探地雷達(dá)技術(shù)對(duì)隧道坍塌后處理效果的檢測應(yīng)用

王大為

摘 要：以吉林省內(nèi)某高速公路建設(shè)中坍塌地質(zhì)災(zāi)害為研究，詳細(xì)探討了應(yīng)用探地雷達(dá)技術(shù)對(duì)隧道治理效果的檢測應(yīng)用。通過后期的雷達(dá)軟件分析和數(shù)據(jù)處理，結(jié)合電磁波理論的基礎(chǔ)上，準(zhǔn)確分析了塌方處理后的圖形圖像特征。工程實(shí)踐表明，雷達(dá)檢測技術(shù)不僅成熟地應(yīng)用于公路路基路面檢測中，對(duì)于隧道等地質(zhì)災(zāi)害，完全可以為評(píng)價(jià)提供科學(xué)依據(jù)，這對(duì)于保證隱蔽工程質(zhì)量、降低工程隱患具有極大的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：探地雷達(dá) 隧道 檢測

中圖分類號(hào)：U456.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）02（c）-0001-02

Abstract：The construction of a highway in Jilin Province collapse of geological disasters in the research，discussed in detail the application of ground penetrating radar technology to detect treatment effect tunnel applications.By the latter part of the radar data processing and analysis software，combined with basic electromagnetic theory，an accurate analysis of the graphics features of the collapse process.Engineering practice shows that only mature radar detection technology used in highway embankment road test，for geological disasters tunnels，can provide a scientific basis for the evaluation，which has great value for the hidden works to ensure quality，reduce project risks.

Key Words：ground penetrating radar；tunnels；detection

我省高速公路的快速發(fā)展，目前集中于東部山區(qū)的工程量相對(duì)較大。由于地質(zhì)地形條件較早些年相比更為復(fù)雜，設(shè)計(jì)中往往多采用隧道貫通的方式來解決工程問題。但由于在勘測過程中僅取其代表性結(jié)果，對(duì)具體施工中經(jīng)常出現(xiàn)不可預(yù)計(jì)的地質(zhì)變化和地質(zhì)災(zāi)害。以隧道為例，施工過程中的坍塌、涌水等地質(zhì)災(zāi)害屢見不鮮。對(duì)于這一類的工程問題，注漿回填即是一種較為常見的處理方法，但處理后的效果，塌腔內(nèi)部是否滿足安全需求，能否快速檢測出處理效果和質(zhì)量，成為當(dāng)前面臨的又一問題。

本文以某隧道ZK248+780處坍塌地質(zhì)災(zāi)害的處治和檢測為例，通過應(yīng)用探地雷達(dá)技術(shù)對(duì)注漿效果的檢測，詳細(xì)探討了該技術(shù)的檢測技術(shù)和應(yīng)用前景，以期指導(dǎo)類似工程質(zhì)量檢測問題。

1 工程背景

某隧道位于我省東部在建高速公路。該隧道噴射混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度C25，設(shè)計(jì)厚度28 cm，內(nèi)設(shè)兩層鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)格尺寸20×20 cm，Φ8圓鋼。經(jīng)現(xiàn)場咨詢了解，該隧道ZK248+782～ZK248+774拱頂部位發(fā)生小范圍坍塌。坍塌發(fā)生之后，為減少工程隱患、確保工程質(zhì)量，施工單位采取注漿回填、加強(qiáng)支護(hù)等工程手段進(jìn)行治理。初步分析為當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)及地形條件異常復(fù)雜，圍巖疏松破碎，且富水膨脹，穩(wěn)定性極差?，F(xiàn)場觀察后推測坍塌主要是由于初期支護(hù)地段圍巖受施工擾動(dòng)，同時(shí)自身巖體自穩(wěn)能力極差，再受節(jié)理裂隙水影響，層間粘結(jié)力降低，圍巖壓力增大導(dǎo)致。（坍塌現(xiàn)場見圖1、圖2）

