探地雷達(dá)在隧道檢測(cè)中的應(yīng)用

梅本榮，蔣宣艷

(貴州省質(zhì)安交通工程監(jiān)控檢測(cè)中心有限責(zé)任公司)

1 探地雷達(dá)的基礎(chǔ)理論

1.1 基本原理

探地雷達(dá)的組成包括:主機(jī)、天線和配套軟件等，其原理是:發(fā)射天線向探測(cè)方向發(fā)射高頻脈沖電磁波，由于電磁波的傳播特性，在其遇到界面或不均勻體時(shí)，部分電磁波會(huì)被反射回來，雷達(dá)主機(jī)通過同反射回來的反射波進(jìn)行接收、分析，可達(dá)到探測(cè)地下的目的。但需要注意的是，電磁波的反射系數(shù)并不確定，根據(jù)介質(zhì)的介電常數(shù)不同而不同，但在特定介質(zhì)中的傳播速度V是不變的，并且108m/s，V為電磁波在大氣的傳播速度;ε為相對(duì)介電常數(shù))。由此可得出地質(zhì)界面深度的計(jì)算公式(1)

式中:ΔT為地面和地下反射波的時(shí)間差。

1.2 探地雷達(dá)工作方法

探地雷達(dá)的現(xiàn)場(chǎng)工作方法通常采用剖面法和寬角法。

剖面法是發(fā)射天線和接收天線同步移動(dòng)，每次的移動(dòng)都以等值間距，記錄點(diǎn)位于 T R中點(diǎn)，并且通過計(jì)算天線距，D為目標(biāo)體的深度。

寬角法有兩種移動(dòng)方式，一是固定一個(gè)天線，移動(dòng)另一個(gè);兩個(gè)天線由一個(gè)點(diǎn)向兩側(cè)反向移動(dòng)。寬角法通過記錄電磁波脈沖雙程傳播時(shí)間，傳播速度較快的在圖形中傾斜度較小，較平緩，傳播速度較慢的傾斜度較大，較陡。

1.3 探地雷達(dá)數(shù)據(jù)處理方法

探地雷達(dá)的數(shù)據(jù)處理方法較多，有SEC增益、高通、小波變換處理、修飾性處理等。中低頻雷達(dá)和高頻雷達(dá)由于天線特性不同，抗干擾能力、信噪比也不相同，因此在實(shí)際探測(cè)工作中的數(shù)據(jù)處理方法，應(yīng)根據(jù)實(shí)際工作情況進(jìn)行選取。

2 工程應(yīng)用分析

2.1 隧道掌子面前方地質(zhì)情況預(yù)報(bào)

隧道挖掘過程中的人身傷亡、設(shè)備損壞等事故屢見不鮮，究其原因，大多是由于掌子面前地質(zhì)情況不詳，對(duì)不良地段的施工沒有采取安全措施，不僅給施工帶了損害，也給國家?guī)Я私?jīng)濟(jì)損失。因此在隧道施工中，對(duì)不良地質(zhì)構(gòu)造進(jìn)行研究判斷，對(duì)于安全施工、科學(xué)設(shè)計(jì)挖掘方案具有重要意義。隧道掌子面前方地質(zhì)情況預(yù)報(bào)可分為中、長距離預(yù)報(bào)和短距離預(yù)報(bào)，中、長距離預(yù)報(bào)一般采用淺層地震方法，短距離預(yù)報(bào)呵采用探地雷達(dá)或聲波探測(cè)。

地震方法的實(shí)施是在掌子面不同高程上水平布置幾條地震測(cè)線，用石膏在掌子面上等距離粘接檢波器，使用大錘在測(cè)線兩側(cè)激發(fā)地震波。

探地雷達(dá)方法的實(shí)施是在掌子面兩側(cè)洞壁及掌子面上水平布置雷達(dá)測(cè)線，使用100 MHz天線等距離點(diǎn)測(cè)采集。在K241+138～K241+063段有斷層 3處(F115、F120、F135)，巖性異常帶一處。綜合解釋所推斷的位置為K241+115、K241+120、K241+135，巖性異常帶位置為K241+068。挖掘證明，有斷層2條(F115、F135)，出露樁號(hào)與推斷位置相差1m左右，走向近EW，斷距0.3m。巖性異常帶為破碎帶，寬度約10m，系由偉晶巖及角閃巖多次侵入造成。

2.2 隧道襯砌質(zhì)量檢測(cè)

隧道襯砌后質(zhì)量問題受到多種因素影響，如:隧道襯砌混凝土厚度不能滿足工程要求或隧道存在脫空等，地質(zhì)雷達(dá)的高效、高分辨率的檢測(cè)，可以有效地避免這些問題，為隧道的科學(xué)施工提供依據(jù)。

