試述地質(zhì)雷達(dá)在引水隧道質(zhì)量檢測(cè)中的應(yīng)用

孟慶生，邱浩浩

(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 地質(zhì)雷達(dá)的作用機(jī)制與方法

1.1 地質(zhì)雷法作用機(jī)制

利用發(fā)射機(jī)的發(fā)射天線將n ～n×106MHz 的短脈沖、高頻率、寬頻帶和寬脈沖的電磁波發(fā)射到地下，如果高頻電磁波遭遇不同介電常數(shù)的相應(yīng)界面，那么就會(huì)引發(fā)反射回波，最后依照接收天線獲取到的反射回波結(jié)構(gòu)與時(shí)間對(duì)反射體性質(zhì)進(jìn)行綜合判定，以確定頂面與反射界面的間距。在實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中，雷達(dá)天線隨著測(cè)線自左向右挪動(dòng)，通過(guò)發(fā)射天線把雷達(dá)電磁波全部發(fā)射出來(lái)，由接收天線獲取雷達(dá)回波，再根據(jù)順序布置和展開雷達(dá)回波，以便全方位體現(xiàn)出反射界面位置與地下探測(cè)目標(biāo)體。

只有在探測(cè)對(duì)象和四周介質(zhì)有顯著電性差異的前提下，才能運(yùn)用地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)展開探測(cè)工作，注意雷達(dá)波處于介質(zhì)時(shí)的傳播速度V 和介質(zhì)電磁性參數(shù)之間存在著近似關(guān)系，由公式表示為，公式中V 表示處于介質(zhì)時(shí)的電磁波速度;c 表示處于真空時(shí)的光速，m/ns;εr表示與介質(zhì)相對(duì)應(yīng)的介電常數(shù);μr表示介質(zhì)的相應(yīng)導(dǎo)磁率。

1.2 某引水隧道工程的概況

本文以某引水隧道工程為實(shí)際案例，并對(duì)其實(shí)施襯砌檢測(cè)，具體檢測(cè)時(shí)間為2012年6月～2012年8月。在隧道襯砌過(guò)程中，其拱頂襯砌的厚度應(yīng)設(shè)計(jì)為0.45 m，而圍巖則要達(dá)到Ⅳ級(jí)。展開探測(cè)工作時(shí)，應(yīng)合理選用來(lái)自美國(guó)、型號(hào)為SIR－3000 的地質(zhì)雷達(dá)，運(yùn)用400 MHz 天線頻率，確定512個(gè)采樣點(diǎn)數(shù)，應(yīng)用連續(xù)采樣手段，400 MHz 天線測(cè)程80 ns 與900 MHz 天線測(cè)程30 ns 均表示為時(shí)間窗口。

1.3 工程測(cè)線安設(shè)

首先，應(yīng)用地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)對(duì)隧道混凝土的襯砌質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)，接著對(duì)混凝土與巖體之間的實(shí)際接觸狀況進(jìn)行檢測(cè)，最后把頂拱、左拱角和右拱角有效結(jié)合起來(lái)，依據(jù)隧道條件、測(cè)試方位與探測(cè)目的展開全面測(cè)量工作。一般情況下，檢測(cè)會(huì)通過(guò)隧道頂拱中心、左拱角與右拱角順著洞軸線方向做測(cè)線的安設(shè)，共安設(shè)測(cè)線3 條;而邊墻雷達(dá)檢測(cè)的測(cè)線則要分別安設(shè)在左邊墻與右邊墻。檢測(cè)襯砌混凝土質(zhì)量與脫空狀況時(shí)，若發(fā)現(xiàn)洞段存在異?，F(xiàn)象，那么就要應(yīng)用900 MHz 地質(zhì)雷達(dá)天線做反復(fù)觀測(cè)工作。

2 處理與解釋地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)資料

2.1 處理地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)資料

實(shí)施地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)時(shí)，由于要不斷獲取發(fā)射波特性，所以要采用寬頻帶做好各項(xiàng)記錄工作，這樣不僅能夠得到許多有效波，還可以將干擾噪聲詳細(xì)記錄下來(lái)。隧道混凝土與圍巖會(huì)直接影響到接受天線的相應(yīng)電磁脈沖，致使其波形無(wú)法與原始反射波形態(tài)相吻合，因而在處理地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)數(shù)據(jù)前，一定要真正做到反復(fù)核對(duì)、詳細(xì)記錄與認(rèn)真篩選等工作。利用反褶積、數(shù)據(jù)傳輸、圖像增強(qiáng)、數(shù)字濾波和數(shù)據(jù)預(yù)處理等多種處理手段來(lái)完全消除雷達(dá)數(shù)據(jù)中存在的干擾噪聲，并加以解釋，這樣不但可以增強(qiáng)數(shù)據(jù)信噪，還可以將異常凸顯出來(lái)，實(shí)現(xiàn)后期數(shù)據(jù)處理。經(jīng)上述處理后，嚴(yán)密觀察與識(shí)別雷達(dá)圖像的主要特性，包括反射波初始相位、能量強(qiáng)度與反射波波形等，以達(dá)到判斷和篩選異常的目的。

