公路隧道無損檢測地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)的應(yīng)用

楊光琦

摘 要： 地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)的應(yīng)用，很大程度上保證了公路隧道建設(shè)中的安全，它準(zhǔn)確的判斷出建設(shè)中存在的安全隱患。它的應(yīng)用對于公路隧道的建設(shè)有里程碑的意義，讓我國公路隧道建設(shè)上了一個大臺階，為今后隧道的發(fā)展進(jìn)步打下了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞： 公路隧道;工程檢測;地質(zhì)雷達(dá);超前地質(zhì)預(yù)報

【中圖分類號】TU712 ? ? 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】B ? ? 【DOI】10.12215/j.issn.1674-3733.2020.26.196

引言：超前預(yù)報系統(tǒng)將在今后公路隧道的建設(shè)中被廣泛應(yīng)用，他能有效的探測地質(zhì)和水流的情況，為整個公路隧道的設(shè)計提供有力數(shù)據(jù)，保證了隧道設(shè)計的可行性。超前預(yù)報系統(tǒng)及地質(zhì)雷達(dá)超前預(yù)報系統(tǒng)相結(jié)合方式，可以相互補充它們之間的不足，避免各種突發(fā)情況帶來的損失，

1 地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)的工作原理與特點

1.1 地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)的工作原理

地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)主要就是通過電磁技術(shù)將所存在的地下物體不可見部分進(jìn)行檢測，在應(yīng)用中需要通過使用高頻電磁波以寬頻帶脈沖的形式發(fā)射到需要檢測的位置上，利用發(fā)射天線向地下或者工程結(jié)構(gòu)中發(fā)射進(jìn)去，通過電性差異可以反射到地面中，然后再利用天線接收到反射信號[1]。高頻電磁波在檢測的介質(zhì)中傳播的過程中，如果內(nèi)部所存在的電磁波強度與波形都會因為地質(zhì)的不同而呈現(xiàn)出不同的特性。電磁波在傳播的過程中如果遇到介質(zhì)均勻度較差、介質(zhì)常數(shù)存在差異而表現(xiàn)出不同的狀態(tài)，這樣就能夠通過不同的介電常數(shù)來判定其所存在的問題。所以在檢測的過程中要利用該地區(qū)的波形進(jìn)行收集、整理與分析，從而能夠準(zhǔn)確的判定內(nèi)部空間和結(jié)構(gòu)形式。但是在實踐中需要根據(jù)不同的介質(zhì)選擇合適的天線頻率。

1.2 地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)的工作特點

地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)是當(dāng)前應(yīng)用比較普遍的隱蔽探測技術(shù)，具備較高的技術(shù)水平，但是也存在一定的局限性與問題。地質(zhì)雷達(dá)具備較高的分辨率，其發(fā)射的聲波頻率越高則表示其衰減的速度就會越快整體的探測深度也會比較小，分辨率同時也會隨之降低。雷達(dá)電磁脈沖信號在進(jìn)行介質(zhì)中傳播的過程中極易受到高頻電性的影響，而探測深度與數(shù)據(jù)的精度也會受到機制的影響，比如在砂、礫石以及淡水等材質(zhì)中，在進(jìn)行檢測的過程中可以傳播超過幾十米，但是對于粘土、淤泥等介質(zhì)中只能夠傳播幾米。因此，在未來發(fā)展中還需要加強地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)的研發(fā)，要全面的提升技術(shù)水平，設(shè)備精度也需要提升。

2 超前地質(zhì)預(yù)報概述

2.1 超前地質(zhì)預(yù)報

主要內(nèi)容隧道超前地質(zhì)預(yù)報主要是預(yù)測隧道掌子面前方圍巖的地質(zhì)狀況、不良地質(zhì)體的方位、圍巖性狀、水文狀況等信息，并以此來判斷隧道圍巖級別，為隧道施工支護(hù)提供技術(shù)依據(jù)、防止可能出現(xiàn)的工程險情、確保合理的施工措施，指導(dǎo)隧道安全施工，降低施工過程中遇到的風(fēng)險，力求隧道施工更加科學(xué)合理，降低風(fēng)險的同時以便更好的服務(wù)隧道施工。

2.2 超前地質(zhì)預(yù)報主要方法

我國隧道超前地質(zhì)預(yù)報目前主要采用地質(zhì)調(diào)查法、地震波反射法（TSP）、紅外探測、超前地質(zhì)鉆探、電磁波反射法（地質(zhì)雷達(dá)）、加深炮孔探測、陸地聲納法七種方法。