探地雷達(dá)法進(jìn)行隧道襯砌質(zhì)量檢測(cè)的主要內(nèi)容是混凝土密實(shí)性、脫空和襯砌厚度。檢測(cè)中一般采用500 MHz或900 MHz高頻天線，檢測(cè)厚度可達(dá)幾十厘米。測(cè)線一般布置在隧道的拱頂、拱腰及邊墻三個(gè)部位，拱頂為隧道的正頂部附近，拱腰為隧道的起拱線以上1m左右，邊墻為排水蓋板以上1.5m左右。

隧道檢測(cè)時(shí)雷達(dá)天線的快速運(yùn)動(dòng)往往形成天線貼壁不良，有較強(qiáng)的多次波出現(xiàn)，此外，隧道內(nèi)電纜、鋼管排架等對(duì)雷達(dá)數(shù)據(jù)有較大干擾，為了壓制干擾，對(duì)隧道檢測(cè)的探地雷達(dá)數(shù)據(jù)在解釋前必需經(jīng)過水平濾波、反褶積濾波和偏移濾波等數(shù)據(jù)處理，消除削面上的多次波和其他背景干擾波。

襯砌厚度評(píng)價(jià)，首先在探地雷達(dá)削面上確認(rèn)出混凝出與巖石界而間的反射波同相軸，讀取反射放雙程旅行時(shí)間。按公式H=V×t/2計(jì)算出混凝上襯砌厚度:速度V可通過明洞地段標(biāo)定:密實(shí)度的評(píng)價(jià)可根據(jù)探地雷達(dá)削面反射波振幅、相位和頻率特征劃分為密士和不密實(shí)兩種類別.不密實(shí)的混凝土體在雷達(dá)削面上波形雜亂.同相軸錯(cuò)斷:脫空體在雷達(dá)剖面上在混凝土與圍巖交接面處反射波同相軸呈弧形，與相鄰道之間發(fā)生錯(cuò)位，依此特征可計(jì)算出空洞的范圍，由于爆破使圍巖表面凹凸不平，因此在確定脫空時(shí)應(yīng)對(duì)剖面上的異常加以細(xì)致的分析和確認(rèn)。

廣西省某公路隧道全長約1.6km，為了全面了解襯砌質(zhì)量.在隧道既將貫通前開展廠探地雷達(dá)檢測(cè)。檢測(cè)的主要內(nèi)容是混凝土襯砌厚度是否滿足設(shè)計(jì)要求以及是否有較大脫空.檢測(cè)中采用SIR-2型探地雷達(dá)，使用的雷達(dá)天線頻率為500 MHz。開設(shè)的時(shí)窗為40 ns。測(cè)量點(diǎn)距為10cm:測(cè)量中以測(cè)量輪跟蹤記錄里程。

該隧道襯砌類型為:Sm3。設(shè)計(jì)襯砌厚度40cm;Sm4，設(shè)計(jì)襯砌厚度35cm;Sm5，設(shè)計(jì)襯砌厚度30cm。該區(qū)段襯砌類型Sm5。設(shè)汁襯砌厚度30cm。圖中10ns附近起伏變化的同相軸為同巖界面反射波同相軸，圖1為根據(jù)反射波雙程走時(shí)計(jì)算出混凝土襯砌厚度解釋曲線。

圖1 K21+390K21+430區(qū)段邊墻測(cè)線混凝土襯砌厚度解釋曲線

數(shù)據(jù)解釋時(shí)，取電磁波在混凝土中傳播速度V=0.12m/ns，所檢測(cè)的1.2km范圍內(nèi)，在隧道邊墻和隧道拱腰處有100余點(diǎn)(處)，襯砌厚度小于設(shè)計(jì)要求，最大欠挖為了7～9cm，未見到大范同的脫空現(xiàn)象。

3 結(jié)語

(1)可準(zhǔn)確預(yù)測(cè)隧道地質(zhì)情況;(2)可檢測(cè)出二次襯砌的厚度，襯砌混凝土的蜂窩異常和襯砌后空洞異常等情況，達(dá)到了預(yù)期的目的;(3)建議在施工處理后對(duì)異常區(qū)段進(jìn)行復(fù)測(cè)，以了解實(shí)際處理效果。

[1] 李大心.探地雷達(dá)方法與應(yīng)用[M].北京:地質(zhì)出版社，1994.

[2] 譚春，王永，楊振濤.高頻地質(zhì)雷達(dá)在堤壩路面質(zhì)量評(píng)價(jià)中的應(yīng)用[J].上海地質(zhì)，2007，(2).