坍塌整治之后，塌腔注漿是否飽滿，是否存在空洞，是否仍存在危害隧道安全的空洞或松散體將直接關(guān)系隧道的整體安全。為此，在建設(shè)單位、施工單位、監(jiān)理單位、檢測單位的多方研究溝通下進(jìn)行隧道局部拱頂位置探地雷達(dá)無損檢測，主要委托檢測內(nèi)容為：隧道坍塌治理效果檢測（坍塌注漿處理后飽滿度情況）。

2 檢測原理及現(xiàn)場方案

探地雷達(dá)（GPR）技術(shù)，是一種電磁波檢測技術(shù)[1～2]，它利用地下介質(zhì)對(duì)廣譜電磁波的不同頻率響應(yīng)來確定目標(biāo)介質(zhì)的分布特征，GPR工作時(shí)，向目標(biāo)體發(fā)射一個(gè)高頻電磁波的短脈沖，其中部分能量被地下具有電性差異的界面反射到地表，地表則使用一個(gè)接收器監(jiān)測反射量與接收延時(shí)的比值。向地下發(fā)射能量到接收機(jī)接收到脈沖的地下延時(shí)，是電磁波在地下介質(zhì)中的傳播速度和地下反射體深度的函數(shù)。概言之，高頻電磁波在介質(zhì)中傳播時(shí)，其波速、路徑、電磁場強(qiáng)度與波形將隨所通過介質(zhì)的電性質(zhì)及幾何形態(tài)而變化所以，通過對(duì)時(shí)域波形的采集、處理和分析，可確定地下界面或地質(zhì)體的空間位置及結(jié)構(gòu)。從工作原理來看，GPR檢測要獲得有效的反射波，目標(biāo)體與圍巖必須存在有電性差異（介電常數(shù)）的界面，界面兩側(cè)的電磁學(xué)性質(zhì)差異越大，反射波越強(qiáng)。一般情況下，空氣的相對(duì)介電常數(shù)為1.0，混凝土為6～9，水為81，巖石大于10（與其含水量相關(guān)），鋼筋為良導(dǎo)體、全反射?？梢姡淼勒涡Ч麢z測工程中，空洞與混凝土等介質(zhì)之間存在明顯的介電常數(shù)的差異，這為GPR對(duì)隧道地質(zhì)災(zāi)害整治效果檢測提供了可靠的地球物理前提。

根據(jù)接收的GPR反射波[3]，從振幅上可以判定兩側(cè)介質(zhì)的性質(zhì)：電磁波從介電常數(shù)小的介質(zhì)進(jìn)入介電常數(shù)大的介質(zhì)時(shí)，即從高速介質(zhì)進(jìn)入低速介質(zhì)時(shí)，反射系數(shù)為負(fù)，反射振幅反向；反之，反射波振幅與入射波同相。因此，坍塌地質(zhì)災(zāi)害注漿處理后注漿密實(shí)時(shí)，雷達(dá)圖像上沒有特別明顯的反射信號(hào)（無多次波），甚至沒有界面反射信號(hào)，在該情況下注漿混凝土與圍巖結(jié)合狀態(tài)較好、無空隙，圍巖與注漿液接觸密實(shí)。如果注漿處理之后仍存在空洞，由于空氣與混凝土的介電常數(shù)差異較大，在GPR檢測圖像中表現(xiàn)為界面反射信號(hào)增強(qiáng)，在界面信號(hào)下方仍存在層界面信號(hào)或繞射信號(hào)。

根據(jù)檢測任務(wù)，隧道坍塌治理效果檢測采用美國GSSI公司生產(chǎn)的SIR-10H型探地雷達(dá)，結(jié)合現(xiàn)場坍塌實(shí)際情況，現(xiàn)場檢測配備中心頻率為400 M和900 M兩組高頻天線，其中主要以400 M天線對(duì)坍塌治理后是否存在脫空等治理效果進(jìn)行檢測。

根據(jù)現(xiàn)場工作條件，結(jié)合任務(wù)要求，為檢測隧道注漿處理效果，在坍塌治理位置拱頂縱向檢測長度8 m（共4個(gè)剖面），連續(xù)采集，每2 m一個(gè)檢測剖面；橫向檢測設(shè)置10個(gè)檢測剖面，長度為以拱頂為中心，兩側(cè)各延長1米，縱向間距2 m。

