng)干擾影響大；直流電法現(xiàn)場(chǎng)工作量較大，且現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)時(shí)電極接地耦合困難。③由于地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)深度較淺，且地面瞬變電磁法縱向分辨率低，因此補(bǔ)充鉆孔瞬變電磁法對(duì)橋基縱向深度進(jìn)行探測(cè)。

4 探測(cè)實(shí)例

蘇州某地區(qū)因綜合管廊改線(xiàn)，需要部分橋梁的橋基形態(tài)基礎(chǔ)資料，某橋梁因特殊原因?qū)е卢F(xiàn)無(wú)基礎(chǔ)資料可查，因此，通過(guò)地球物理方法對(duì)該橋梁基礎(chǔ)形態(tài)進(jìn)行探查，為綜合管廊改線(xiàn)提供設(shè)計(jì)依據(jù)。具體探測(cè)目標(biāo)為確定沿橋梁走向方向橋基的橫向展布范圍以及確定橋基垂向深度。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況以及探測(cè)目的，采用地質(zhì)雷達(dá)法與瞬變電磁法來(lái)確定橋基的橫向展布范圍；采用鉆孔瞬變電磁法確定橋基的縱向深度。

地質(zhì)雷達(dá)法現(xiàn)場(chǎng)采用500 MHz屏蔽天線(xiàn)進(jìn)行連續(xù)掃描測(cè)量，測(cè)線(xiàn)沿橋梁走向方向布置，從橋面伸縮縫向南 2 m開(kāi)始，向路面方向(北)延伸 16 m，測(cè)線(xiàn)布置示意圖如圖3所示。探測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)濾波、背景值消除、增益補(bǔ)償?shù)忍幚砗蟮玫阶罱K雷達(dá)斷面成果圖，如圖4所示。

圖3 地面物探測(cè)線(xiàn)布置示意圖

圖4 雷達(dá)反演成果圖

利用地質(zhì)雷達(dá)法的同時(shí)，在同一測(cè)線(xiàn)剖面上采用瞬變電磁法對(duì)探測(cè)區(qū)域進(jìn)行二次測(cè)量，以達(dá)到相互支持、相互驗(yàn)證的目的，增加解釋成果的可靠性。瞬變電磁法現(xiàn)場(chǎng)采用 1.2 m×1.2 m的多匝重疊回線(xiàn)裝置，發(fā)射線(xiàn)框與接收線(xiàn)框?yàn)樵褦?shù)不等的獨(dú)立線(xiàn)框，測(cè)線(xiàn)同地質(zhì)雷達(dá)法測(cè)線(xiàn)，采用逐點(diǎn)掃描法，測(cè)點(diǎn)間距 0.2 m，共81個(gè)測(cè)點(diǎn)。探測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)視電阻率計(jì)算、時(shí)深轉(zhuǎn)化后得到深度-視電阻率斷面成果圖，如圖5所示。

圖5 瞬變電磁反演成果圖

根據(jù)地質(zhì)雷達(dá)與瞬變電磁探測(cè)成果圖，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況對(duì)探測(cè)區(qū)域解釋如下：

(1)從探測(cè)起始位置起1.6 m范圍為獨(dú)立橋面(現(xiàn)場(chǎng)可見(jiàn))，地質(zhì)雷達(dá)成果斷面能清晰地看到鋼筋結(jié)構(gòu)引起的密集繞射弧，且瞬變電磁成果顯示為低阻，與實(shí)際相符；

(2)1.6 m～7 m范圍為橋基的橫向展布范圍，橋基為整體性較好的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，因此該區(qū)域地質(zhì)雷達(dá)斷面整體表現(xiàn)為弱反射，但能看到由鋼筋引起的密集繞射弧，瞬變電磁成果整體顯示為低阻，另外測(cè)線(xiàn) 2 m位置處鐵質(zhì)橋面伸縮縫的影響在地質(zhì)雷達(dá)與瞬變電磁結(jié)果上都有明顯反映；

