岩溶发育地区高速公路桥基施工勘察中地质雷达综合应用

２０１４年第４期　西南公路ＸＩＮＡＮＧＯＮＧＬＵ　岩溶发育地区高速公路桥基施工勘察中　地质雷达综合应用　

蒋家龙　赵华宏　刘长平　（安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司　安徽合肥　２３００８８）　

【摘要】安徽省沿江及皖南一带石灰岩分布广泛，岩溶发育，由于岩溶溶洞具有隐伏性强、空间分布　规律性差、岩溶塌陷难以预测等特点，因此岩溶区修建高速公路桥梁必须查清岩溶发育规律。本文结合铜陵　（朱村）至池州（毛竹园）段高速公路在岩溶区上水桥互通立交的修建，阐述在施工阶段采用地质雷达结合　钻探综合勘察方法高效准确查清桥墩桩位岩溶溶洞发育情况，提高岩溶区勘察效益和勘察进度的方法。　【关键词】高速公路桥梁；岩溶区；地质雷达；综合勘察　【中图分类号】Ｐ６３１．１　２　【文献标识码】Ａ　

Ｏ　引　舌　安徽省沿江及皖南一带碳酸盐岩地层分布广　泛，石炭系、二叠系、三叠系均有灰岩分布，在构　造断裂的影响下，受地下水的溶蚀，隐伏岩溶特别　发育。在该地区高速公路建设中，不可避免的会遇　到岩溶问题，岩溶塌陷是其中一种常见的地质灾　害，在外加荷载作用下，岩溶洞穴顶板坍塌发生的　时间和空间很难预测，严重威胁工程安全。由于桥　梁结构的特殊性，溶洞对桥梁安全的影响格外受到　重视，为确保大桥安全，查清岩溶地区公路桥基岩　溶发育情况，是确保桥梁安全的关键。　１　工程概况　铜陵（朱村）至池州（毛竹园）高速公路，是沿　江高速公路的中段，它北接已建成通车芜湖至铜陵　高速公路的终点铜陵县朱村，向南接已经建成通车　的池州至安庆高速公路，在上水桥与铜陵至汤口高　速公路交叉，设计修建一大型互通立交桥，实行两　条高速公路双向互通。上水桥互通立交桥，共设计　有分离式主线桥２座，匝道桥８座，主线桥长　１６４６～１６８８ｍ，匝道桥长４００—１３６２ｍ，桥梁总长　达９６１２ｍ，共计有３９３个桥墩，９０２根钻孑Ｌ桩。主线　桥宽为１３．０～１７．０ｍ，匝道桥宽８．５０～１４．８０ｍ，荷　载等级为公路Ｉ级，桥梁上部构造为预应力混凝土　连续梁和先简支后连续预应力混凝土组合箱梁，下　部构造为：桥墩为钢筋混凝土双柱式或三柱式墩，　基础为钻孔桩基；桥台为重力式ｕ型桥台，基础为　钻孔桩基，最大桥高１９ｍ左右。　

２　地质概况　根据勘察资料，桥位区地层上部覆盖层为第四　系冲洪积碎石土、角砾土、中砂和粘性土，局部分　布薄层软土，厚度４．１～１４．４ｍ，平均厚度１ｌｍ左　右，下伏基岩为三迭系下统南陵湖组（Ｔｌｎ）灰　岩、角砾状灰岩和白垩系上统宣南组（Ｋ２ｘｎ）泥质　粉砂岩，基岩面起伏较大，岩性变化大。灰岩和角　砾状灰岩岩溶发育，勘探多孔见溶洞。灰岩属硬质　岩类，岩石坚硬，强度高；角砾状灰岩属软质岩　类，岩石较坚硬，强度较高；泥质粉砂岩属极软　岩，易风化，强度较低。地下水类型为潜水，地位　随地形地貌变化较大，河漫滩埋藏浅，河流阶地埋　

