應用地質(zhì)雷達的隧道工程質(zhì)量檢測流程與方法研究

李超

摘要：本文針對隧道工程中易出現(xiàn)襯砌厚度不夠、襯砌與圍巖間存在脫空區(qū)、塌方回填不實以致影響隧道穩(wěn)定性的問題，探討了基于地質(zhì)雷達技術(shù)的檢測方法，論文首先探討了地質(zhì)雷達檢測的基本原理，進而詳細分析了數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理、資料解譯的具體實施策略，相信對從事相關(guān)工作的同行能有所裨益。

關(guān)鍵詞：隧道工程檢測地質(zhì)雷達

中圖分類號：U456 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）07（b）-0000-00

我國是一個地域遼闊，多山的國家，交通運輸發(fā)展很快，新修建的公路為縮短建設里程、改善線路走向及保護環(huán)境將大量修建隧道，以改變那種逢山繞著走、坡陡、曲線半徑小的現(xiàn)象。隧道工程既能保證行車安全又可防止滑坡、泥石流及提高行車速度和安全的可靠性，還能與周圍環(huán)境協(xié)調(diào)，保證自然景觀的完善。修建隧道作為公路施工中的重點環(huán)節(jié)，加強質(zhì)量檢測具有重要的意義，但由于隧道支護質(zhì)量較難檢測，易給通車后的營運和安全遺留下隱患。隧道常見的問題有襯砌厚度不夠、襯砌與圍巖間存在脫空區(qū)、塌方回填不實等。由于以上問題的存在，降低了襯砌的承壓力，嚴重影響隧道的穩(wěn)定，甚至可造成拱部坍塌。如果對以上問題能及時發(fā)現(xiàn)，采取適當?shù)募庸檀胧?，可將施工中存在的質(zhì)量隱患排除在正常營運之前，確保以后隧道的正常使用。地質(zhì)雷達檢測是近年來應用于淺層探測的一項新技術(shù)，其特點是快速、無損、連續(xù)檢測，并以實時成像的方式顯示探測結(jié)果，分析、解釋直觀方便。加上其探測精度高、樣點密、工作效率高等優(yōu)勢而倍受青睞。使用地質(zhì)雷達對隧道襯砌結(jié)構(gòu)進行檢測是物探領域發(fā)展較為迅速、效果較為顯著的方法之一。

1 地質(zhì)雷達檢測的基本原理

地質(zhì)雷達設備由兩個主要部分組成，即控制主機和天線。主機提供控制信號，由天線發(fā)射、接收超高頻電磁波。電磁波從天線發(fā)出，在襯砌和圍巖內(nèi)傳播，遇到襯砌邊界、內(nèi)部裂縫、空洞和圍巖及圍巖內(nèi)界面等都會發(fā)生反射，這些反射的電磁波又傳回天線，天線接收到這些反射信號，把它傳到主機，主機對這些反射信號進行全時程數(shù)字化記錄，存儲并顯示出來。反射界面距離越遠，反射信號往返所需時間越長；反射界面越平整、面積越大和兩側(cè)的物性差異越大，反射的信號越強。通過記錄到的反射波的走時和強度數(shù)據(jù)，可以判定反射界面的位置和兩側(cè)介質(zhì)的性質(zhì)，從中得到襯砌厚度、劈裂、空洞的位置和形態(tài)、圍巖結(jié)構(gòu)狀態(tài)等參數(shù)，達到高分辨無損檢測的目的。

從該方法的原理中可以看出，要從反射信號的走時換算到空間位置，需要了解混凝土和圍巖介質(zhì)的電磁波速度，它影響到測量深度的換算精度?？諝庵须姶挪ㄋ偈?.3 m/ns，一般干燥巖石為0.11 m/ns左右，水是自然界中電磁波速最低的物質(zhì)，為空氣的1/9，約為0.033 m/ns，在混凝土中的電磁波波速為0.12 m/ns。其反射和工作原理示意圖如圖1所示。