(3)7 m～16 m范圍為與橋基連接路基，地質(zhì)雷達(dá)成果顯示該區(qū)段有一明顯反射界面，且瞬變電磁反演成果整體顯示為相對(duì)高阻，推斷該界面為素混凝土路基填充界面。

鉆孔瞬變電磁法探測(cè)時(shí)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況在橋基東側(cè)距橋基水平距離 2 m位置向下施工鉆孔，鉆孔直徑 150 mm，鉆孔孔口距橋面高差為 3.1 m，將瞬變多通道探頭從孔口向孔底逐點(diǎn)測(cè)量，測(cè)點(diǎn)間距為 0.2 m，共40個(gè)測(cè)點(diǎn)。多通道孔中瞬變電磁數(shù)據(jù)，通過(guò)提取二次場(chǎng)衰減段感應(yīng)電壓信號(hào)，計(jì)算各測(cè)點(diǎn)電壓信號(hào)偏移量，得到電壓偏移量沿鉆孔的展布情況，成果圖如圖6所示。

圖6 鉆孔瞬變電磁成果圖

根據(jù)鉆孔瞬變電磁成果圖，可以發(fā)現(xiàn)1號(hào)測(cè)點(diǎn)～24號(hào)測(cè)點(diǎn)(24號(hào)測(cè)點(diǎn)距孔口 4.8 m，距橋面 7.9 m)的信號(hào)偏移量整體偏大，25號(hào)測(cè)點(diǎn)～40號(hào)測(cè)點(diǎn)的信號(hào)偏移量整體偏小，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況判定橋基底部深度延伸至24號(hào)測(cè)點(diǎn)位置，即距橋面 7.9 m深度處。

綜合地質(zhì)雷達(dá)法、地面瞬變電磁法、鉆孔瞬變電磁法成果，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況，判定所探測(cè)橋梁橋基從橋面伸縮縫以南 0.4 m處向北橫向展布 5.4 m，橋基縱向深度 7.9 m。

5 結(jié) 語(yǔ)

物探方法具有經(jīng)濟(jì)、快速、無(wú)損的優(yōu)點(diǎn)，但單一物探方法均有其應(yīng)用的局限性，從多角度、多地球物理場(chǎng)出發(fā)，對(duì)探測(cè)區(qū)域進(jìn)行綜合探測(cè)與解釋?zhuān)苡行П苊鈫我晃锾椒椒ǖ木窒扌?，提高解釋成果的可靠性和?zhǔn)確性。地質(zhì)雷達(dá)法、地面瞬變電磁法與鉆孔瞬變電磁法相結(jié)合的綜合物探技術(shù)，能對(duì)隱伏橋基分布范圍進(jìn)行快速、準(zhǔn)確的判定，為橋梁附近地下基建方案的設(shè)計(jì)與施工提供基礎(chǔ)資料與理論依據(jù)。

[1] 交通基礎(chǔ)設(shè)施重大結(jié)構(gòu)安全保障戰(zhàn)略研究[R].

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The Application of Integrated Geophysical Exploration Technique on The Detection of Bridge Foundation

Liu Wenwu，Tian Qingfu，Yu Senlin

(Nanjing Institute of Surveying，Mapping & Geotechnical Investigation Co.，Ltd，Nanjing 210019，China)

It’s barrier to bridge maintenance and underground construction design for the lost of bridgefoundation information. Geophysical exploration method has the characteristics of economic，rapid and nondestructive，but every geophysical exploration method has the limitations of its application.In this paper，through the analysis of the characteristics of various geophysical exploration methods，combined with the environment of bridge foundation detection，put forward the geological ground penetrating radar method，ground transient electromagnetic method and drillingtransient electromagnetic methodto detect the bridge foundation at the same time. Practice proves that the integrated geophysical exploration technique canjudgedistribution range of bridge foundationrapidly and accurately.

bridge foundation detection；integrated geophysical exploration；geological ground penetrating radar method；groundtransient electromagnetic method；drillingtransient electromagnetic method

1672-8262(2017)03-166-05

P631

B

2016—12—27

劉文伍(1973—)，男，高級(jí)工程師，主要從事地下管線(xiàn)探測(cè)監(jiān)測(cè)等技術(shù)管理工作。