地質(zhì)雷達(dá)聯(lián)合數(shù)字化隨鉆對(duì)城市道路病害定量探測(cè)的應(yīng)用研究*

王年近，王江濤，楊 敏，張 碩，于澤明

(1.中電建路橋集團(tuán)有限公司，北京 100032； 2.北京市市政工程研究院，北京 100037； 3.北京科技大學(xué)，北京 100101)

0 引言

現(xiàn)階段城市道路病害探查手段主要有地質(zhì)雷達(dá)探查、鉆孔取芯查驗(yàn)和標(biāo)準(zhǔn)貫入法等[1-2]。眾多學(xué)者和現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)人員進(jìn)行大量工作[3-9]，但由于地下工況越來(lái)越復(fù)雜，影響病害發(fā)生因素和病害類型越來(lái)越多，傳統(tǒng)檢測(cè)手段的弊端愈發(fā)明顯，其中地質(zhì)雷達(dá)雖然檢測(cè)速度快，但受周邊環(huán)境和地層影響較大，探測(cè)結(jié)果誤判性很高[10-11]，而鉆孔取芯和標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)耗時(shí)長(zhǎng)、成本高，對(duì)道路路面和原始地層擾動(dòng)較大，同時(shí)阻礙交通運(yùn)行。因此，有效結(jié)合并充分發(fā)揮現(xiàn)有檢測(cè)技術(shù)手段的優(yōu)勢(shì)，研究發(fā)展新的檢測(cè)理念和方法勢(shì)在必行。

基于此，提出地質(zhì)雷達(dá)普查、數(shù)字化隨鉆檢測(cè)和孔內(nèi)形貌窺視三步法的數(shù)字化隨鉆土體病害快速檢測(cè)技術(shù)，并應(yīng)用于某城市隧道下穿工程中。檢測(cè)結(jié)果顯示，雷達(dá)初判的疑似病害區(qū)域?yàn)锳，C，數(shù)字化隨鉆檢測(cè)承載力計(jì)算值分別為39.6，48.9kPa，遠(yuǎn)低于勘察標(biāo)準(zhǔn)值60kPa，結(jié)合孔內(nèi)病害形貌對(duì)應(yīng)段，分別判定為土體中度疏松病害和輕微疏松病害。無(wú)病害土層段計(jì)算值高于標(biāo)準(zhǔn)值的94%，表明檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確性較高，滿足工程需求。

1 數(shù)字化隨鉆土體病害快速檢測(cè)技術(shù)

1.1 土體病害檢測(cè)方法及設(shè)備

1)病害區(qū)域普查 即采用地質(zhì)雷達(dá)普查技術(shù)，根據(jù)測(cè)線劃分對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域進(jìn)行拉網(wǎng)式普查，根據(jù)雷達(dá)反射圖譜初步判定地下疏空病害區(qū)域范圍及位置。本文采用MALA-ProEx型地質(zhì)雷達(dá)，雷達(dá)天線頻率為250MHz，有效探測(cè)深度8m，單次橫掃面積100cm2。

2)隨鉆力學(xué)響應(yīng)量表征 采用鉆孔設(shè)備對(duì)可疑區(qū)域進(jìn)行鉆孔驗(yàn)證，鉆孔過(guò)程中，需保持轉(zhuǎn)速和推進(jìn)力恒定，實(shí)時(shí)傳輸、記錄鉆進(jìn)扭矩?cái)?shù)值，計(jì)算鉆測(cè)土層的承載力特征值。數(shù)字化鉆進(jìn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集扭矩值為0～200N·m，12mm直徑光電編碼器采集鉆探深度，計(jì)算機(jī)和系統(tǒng)軟件分別實(shí)時(shí)生成扭矩與鉆探深度間的關(guān)系曲線。旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)系統(tǒng)可提供最大10kN推力，最大速度為1 000r/min， 最大鉆進(jìn)深度為15m。

3)地下光學(xué)形貌表征 為更直觀判斷地下土體，采用TS-C0601型數(shù)字式全孔攝像系統(tǒng)表征鉆孔光學(xué)形貌，利用匹配軟件采集鉆孔影像信息，通過(guò)剖面圖與柱狀圖展示病害形貌，同時(shí)獲取病害埋深位置。

1.2 地下土體病害判定依據(jù)

1.2.1地質(zhì)雷達(dá)普查依據(jù)

地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)是通過(guò)向目標(biāo)物發(fā)射一定頻率的雷達(dá)波，并基于反射波對(duì)引起反射的目標(biāo)進(jìn)行物性特征分析的技術(shù)。由于地下巖土層介質(zhì)數(shù)量多、類型繁雜，雷達(dá)波在不同介質(zhì)的反射波中呈現(xiàn)特性也不相同，因此可通過(guò)分析反射波的特性推演地下病害信息。