3 探地雷達(dá)的檢測參數(shù)設(shè)置及結(jié)果解釋

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，結(jié)合儀器性能參數(shù)、測線布設(shè)方向及檢測范圍，具體設(shè)置如下：采樣時(shí)窗：40～80 ns；迭加次數(shù)：128；中心頻率：400 M；測點(diǎn)點(diǎn)距0.05～0.1 m。

針對(duì)采集原始資料，在室內(nèi)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了濾波、增益和反褶積處理與分析。內(nèi)業(yè)處理共分兩階段，第一階段對(duì)記錄圖像進(jìn)行回放，察視，確認(rèn)標(biāo)志層和異常，并確定詳細(xì)處理的有關(guān)參數(shù)和方法，第二階段運(yùn)用相應(yīng)RADAN軟件和計(jì)算軟件進(jìn)行相關(guān)處理，必要時(shí)采用反射回波的變換技術(shù)，多次覆蓋疊加技術(shù)，增強(qiáng)雷達(dá)圖像。（如表1、圖3、圖4）

4 結(jié)論及建議

（1）本次檢測中，由于隧道惡劣的施工環(huán)境以及檢測處于高空作業(yè)，且拱頂剖面處平整性不佳，在一定程度上對(duì)雷達(dá)檢測結(jié)果的處理和判斷上帶來了干擾，為取得有實(shí)際意義的原始資料，檢測中盡可能慢，保證雷達(dá)天線與隧道壁垂直接觸進(jìn)行采樣，并且每條測線隨時(shí)檢查，不理想時(shí)進(jìn)行往返重復(fù)檢測。

（2）對(duì)雷達(dá)圖像處理中，盡可能多的利用工作經(jīng)驗(yàn)突出有效波，壓制干擾波，使雷達(dá)圖像易于分析判斷，同時(shí)針對(duì)目標(biāo)體的不同，配置合理參數(shù)，必要時(shí)可現(xiàn)場調(diào)試，以達(dá)到最佳識(shí)別效果為目標(biāo)。

（3）通過本次檢測，探地雷達(dá)完全作為實(shí)用檢測手段，快速、準(zhǔn)確評(píng)價(jià)隧道處置效果，確保工程質(zhì)量和施工。

（4）對(duì)雷達(dá)電磁波采集中提供出的更多如波幅、衰減等信息，現(xiàn)階段數(shù)據(jù)處理中還不能夠充分利用，在今后的工作中可更進(jìn)一步研究，提高解釋水平和精度。

參考文獻(xiàn)

[1] 曾昭發(fā)，劉四新，王者江，等.探地雷達(dá)方法原理及應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，2006：207-237.

ZENG Zhao-fa，LIU S-i xin，WANG Zhe- jiang，et al.Principle and applicat ion of GPR method[M].Beijing：Science Press，2006：210-237.

[2] 陳仲侯，王興泰，杜世漢.工程與環(huán)境物探教程[M].北京：地質(zhì)出版社，1993：173-178.

CHEN Zhong-hou，WANG Xing-tai，DU Sh-i han.Tutorial on the engineer ing and envir onmental geophysics[M].Beijing：Geolog ical Publishing House， 1993：170-179.

[3] 李大心.探地雷達(dá)方法及應(yīng)用[M].北京：地質(zhì)出版社，1994：27-63.

LI Da-xin.Method and its application of GPR[M].Be-ijing：Geolog ical Publishing House，1994：28-53.

