基于地质雷达的路基病害探测技术与工程处治探讨

■陈银山

（漳州市路达工程设计有限公司，漳州 363000）

地质雷达探测技术指的是：向探测对象发射某一特定频率的电磁波束，电磁波发生反射、散射，过程所携带的电磁参数发生改变，通过接收、判别反射回来的电磁波信号特征，判别探测对象存在异常或分层情况[1]。 若将其应用到公路检测，则可以根据电磁波参数的变化情况，探测出公路各结构层分层情况，以及是否存在疏松、不密实、空洞等病害，结合工程周边地形、地貌、水文特征，分析病害成因，进而提出针对性的病害处治方案。 相比传统探坑、挖槽等检测方法，地质雷达探测技术具有不介入被测物体、连续探测、高效、结果准确度高、现场操作简便等优点。

本研究依托福诏高速沈海复线漳州段工程，对K38+860～+920 路基沉陷处进行现场调查和地质雷达探测，分析该段路基状况及病害原因，提出道路改造和整修设计方案并处治，消除了行车安全隐患。

1 工程概况

漳州沈海复线高速公路线路总长107 km，路基宽度26 m， 双向四车道， 全线设计速度100 km/h，2013 年12 月30 日建成通车。

2016 年6 月，发现K38+860～+920 处存在路基沉降、路面沉陷病害，涵洞两侧出现沉陷、错台，侧壁漏水，八字墙错缝，路肩及坡脚挡墙开裂等情况（图1）。 其中B 道靠近山坡，此前已进行过路面局部修复，A 道远离坡脚，填方较多，出现较大范围的不均匀沉陷，给行车舒适性和安全性带来了严重的危害。

图1 路基沉陷病害情况

为了解该段路基状况及病害原因， 为下一步的道路修复和整修设计提供第一手的基础资料，2016年7 月12 日对该路段进行了现场调查和地质雷达探测。

2 地质雷达探测

2.1 工作原理

探地雷达工作时，主机和天线连接好，天线紧贴路面，由工作人员拖着，匀速向前移动，天线向路面以下地层发射特定频率的电磁波， 并接收地层反射回来的电磁波信号。使用专门的数据采集、分析软件，对反射回来的电磁波信号进行滤波、转换等处理后，可以判别地层分层和存在的异常情况（图2）。

图2 地质雷达探测工作原理示意图

地层异常体的性质可以通过反射波的频率、振幅及其变化趋势来判断[2]。 同时，根据反射时间和电磁波速可以推算其存在的位置及其空间大小。 就路基路面探测而言，若各结构层结合紧密，反射回来的电磁波信号形状规则、有序、不杂乱，且路基路面分层清晰；由此推断，若信号杂乱、错断，路基就可能存在脱空、不密实，再结合波速、介电参数变化情况、反射时间推算脱空位置及其大小。

与道路相关的介质的电磁参数见表1。 当道路结构层下结构具有疏松、松散、裂隙、空隙等异常情况时，则电磁波经过时，参数会发生显著改变。 通过分析电磁波参数的变化可以推测结构层存在的异常体。

表1 电磁波在部分常见介质中的传播参数

2.2 仪器设备

此次探测采用美国GSSI 公司生产的SIR-30E地质雷达系统，包括SIR-30E 主机、电缆、单体屏蔽天线、电源，以及专业处理软件RADAN（图3）。 采用自动触发方式进行连续测量。

图3 地质雷达探测系统

单体屏蔽天线包括100 MHz 天线和400 MHz天线。 天线频率与探测深度呈反比，对浅层路面，采用400 MHz 天线，探测深度约50～60 cm；对深层水稳层、路基，则需低频天线，本次采用100 MHz 天线，探测深度能达到10 m 以上。

2.3 测线布置

根据工程实际情况，每车道布置1 条测线，共8 条（图4）。每条测线跨过病害区域并双向各延伸20～30 m，总测线长度510 m。

图4 现场测线布置图

3 探测结果处理与分析

3.1 探测结果

采用专业处理软件RADAN， 对采集数据进行处理，包括增益调整、滤波成图等，最终得到各测线的成果图（图5）。

图5 地质雷达探测结果

3.2 结果分析

检测结果表明，检测段落病害较多；主要病害是B 道应急车道K38+890 ～+895 路面下方0.5～1.5 m 位置不均匀沉降， 延伸到A 道匝道K38+880～+902 路面下方1.5～2.5 m 位置不均匀沉降， 推断是桩号K38+880～+902 路面下方2 m多从B 道应急车道到A 道匝道位置下方8 m 多有较大脱空现象，同时引起周围段落不同程度路基层松散、疏松甚至脱空。 地质雷达具体解释成果见表2。