【收稿日期】２０１４—０９—０５　【作者简介】蒋家龙（１９６２－），男，安徽巢湖人，大学专科，高级工程师，主要从事岩土勘察设计与治理方面工作。　蒋家龙，赵华宏，刘长平：岩溶发育地区高速公路桥基施工勘察中地质雷达综合应用　深较大。　前期勘察重点是查清桥位区灰岩分布范围。勘　察中采用了钻探、高密度电法、地质雷达、岩土试　验、地质调绘手段相结合的方法，对灰岩分布范　围、岩溶发育规律、特征进行了详细勘察，施工阶　段尚需查清每一墩台桩位处基岩岩溶发育情况。　３　技术难点　由于岩溶、溶洞发育极不规律，施工阶段必须　查清岩溶区每一墩台桩位处基岩岩溶发育情况，以　便有针对性地进行基础设计，合理确定基桩深度，　确保施工安全与质量。根据在同一地段已施工完成　铜陵至汤口高速公路上水桥地区朱家畈特大桥和水　桥湖一桥岩溶桩基施工勘察查明，岩溶区桥墩逐桩　钻探揭露溶洞见洞率最低为４４．８％，最高为　５６．６％，平均为４８．１％，因此岩溶区桥梁进行施工　阶段补充勘察，对确保桥梁安全是非常必要的，不　可缺少的。由于大桥、特大桥大多采用桩基础，基　桩多，因此岩溶逐桩勘探周期长，费用高，特别是　在施工工期紧，任务急情况下，岩溶勘探经常影响　施工进度。　沿江高速公路上水桥互通，施工分为２个标　段，分别为第三和第四合同段，详细勘察阶段查明　位于岩溶区桥墩数为２４１个，基桩共计５２３个。岩溶　区采用逐桩钻探，无法满足施工单位进度和业主工　期要求。岩溶勘察不仅勘探周期长，并且勘察费用　巨大。钻探作为一种精确地确定地质现象的方法，　但由于钻孔孔径小，　“一孔之见”难以揭露和反映　整个桩基的地质情况，对于隐伏在地下形状极不确　定的地质目标，就难以用钻探方法，而工程物探勘　察结合钻探则是解决这一难题的有效方法。　４　地质雷达施工阶段的岩溶勘察　地质雷达施工阶段岩溶勘察属于浅层工程地质　精细测量，结合布置少量钻探检验孔，能够查清桥　墩基桩岩溶特征。因此工作布置不但要求作详细的　安排，测量仪器的精度、分辨率和稳定性等也同样　有较高的要求。我们使用了当今世界上技术领先的　地质雷达——瑞典ＭＡＬＡ公司ＲＡＭＡＣ系列ＣＵＩＩ型　主机，配以５０ＭＨｚ超强地面耦合天线。其主要特点　高集成化、真数字式、高速、轻便；天线与主机之　间采用光纤连接，频带宽、速度快、数据质量好、　抗干扰能力强，因此发射机、接收机及主机之间不　会相互干扰；由于采用高压窄脉冲技术，其发射脉　冲源与天线一一对应，因此穿透能力强。　４．１　地质雷达工作原理　地质雷达（Ｇｒ０ｕｎｄ　Ｐｅｎｅｔｒａｔｉｎｇ　Ｒａｄａｒ，简称　ＧＰＲ）方法是一种用于探测地下介质分布的广谱　（１０ＭＨｚ～１ＧＨｚ）电磁技术。地质雷达用一个天　线发射高频电磁波，另一个天线接收。　地质雷达利用超高频脉冲电磁波来探测，当发　射天线向地下发射高频宽带短脉冲电磁波时，遇到　具有不同介电特性的介质就会有部分电磁波能量被　返回，接收天线接收反射回波并记录反射时间（见　图１）。电磁波向地下介质传播过程中，遇到不同　的波阻抗界面时将产生反射波和透射波，反射和透　射遵循反射与透射定律。反射波能量大小取决于反　射系数Ｒ，反射系数的数学表达式为：　

：镶　

式中：　。和ｓ　分别表示反射界面两侧的相对介　电常数。　由（１）式可知：反射系数的大小主要取决于　反射界面两侧介质的相对介电常数的差异。差异越　大反射系数越大，则反射波信号越明显。根据分析　反射波来回所需要的时间、波形、振幅的特征，来　判别反射体的性质和位置，推断地下地质情况。　