根據(jù)檢測任務(wù)，隧道坍塌治理效果檢測采用美國GSSI公司生產(chǎn)的SIR-10H型探地雷達(dá)，結(jié)合現(xiàn)場坍塌實(shí)際情況，現(xiàn)場檢測配備中心頻率為400 M和900 M兩組高頻天線，其中主要以400 M天線對(duì)坍塌治理后是否存在脫空等治理效果進(jìn)行檢測。

根據(jù)現(xiàn)場工作條件，結(jié)合任務(wù)要求，為檢測隧道注漿處理效果，在坍塌治理位置拱頂縱向檢測長度8 m（共4個(gè)剖面），連續(xù)采集，每2 m一個(gè)檢測剖面；橫向檢測設(shè)置10個(gè)檢測剖面，長度為以拱頂為中心，兩側(cè)各延長1米，縱向間距2 m。

3 探地雷達(dá)的檢測參數(shù)設(shè)置及結(jié)果解釋

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，結(jié)合儀器性能參數(shù)、測線布設(shè)方向及檢測范圍，具體設(shè)置如下：采樣時(shí)窗：40～80 ns；迭加次數(shù)：128；中心頻率：400 M；測點(diǎn)點(diǎn)距0.05～0.1 m。

針對(duì)采集原始資料，在室內(nèi)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了濾波、增益和反褶積處理與分析。內(nèi)業(yè)處理共分兩階段，第一階段對(duì)記錄圖像進(jìn)行回放，察視，確認(rèn)標(biāo)志層和異常，并確定詳細(xì)處理的有關(guān)參數(shù)和方法，第二階段運(yùn)用相應(yīng)RADAN軟件和計(jì)算軟件進(jìn)行相關(guān)處理，必要時(shí)采用反射回波的變換技術(shù)，多次覆蓋疊加技術(shù)，增強(qiáng)雷達(dá)圖像。（如表1、圖3、圖4）

4 結(jié)論及建議

（1）本次檢測中，由于隧道惡劣的施工環(huán)境以及檢測處于高空作業(yè)，且拱頂剖面處平整性不佳，在一定程度上對(duì)雷達(dá)檢測結(jié)果的處理和判斷上帶來了干擾，為取得有實(shí)際意義的原始資料，檢測中盡可能慢，保證雷達(dá)天線與隧道壁垂直接觸進(jìn)行采樣，并且每條測線隨時(shí)檢查，不理想時(shí)進(jìn)行往返重復(fù)檢測。

（2）對(duì)雷達(dá)圖像處理中，盡可能多的利用工作經(jīng)驗(yàn)突出有效波，壓制干擾波，使雷達(dá)圖像易于分析判斷，同時(shí)針對(duì)目標(biāo)體的不同，配置合理參數(shù)，必要時(shí)可現(xiàn)場調(diào)試，以達(dá)到最佳識(shí)別效果為目標(biāo)。

（3）通過本次檢測，探地雷達(dá)完全作為實(shí)用檢測手段，快速、準(zhǔn)確評(píng)價(jià)隧道處置效果，確保工程質(zhì)量和施工。

（4）對(duì)雷達(dá)電磁波采集中提供出的更多如波幅、衰減等信息，現(xiàn)階段數(shù)據(jù)處理中還不能夠充分利用，在今后的工作中可更進(jìn)一步研究，提高解釋水平和精度。

參考文獻(xiàn)

[1] 曾昭發(fā)，劉四新，王者江，等.探地雷達(dá)方法原理及應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，2006：207-237.

ZENG Zhao-fa，LIU S-i xin，WANG Zhe- jiang，et al.Principle and applicat ion of GPR method[M].Beijing：Science Press，2006：210-237.

[2] 陳仲侯，王興泰，杜世漢.工程與環(huán)境物探教程[M].北京：地質(zhì)出版社，1993：173-178.

CHEN Zhong-hou，WANG Xing-tai，DU Sh-i han.Tutorial on the engineer ing and envir onmental geophysics[M].Beijing：Geolog ical Publishing House， 1993：170-179.

[3] 李大心.探地雷達(dá)方法及應(yīng)用[M].北京：地質(zhì)出版社，1994：27-63.

LI Da-xin.Method and its application of GPR[M].Be-ijing：Geolog ical Publishing House，1994：28-53.