表2 地质雷达探测解释结果

4 路基病害原因分析及对策

查阅资料和现场调查后得知该路段原地面表层为弃石场，并且在勘察时发现地表水流在山凹处下渗，流经路基，从底部排出。 地质雷达探测报告表明该段落路基中存在较多较大的疏松、 脱空区域。产生脱空现象的主要原因是该段落原地形地处洼地，易汇集水量，同时施工时未处理好排水引水问题，从而引起地下水冲刷侵蚀路基层，形成路基层疏松甚至脱空，造成路面开裂、断裂，甚至塌陷下沉，从而路面跟着下沉。

综上， 漳州沈海复线高速公路K38+860～+920由于填土空隙率大， 地表水下渗形成地下水通道，经长期侵蚀、掏空，将填料细颗粒冲走，路基填土层出现较大范围的疏松层和局部脱空， 导致路基变形、路面下沉等病害。 因此，病害段处治首先需设置截水沟，截断地表水，避免径流继续下渗恶化路基，然后采用高压旋喷桩加固路堤进行。

5 路基病害处治与效果

5.1 准备工作

（1）设置截水沟，将地表水引入涵洞排出，避免大量地表水下渗带走路基中的细颗粒及软化路基。

（2）采用土体反压路堤坡脚，保证路基处于稳定状态。

5.2 工程处治方案

采用双重管法旋喷桩工法，工艺流程为：依据设计图，测量定出桩孔位；开启钻机，确保钻杆与桩位处于同一位置后在路面结构层上进行钻孔；然后，引孔钻至路床地面；再把旋喷管插入到路基预先设计好的深度进行试喷， 试喷正常后升起旋喷管，喷头可在自转的同时高压喷出浆液，在压力的作用下使之和软弱土体掺和， 并最终凝固胶结土体，提高承载力[3]。

根据沉陷情况及地质雷达探测结果， 选择对K38+860～K38+920 路段进行处理， 具体方案如下：（1）采用高压旋喷桩对BK38+860～+895.6 路段进行路面引孔，然后进行注浆加固路基，最后设置连续配筋混凝土板，重新铺设上层路面结构。 高压旋喷桩采用桩径0.5 m，间距1.5 m，长度5～14 m，引孔深度0.8 m。 （2）采用高压旋喷桩对AK38+895.6～+920 路段进行路面引孔，然后进行注浆加固路基，最后设置连续配筋混凝土板， 重新铺设上层路面结构。 高压旋喷桩采用桩径0.5 m，间距1.8 m，长度5～14 m，引孔深度0.8 m。 （3）旋喷桩长度设置依据为“穿透疏松、脱空区域1 m 以上且深入原地面以下2 m 以上”。

5.3 旋喷桩施工要求及质量控制

5.3.1 施工材料

水泥采用P.O 42.5 普通硅酸盐水泥，加入水泥用量3%的陶土、0.9%的碱，消除离析。 为了防止堵塞管路和喷嘴，浆液需在旋喷前1 h 以内进行配制，使用时需要过滤掉砂石等杂物。

5.3.2 施工工艺及质量控制

（1）采用双重管高压喷射注浆工艺。 （2）旋喷桩现场定位误差≤50 mm，如果桩位与挡墙相冲突，可以在一定范围内调整桩位。对钻孔要求为：倾斜度≤0.5%，深度误差≤10 cm。 （3）施工时应实时观察记录现场的情况， 若是观察到地层和设计参数有明显差异， 应及时对旋喷桩的长度进行修改。（4）双重管旋喷桩的施工参数如下：浆液主要材料为42.5 级普通硅酸盐水泥， 水泥的掺入量≥200 kg/m，水灰比0.8～1.0，浆液比重1.5～1.6，返浆比重1.2～1.3；旋喷桩的直径为50 cm，高压浆射流的压力宜大于25 MPa，提升速度6～12 cm/min，旋转速度20 r·min-1。 （5）要求水泥土固结体的28 d 无侧限抗压强度大于2.0 MPa。

5.4 工程处治效果

K38+880～+920 路段采用双重管法旋喷桩工法对路堤进行加固处治，于2017 年2 月竣工，历时半个月。经过4 年多运营，2021 年6 月现场勘查，处治段路面平整，标线清晰，路基完好，如图6 所示，表明处治效果良好。

图6 病害处治4 年后的K38+880～+920 路段

6 结论

（1）漳州沈海复线高速公路K38+860～+920 存在路面、路基沉陷病害，严重影响行车安全。 地质雷达探测结果表明，K38+880～+902 路基存在较多的不密实，甚至脱空。

（2）造成路基脱空病害的主要原因是原地形地处低洼、易汇集水量，且施工时未做好引排水措施，导致地下水冲刷、侵蚀、掏空路基细颗粒，且软化路基下部土体。

（3）针对病害成因，首先引排、阶段地面水下渗，然后采用高压旋喷桩加固路基，消除疏松脱空部位，使得路基层重新处于密实状态，恢复路基承载力。 该段路基经过4 年多运营，效果良好。