通過(guò)大量試驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，雷達(dá)發(fā)射圖譜特征與對(duì)應(yīng)病害類型如下[12]：①輕度疏松 反射信號(hào)能量有變化，同相軸較不連續(xù)，波形較雜亂、不規(guī)則；②中度疏松 反射信號(hào)能量變化較大，同相軸較不連續(xù)，波形較雜亂、不規(guī)則；③嚴(yán)重疏松 反射信號(hào)能量變化大，同相軸不連續(xù)，波形雜亂、不規(guī)則；④空洞 反射波信號(hào)能量強(qiáng)，反射信號(hào)的頻率、振幅、相位變化異常明顯，下部反射波明顯，邊界可能伴隨繞射現(xiàn)象；⑤一般富水異常 反射波信號(hào)能量較強(qiáng)，下部衰減較明顯，同相軸較連續(xù)，頻率變化不明顯；⑥嚴(yán)重富水異常 反射波信號(hào)能量強(qiáng)，下部信號(hào)衰減明顯，同相軸較連續(xù)，頻率變化不明顯。

1.2.2數(shù)字化隨鉆判定原理

數(shù)字化隨鉆檢測(cè)技術(shù)通過(guò)隨鉆過(guò)程的鉆進(jìn)參數(shù)，包括扭矩、推進(jìn)力、轉(zhuǎn)速和進(jìn)尺速率，基于相應(yīng)數(shù)學(xué)模型對(duì)巖土體的力學(xué)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算表征。近年來(lái)，數(shù)字化隨鉆檢測(cè)技術(shù)愈發(fā)成熟，不同土層、不同含水率、不同圍壓等工況隨鉆參數(shù)與目標(biāo)力學(xué)參數(shù)的數(shù)學(xué)關(guān)系模型越來(lái)越準(zhǔn)確，適用性愈發(fā)廣泛，因便利性和準(zhǔn)確性，在各檢測(cè)工程中的優(yōu)先級(jí)也越來(lái)越高。

旋壓觸探鉆進(jìn)系統(tǒng)工作時(shí)，將鉆機(jī)轉(zhuǎn)速、推進(jìn)力、進(jìn)尺速率參量調(diào)整為確定值，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集并記錄扭矩值；鉆進(jìn)結(jié)束后，將扭矩值進(jìn)行數(shù)據(jù)去噪處理，通過(guò)數(shù)學(xué)模型計(jì)算各土層承載力，并對(duì)比工程勘察結(jié)果，判定土體狀況。

充分考慮現(xiàn)場(chǎng)工況與數(shù)學(xué)模型的適配性，在參考大量研究的基礎(chǔ)上，采用以下數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算：

Q=-200.33+10.47N

(1)

式中：Q為地基承載力(kPa)；N為扭矩(N·m)。

該數(shù)學(xué)模型適用于固定鉆機(jī)轉(zhuǎn)速為800r/min，推進(jìn)力7.5kN，進(jìn)尺速率15cm/min，土體含水率為10%～20%的模型。

2 某下穿隧道工程周邊病害探查

2.1 工程地質(zhì)概況

某地下隧道工程中心軸線位于城市主干道正下方，隧道呈東西向依次橫穿10條南北向城市道路，全長(zhǎng)約6km，為一類城市交通隧道，采用明挖法施工，結(jié)構(gòu)底板埋深0～19.2m，基坑開(kāi)挖最大深度27.9m，所在地層信息如表1所示。

表1 地層信息

為研究隧道開(kāi)挖對(duì)鄰近區(qū)域巖土體的影響，探查穿越道路下方土層狀況，排除安全隱患，確保工程和周邊建(構(gòu))筑物的安全，通過(guò)數(shù)字化隨鉆土體疏空病害快速檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行病害探查。

2.2 地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)結(jié)果分析

如圖1所示，此次探測(cè)區(qū)域集中在隧道中心線與南北向橫穿道路交叉的3個(gè)路口，分別為探測(cè)區(qū)域A，B，C，D，E，F(xiàn)，在鄰近開(kāi)挖區(qū)10m范圍內(nèi)，測(cè)線橫穿馬路，平行于隧道開(kāi)挖主線，測(cè)線間距3m。