圖1 電磁波遇到地下物體后的反射示意圖

理論研究與試件的模擬試驗證明，雷達電磁波在物體或介質(zhì)中的傳播速度隨介質(zhì)的相對介電常數(shù)的增加而降低。介質(zhì)的介電常數(shù)不僅與介質(zhì)本身的性質(zhì)有關(guān)，而且還與介質(zhì)中的含水率有關(guān)，如果襯砌孔隙較多，又充有水，那么波速會顯著降低。物性的差異反映到波速的不同，同時也影響到反射信號強度的不同。在野外工作條件下，巖石、土和混凝土等工程介質(zhì)之間都有物性差異，之間的界面都能形成反射，它們的介電常數(shù)差異不大，界面反射信號雖不太強，但地質(zhì)雷達有足夠高的靈敏度將它們辨別出來。巖石、土、混凝土等工程介質(zhì)與水、空氣、金屬之間的電磁性質(zhì)的差異極大，界面反射信號很強，極易識別。在隧道襯砌檢測中金屬構(gòu)件、飽水帶、空洞乃至劈裂空隙反映更加明顯。

2 數(shù)據(jù)的采集

當使用地質(zhì)雷達進行檢測時，發(fā)射和接收天線與隧道襯砌表面密貼，沿測線滑動，由雷達儀主機高發(fā)射雷達脈沖，進行快速連續(xù)采集。雷達每秒發(fā)射64個脈沖，每米測線約有測點40個～60個。雷達時間剖面上各測點的位置和隧道里程相聯(lián)系。為保證點位的準確，在隧道壁上每5 m做一標志，標上里程。當天線對齊某一標記時，由儀器操作員向儀器輸入信號，在雷達記錄中每5 m做一小標記，50 m或100 m的整數(shù)樁號打一個大標記。內(nèi)業(yè)整理資料時，根據(jù)標記和記錄的首、末標及工作中間核查的里程，在雷達的時間剖面圖上標明里程樁號。選擇900 MHz和500 MHz天線，其他參數(shù)為：1）采集方式：連續(xù)測量；2）掃描點數(shù)：512；3）增益方式：自動；4）900 MHz天線的時間窗（記錄長度）為15 ns，500 MHz天線的時間窗為50 ns。

3 數(shù)據(jù)的處理與資料解釋

雷達探測透視掃描的所有記錄數(shù)據(jù)，在現(xiàn)場回放并轉(zhuǎn)儲在計算機硬盤上，室內(nèi)工作使用電腦進行分析處理。數(shù)據(jù)與資料的處理基本可分為兩個階段：

（1）將記錄數(shù)據(jù)圖像回放顯示，通過分析，確認標志層與異常，確定突出異常的相關(guān)處理參數(shù)和使用程序；

（2）用雷達專用軟件進行正式處理。探地雷達所接收的是來自地下不同電性界面的反射波，電性界面包括了地質(zhì)層界面和有限目的體的界面。探地雷達透視掃描提供的二維彩色圖像，由16種色彩組成，不同色彩反映的是電磁波反射強弱的變化，即反映了不同介質(zhì)的電性差異。探地雷達掃描圖像的正確解釋是建立在探測參數(shù)選置合適，數(shù)據(jù)處理得當，有足夠的模擬試驗對比以及閱圖經(jīng)驗豐富等基礎之上。依據(jù)雷達圖像中的相位、頻率、幅值及形態(tài)等特征的不同，對雷達剖面逐一進行了分析判別；并將不同地段的時間剖面和已知資料及鉆孔資料相對比，找出了不同界面及不同地質(zhì)現(xiàn)象的反射波形特征，對混凝土厚度、襯砌周圍松散帶、圍巖松動帶和基巖裂隙帶等進行了解釋。

4結(jié)語

地質(zhì)雷達在隧道襯砌檢測過程中，能有效地探測到襯砌厚度、脫空區(qū)范圍、襯砌開裂、襯砌外圍擊巖富水等數(shù)據(jù)，對施工方采取加固措施消除隱患提供科學準確的依據(jù)，將隱患排除在隧道投入使用之前，對隧道的安全使用和正常營運起到了重要作用。隨著地質(zhì)雷達檢測技術(shù)的不斷完善和發(fā)展，地質(zhì)雷達檢測技術(shù)必將成為隧道施工質(zhì)量安全保證的必不可少的重要環(huán)節(jié)。

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