利用地質(zhì)雷達(dá)對(duì)地下物質(zhì)的電性特點(diǎn)進(jìn)行記錄，并把記錄所得信息轉(zhuǎn)變成形體分布，只有這樣才能得到探測(cè)目標(biāo)的完整資料。針對(duì)這一情況，將地質(zhì)雷達(dá)資料、地質(zhì)資料和異常體形態(tài)資料有效結(jié)合在一起，再利用已知異常部位比較雷達(dá)圖像和開孔取樣資料，最后根據(jù)實(shí)際情況制定性質(zhì)各不相同的地層反射波組特性資料庫(kù)，以便獲取探測(cè)目標(biāo)的所有資料，為日后分析與解釋其他部位的測(cè)線雷達(dá)資料提供強(qiáng)有力參考依據(jù)。

2.2 解釋地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)資料

按照隧道混凝土反映在雷達(dá)圖像上的特性，將混凝土膠結(jié)質(zhì)量合理劃分成以下幾個(gè)等級(jí):(1)高密實(shí)度。混凝土膠結(jié)良好、材質(zhì)與振搗均勻?yàn)榛炷粮呙軐?shí)度，其反映在雷達(dá)上的圖像是電磁波能量具有較強(qiáng)的規(guī)律性，衰減速度緩慢，波形幅度不高，電磁波反射能量呈均勻分布狀態(tài)，且同相軸的連續(xù)性十分良好，圖像穩(wěn)定而清晰(見圖1)。(2)密實(shí)度不足?；炷聊z結(jié)密實(shí)度與振搗均勻度欠缺，對(duì)比處于剖面兩邊的混凝土，發(fā)現(xiàn)其密實(shí)度不高，而混凝土表現(xiàn)為膠結(jié)正常，這些均為混凝土密實(shí)度不足的表現(xiàn)?；炷撩軐?shí)度不足反映在雷達(dá)上的圖像是電磁波能量的衰減速度較慢，波形幅度不高，電磁波反射能量大多呈均勻分布狀態(tài)，同相軸的連續(xù)性基本達(dá)標(biāo)，圖像的穩(wěn)定性與清晰度不足(見圖2)。(3)無(wú)密實(shí)度。混凝土某些膠結(jié)部位不密實(shí)，局部有蜂窩情況，加上沒有振搗均勻，最終導(dǎo)致混凝土無(wú)密實(shí)度?；炷翢o(wú)密實(shí)度反映在雷達(dá)上的圖像是電磁波能量的衰減速度逐步加快，波形幅度大，電磁波反射能量呈不均勻分布，且部分同相軸缺乏連續(xù)性，圖像既不穩(wěn)定又不清晰(見圖3)。

圖1 高密實(shí)度

圖2 密實(shí)度不足

圖3 無(wú)密實(shí)度

按照隧道混凝土反映在雷達(dá)檢測(cè)資料上的特性，可將混凝土和圍巖之間的接觸情況劃分成以下幾種類型:(1)密實(shí)。隧道混凝土和圍巖呈密實(shí)接觸關(guān)系，其反映在雷達(dá)上的圖像是電磁波同相軸具有較強(qiáng)的連續(xù)性，且反射能量不強(qiáng)，說(shuō)明這段混凝土和圍巖之間的膠結(jié)十分密實(shí)。(2)不密實(shí)。隧道混凝土和圍巖呈不密實(shí)接觸關(guān)系，其反映在雷達(dá)上的圖像是電磁波同相軸沒有連續(xù)性，且反射能量也沒有均勻分布，說(shuō)明這段混凝土和圍巖之間的膠結(jié)沒有密實(shí)度。(3)脫空。隧道混凝土和圍巖呈脫空接觸關(guān)系，其反映在雷達(dá)上的圖像是電磁波的同相軸大多連續(xù)，但寬幅反射具有較強(qiáng)的規(guī)律性，說(shuō)明這段混凝土和圍巖之間的膠結(jié)已脫空。

3 小 結(jié)

從地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)理念與實(shí)際檢測(cè)結(jié)果可以看出，地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)不僅可以檢測(cè)出隧道混凝土膠結(jié)的實(shí)際密實(shí)度，還可以檢測(cè)出隧道混凝土和圍巖之間存在的接觸關(guān)系。應(yīng)用地質(zhì)雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)工程質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)，除了可以準(zhǔn)確判斷出引水隧洞的襯砌厚度與空洞外，還可以更改參數(shù)來(lái)反復(fù)檢測(cè)同一部位，以確保檢測(cè)資料的真實(shí)性、可靠性與準(zhǔn)確性。

由本研究可知，應(yīng)用地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)對(duì)隧道襯砌質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)，具有操作簡(jiǎn)便、實(shí)用性強(qiáng)和安全性高等優(yōu)點(diǎn)，促使經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益實(shí)現(xiàn)最大化，這對(duì)于引水隧道工程的健康、持久、穩(wěn)定發(fā)展來(lái)說(shuō)具有著至關(guān)重要的作用。

［1］劉亞川，曾祥福.地質(zhì)雷達(dá)(SIR－20)在溫福鐵路隧道工程檢測(cè)中的應(yīng)用［J］.鐵道勘察，2009，(5):85－87.

［2］趙志紅.地質(zhì)雷達(dá)法在塑性混凝土墻質(zhì)量檢測(cè)中的應(yīng)用［J］.山西水利，2010，(10):43－44.

［3］高利軍，周興政.地質(zhì)雷達(dá)在長(zhǎng)河壩水電站導(dǎo)流洞中的應(yīng)用［J］.東北水利水電，2011，(4):25－28.

［4］鞏守洛.地質(zhì)雷達(dá)在隧道拱架后空腔探測(cè)中的應(yīng)用［J］.科技資訊，2011，(24):93－94.