圖1 雷達(dá)探測(cè)區(qū)域分布

通過(guò)對(duì)6處道路進(jìn)行地質(zhì)雷達(dá)普查，排除各類管線干擾，對(duì)可疑區(qū)域進(jìn)行加密網(wǎng)格詳查(網(wǎng)格間距1m×1m)后，確定疑似缺陷土體區(qū)域?yàn)锳，C，如圖2所示。其中疑似缺陷土體區(qū)域A雷達(dá)圖譜顯示，在地下0.8～1.25m范圍處，雷達(dá)反射信號(hào)能量變化幅度較大，同相軸不連續(xù)或缺失，波形結(jié)構(gòu)不規(guī)則，可判定區(qū)域A為道路路基中度疏松；圖2b顯示缺陷區(qū)域埋深位置為地下0.6～1.2m處，雷達(dá)反射信號(hào)處能量存在小幅變化，同相軸表現(xiàn)為不連續(xù)、錯(cuò)亂，波形結(jié)構(gòu)較不規(guī)則，由此判定區(qū)域C為路基輕微疏松。兩處疑似病害區(qū)域?yàn)橛倌噘|(zhì)粉質(zhì)黏土，地基承載力為60kPa。

圖2 疑似缺陷土體區(qū)域

2.3 數(shù)字化隨鉆檢測(cè)結(jié)果分析

根據(jù)雷達(dá)圖譜探測(cè)結(jié)果，分別在缺陷土體區(qū)域進(jìn)行數(shù)字化隨鉆檢測(cè)，檢測(cè)點(diǎn)位分別命名為A1，C1。隨鉆檢測(cè)中，鉆頭選取直徑5cm的薄壁金剛石鉆頭，兩點(diǎn)位處隨鉆扭矩-深度曲線如圖3所示，孔內(nèi)病害形貌如圖4所示。

圖3 缺陷土體隨鉆曲線

圖4 檢測(cè)點(diǎn)位孔內(nèi)病害形貌

對(duì)A1，C1點(diǎn)位的隨鉆扭矩-深度曲線進(jìn)行分段選取與數(shù)據(jù)整合。A1點(diǎn)位分別抽取0.8～1.25m和1.3～1.6m數(shù)據(jù)，C1點(diǎn)位分分別抽取0.6～1.2m和1.25～1.5m數(shù)據(jù)。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理整合得到區(qū)段扭矩平均值后，分別代入式(1)進(jìn)行計(jì)算，得到承載力計(jì)算值，并與勘察結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

A1點(diǎn)位在0.8～1.25m深度處的疑似缺陷土體扭矩均值為22.9N·m，對(duì)應(yīng)承載力計(jì)算值為39.6kPa，為勘察值60kPa的66%，由圖4a可知，該區(qū)域土體不完整程度較大，綜合分析后判定該區(qū)域?yàn)橹卸仁杷刹『?；C1點(diǎn)位在0.6～1.2m深度處的疑似缺陷土體扭矩均值為23.8N·m， 對(duì)應(yīng)承載力計(jì)算值為48.9kPa，為勘察值60kPa的81.5%，由圖4b可知，土體出現(xiàn)較不完整狀況時(shí)，綜合分析后判定為輕微疏松病害。

為檢驗(yàn)數(shù)學(xué)模型的適用性和準(zhǔn)確性，通過(guò)兩點(diǎn)位處土體表現(xiàn)良好區(qū)段的承載力計(jì)算值和勘察值進(jìn)行對(duì)比檢驗(yàn)，如表2所示，A1點(diǎn)位處1.3～1.6m的承載力計(jì)算值為97.0kPa，C1點(diǎn)位處1.25～1.5m的承載力計(jì)算值為94.9kPa，相比標(biāo)準(zhǔn)勘察值100kPa，相差率低于6%，結(jié)合病害形貌圖對(duì)應(yīng)區(qū)段，可判定該區(qū)段土體良好、無(wú)病害特征，綜上說(shuō)明檢測(cè)結(jié)果具有較高準(zhǔn)確性，滿足工程實(shí)際需求。

表2 承載力計(jì)算對(duì)比

3 結(jié)語(yǔ)

1)數(shù)字化隨鉆土體病害快速檢測(cè)技術(shù)融合現(xiàn)有檢測(cè)手段技術(shù)優(yōu)勢(shì)，能實(shí)現(xiàn)道路病害快速、精確診斷。

2)隨鉆參數(shù)與地基承載力在一定條件下可量化出數(shù)學(xué)關(guān)系模型，為道路病害檢測(cè)提供新思路。

3)某隧道下穿工程中，A1點(diǎn)位地下0.8～1.25m處的承載力數(shù)學(xué)模型計(jì)算值為39.6kPa，為勘察值60kPa的66%，結(jié)合病害形貌圖判定為中度疏松病害。

4)C1點(diǎn)位地下0.6～1.2m處承載力數(shù)學(xué)模型計(jì)算值為48.9kPa，為勘察值的81.5%，結(jié)合病害形貌圖判定為輕微疏松病害。

5)以無(wú)病害土體對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行檢驗(yàn)，承載力計(jì)算值與勘察值吻合度高于94%，說(shuō)明本次工況條件適用于數(shù)學(xué)模型使用條件，其他工況下的適用模型需進(jìn)一步驗(yàn)證。