根據(jù)檢測任務(wù)，隧道坍塌治理效果檢測采用美國GSSI公司生產(chǎn)的SIR-10H型探地雷達(dá)，結(jié)合現(xiàn)場坍塌實(shí)際情況，現(xiàn)場檢測配備中心頻率為400 M和900 M兩組高頻天線，其中主要以400 M天線對(duì)坍塌治理后是否存在脫空等治理效果進(jìn)行檢測。

根據(jù)現(xiàn)場工作條件，結(jié)合任務(wù)要求，為檢測隧道注漿處理效果，在坍塌治理位置拱頂縱向檢測長度8 m（共4個(gè)剖面），連續(xù)采集，每2 m一個(gè)檢測剖面；橫向檢測設(shè)置10個(gè)檢測剖面，長度為以拱頂為中心，兩側(cè)各延長1米，縱向間距2 m。

3 探地雷達(dá)的檢測參數(shù)設(shè)置及結(jié)果解釋

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，結(jié)合儀器性能參數(shù)、測線布設(shè)方向及檢測范圍，具體設(shè)置如下：采樣時(shí)窗：40～80 ns；迭加次數(shù)：128；中心頻率：400 M；測點(diǎn)點(diǎn)距0.05～0.1 m。

針對(duì)采集原始資料，在室內(nèi)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了濾波、增益和反褶積處理與分析。內(nèi)業(yè)處理共分兩階段，第一階段對(duì)記錄圖像進(jìn)行回放，察視，確認(rèn)標(biāo)志層和異常，并確定詳細(xì)處理的有關(guān)參數(shù)和方法，第二階段運(yùn)用相應(yīng)RADAN軟件和計(jì)算軟件進(jìn)行相關(guān)處理，必要時(shí)采用反射回波的變換技術(shù)，多次覆蓋疊加技術(shù)，增強(qiáng)雷達(dá)圖像。（如表1、圖3、圖4）

4 結(jié)論及建議

（1）本次檢測中，由于隧道惡劣的施工環(huán)境以及檢測處于高空作業(yè)，且拱頂剖面處平整性不佳，在一定程度上對(duì)雷達(dá)檢測結(jié)果的處理和判斷上帶來了干擾，為取得有實(shí)際意義的原始資料，檢測中盡可能慢，保證雷達(dá)天線與隧道壁垂直接觸進(jìn)行采樣，并且每條測線隨時(shí)檢查，不理想時(shí)進(jìn)行往返重復(fù)檢測。

（2）對(duì)雷達(dá)圖像處理中，盡可能多的利用工作經(jīng)驗(yàn)突出有效波，壓制干擾波，使雷達(dá)圖像易于分析判斷，同時(shí)針對(duì)目標(biāo)體的不同，配置合理參數(shù)，必要時(shí)可現(xiàn)場調(diào)試，以達(dá)到最佳識(shí)別效果為目標(biāo)。

（3）通過本次檢測，探地雷達(dá)完全作為實(shí)用檢測手段，快速、準(zhǔn)確評(píng)價(jià)隧道處置效果，確保工程質(zhì)量和施工。

（4）對(duì)雷達(dá)電磁波采集中提供出的更多如波幅、衰減等信息，現(xiàn)階段數(shù)據(jù)處理中還不能夠充分利用，在今后的工作中可更進(jìn)一步研究，提高解釋水平和精度。

參考文獻(xiàn)

[1] 曾昭發(fā)，劉四新，王者江，等.探地雷達(dá)方法原理及應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，2006：207-237.

ZENG Zhao-fa，LIU S-i xin，WANG Zhe- jiang，et al.Principle and applicat ion of GPR method[M].Beijing：Science Press，2006：210-237.

[2] 陳仲侯，王興泰，杜世漢.工程與環(huán)境物探教程[M].北京：地質(zhì)出版社，1993：173-178.

CHEN Zhong-hou，WANG Xing-tai，DU Sh-i han.Tutorial on the engineer ing and envir onmental geophysics[M].Beijing：Geolog ical Publishing House， 1993：170-179.

[3] 李大心.探地雷達(dá)方法及應(yīng)用[M].北京：地質(zhì)出版社，1994：27-63.

LI Da-xin.Method and its application of GPR[M].Be-ijing：Geolog ical Publishing House，1994：28-53.