3 公路隧道施工中常用的超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)

公路隧道位于地質(zhì)條件復(fù)雜的山區(qū)，在施工過程中易受地質(zhì)環(huán)境的影響，發(fā)生沉降、塌方、涌水、突泥等地質(zhì)災(zāi)害事故，造成嚴(yán)重的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。為保證公路隧道施工的安全性，有必要運用超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)，對施工區(qū)域的圍巖地質(zhì)情況進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測，將其作為調(diào)整施工方案、確定施工方法的依據(jù)。常用的超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)包括以下兩種：

3.1 TSP技術(shù)

（1）技術(shù)原理隧道地震反射地質(zhì)預(yù)報（TSP技術(shù)）借助波的傳播、反射對地質(zhì)狀況進(jìn)行預(yù)報。該技術(shù)在隧道掌子面邊墻布設(shè)多個鉆孔，并將少量炸藥填充到鉆孔內(nèi)，通過引爆炸藥模仿聲波信號發(fā)射，形成地震波。地震波在巖體內(nèi)的傳播形式為球面波，若傳播中遇到巖石物性不良介質(zhì)，即斷層、破碎帶、巖性變化等具有明顯阻抗性差異的界面，則震波會分成兩種傳播路徑反射回來，分別為向隧道前方掌子面反射、向地震檢波器反射。地震檢波器根據(jù)返回的震波信號時間和方向，自動測算巖體內(nèi)部縱波波速、橫波波速、彈性模量、泊松比，運用軟件生成圍巖剖面圖，可視化顯示巖性變化的位置。

（2）技術(shù)優(yōu)勢與判定原則

TSP技術(shù)具備地質(zhì)預(yù)報范圍大、操作簡便、預(yù)報耗時短、預(yù)報成本低、適用條件限制少、對隧道施工無影響等應(yīng)用優(yōu)勢，是一種預(yù)報不良地質(zhì)位置、產(chǎn)狀、寬度的有效物探方法。在公路隧道中，運用TSP技術(shù)進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報的判定原則為：①反射系數(shù)與波阻抗的差別會隨著反射振幅的增大而增大;②剛性巖層的判別標(biāo)準(zhǔn)為正反射振幅，軟弱巖層的判別標(biāo)準(zhǔn)為負(fù)反射振幅;③泊松比突然增大，則表明可能存在流體;④內(nèi)部縱波波速下降，則表明巖體孔隙度增加。

3.2 地質(zhì)雷達(dá)

（1）技術(shù)原理

地質(zhì)雷達(dá)是以寬帶短脈沖的形式，由掌子面向地下層發(fā)射高頻電磁波，當(dāng)高頻電磁波在傳輸中遇到不良介質(zhì)時會反射回到地面天線接收器，接收器自動記錄相關(guān)信息，可視化呈現(xiàn)雷達(dá)波面圖。高頻電磁波的傳播路徑、傳播波形以及電磁波場強度都會受到傳輸介質(zhì)不同的幾何形態(tài)、電性等因素的影響，所以運用地質(zhì)雷達(dá)方法進(jìn)行隧道地質(zhì)預(yù)報，可根據(jù)電磁波發(fā)射信號的振幅、頻率變化，對地下巖體的性質(zhì)進(jìn)行推斷[2]。

（2）技術(shù)優(yōu)勢與判定原則

地質(zhì)雷達(dá)法具備地質(zhì)預(yù)報速度快、復(fù)雜地質(zhì)反映靈敏、探測距離深、不干擾其他工程施工等技術(shù)優(yōu)勢[3]。在隧道施工中，運用地質(zhì)雷達(dá)法進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報的判定原則包括：①振幅反射波的水平越強，反射頻率越低，則判定為存在淺水面不良地質(zhì);②反射波同相軸錯斷越明顯，或反射波頻率衰減，或破碎面反射波振幅量明顯大于兩側(cè)基巖，這表明巖體存在破碎帶不良地質(zhì)。

結(jié)語：無論是超前地質(zhì)預(yù)報還是地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)，通過研究它們的檢測數(shù)據(jù)，可以準(zhǔn)確為公路隧道建設(shè)提供數(shù)據(jù)。它們的應(yīng)用極大的提高了公路隧道建設(shè)的水平，甚至可以縮短公路隧道建設(shè)的時間。它們用科學(xué)的技術(shù)，讓路隧道檢測中能夠判定隧道縫隙的位置，同時還能識別出工程存在的安全隱患問題，這對促進(jìn)公路隧道工程的建設(shè)有重要意義。

參考文獻(xiàn)

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