分析计算处理后　向反射散射脉冲　

ｆ　ｌ时域接收机ｌ　

磁波　

图１　地质雷达原理示意图　４．２　地质雷达工作方法　由于施工阶段上水桥互通主线桥和匝道桥场地　已达到三通一平条件，各桥梁桥墩桩位均完成施工　９５　西南公路　测量放样，对消除地形影响，提高勘察精度提供了　有利条件。由钻探揭露可知，岩溶区溶洞内充填物　为粘土、部分呈流塑状，溶洞与完整围岩的物性差　异十分显著。影响雷达电磁波传播的主要物性参数　是介质的相对介电常数和电导率，这主要决定于岩　土层的含水率。因此桥位区具备用地质雷达探测溶　洞的地球物理前提条件。　测线垂直于桥梁方向即平行于桥墩方向，一般　情况下，每个墩位各布置三或五条物探测线，其中　Ｃ测线通过左右桩中心点，对五条测线的，Ａ、Ｂ测　线与Ｄ、ＥＮ线以ｃ测线呈对称布置，由于桥位区　桥墩基桩直径均大于１．５０ｍ，因此采用线距０．５ｍ，　测点间距０．２５ｍ，探测方法使用天线沿每条测线进　行逐点探测（见图２）。　Ｂ剖面卜＿—————７‘＝　—————————————７　————　ＣＮＮ　Ｄ剖面卜————————　＝＝　￡—————————————————————　：：　———————　囵目　桩位　物探测线　图２　桥墩桩位雷达探测测线布置示意图　根据现场试验资料结合钻孔数据对比试验校对　采集参数（采样范围、采样点数、扫描率、迭加次　数等），并精确确定各层介质的介电常数或电磁波　速，本次勘探，采用５０ＭＨｚ　ＲＴＡ天线，采用点测方　法，采样率选为５７４Ｍｈｚ、时窗范围为０～１０００ｎｓ。　４－３　地质雷达资料处理与异常推断解释　４．３．１　地质雷达资料处理　运用欧洲经典物探软件Ｒｅｆｌｅｘｗ软件对采集的数　据进行分析。数据处理流程如图３所示，最后输出　雷达实时波形剖面。　图３数据处理流程图　４．３．２异常推断解释　在完整灰岩上雷达实时波形剖面反射波同相轴　振幅较小，在溶洞上雷达实时波形剖面反射波同相　轴振幅明显增大，且反射波同相轴的形态会发生变　化。当溶洞规模相对其埋深较小呈三度体形态，或　９　岩溶为二度体形态，雷达测线近于垂直其长轴方向　时，雷达波形剖面反射波呈双曲线形态的绕射波特　征；当岩溶规模较大时，雷达波形呈层状或不规则　强反射特征；当遇到体积较大的溶洞（大于　２ｍｘ２ｍｘ２ｍ），溶洞内充填有水或充填物含水率较　高时，雷达波被强烈吸收、振幅急剧衰减、出现速度　陷阱。图４为上水桥ｃ匝道３０墩ＣＫ０＋４９４．４和　ＣＫ０＋４９４．９横剖面雷达影像及地质解释图，其上反　映出该地带岩溶、溶洞特别发育，每一断面发育有　大小溶洞８个，发育深度１４～３６ｍ，其中ＣＫ０＋４９４．４　横剖面溶洞较大，宽约２．２ｍ，深２０～２８ｍ；图５为　该墩地质雷达平面解释图，反映该桥墩岩溶、溶洞　发育呈极不规则平面形态。　

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图４　上水桥互通Ｃ匝道桥３Ｏ墩ＣＫ０＋４９４．４和ＣＫ０＋４９４．９　横剖面雷达影像图　

图５　上水桥互通Ｃ匝道桥３０墩地质雷达平面解释图　５　质量与效益　沿江高速公路上水桥互通立交桥施＿Ｔ阶段岩溶　勘察，通常在具有相同地质特性的桥墩桩位上或地　质雷达探测异常地段，布置少量钻探孔，直接揭露　地层岩性地质情况，与地质雷达资料对比分析，避　免了地质雷达解释多解性，确保地质雷达解释质　量。本次上水桥互通施工阶段岩溶勘察，因场地条　件原因，如局部地形起伏高差大，水网发育，湖塘　较多，地质雷达无法探测，共施工地质钻探孔　２８９：ｆ［，（桩），地达雷达探测２４７孔（桩），勘察资　料经后期施工验证，吻合程度较高。　沿江高速公路上水桥互通立交桥，共计两个合　同段，目前桥梁施工已经基本完成，现阶段主要是