隧道監(jiān)測(cè)中地質(zhì)雷達(dá)的應(yīng)用分析

陶雄　王朝龍　李艷

（云南航天工程物探檢測(cè)股份有限公司　云南　昆明　650217）

隧道監(jiān)測(cè)中地質(zhì)雷達(dá)的應(yīng)用分析

陶雄王朝龍李艷

（云南航天工程物探檢測(cè)股份有限公司云南昆明650217）

我國(guó)經(jīng)濟(jì)正在飛速發(fā)展，新建隧道工程越來(lái)越多，隧道開(kāi)挖過(guò)程中，運(yùn)用雷達(dá)能夠提前探測(cè)隧道內(nèi)部情況，提供準(zhǔn)確的地質(zhì)資料，供設(shè)計(jì)師和施工人員及時(shí)調(diào)整施工方案，減少隧道挖掘中事故的發(fā)生。地質(zhì)雷達(dá)能夠廣泛應(yīng)用到隧道地質(zhì)勘探中，主要是由于雷達(dá)能夠精確、快速的探測(cè)隧道前方地質(zhì)情況，能夠通過(guò)傳感系統(tǒng)傳輸?shù)綀D像上，使人們能夠直觀分析隧道前方的情況。

地質(zhì)雷達(dá)；超前地質(zhì)預(yù)報(bào)；電磁波；介電常數(shù)

地質(zhì)雷達(dá)是一種利用電磁波高效、便捷、直觀、準(zhǔn)確的反應(yīng)出隧道內(nèi)部情況的技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于隧道地質(zhì)勘察、巖土檢測(cè)等方面。近幾年地質(zhì)雷達(dá)的運(yùn)用十分廣泛，在探測(cè)領(lǐng)域發(fā)展非常迅速。地質(zhì)雷達(dá)能夠?qū)σ呀ǔ苫蛘呓ㄔO(shè)中隧道情況進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)，對(duì)隧道施工具有一定指導(dǎo)作用，質(zhì)量檢測(cè)人員可以通過(guò)地質(zhì)雷達(dá)對(duì)混凝土密實(shí)度、隧道斷面尺寸、鋼筋架結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行檢測(cè)，預(yù)報(bào)施工質(zhì)量，指導(dǎo)以后施工方向，有力控制隧道工程質(zhì)量，保證使用安全性。

1　地質(zhì)雷達(dá)在隧道工程中提前預(yù)報(bào)的意義

我國(guó)處在經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的時(shí)期，每年有很多公路、鐵路都在建設(shè)中，國(guó)家對(duì)建設(shè)工程的投資巨大，目的是快速提高全國(guó)交通運(yùn)輸能力，加快偏遠(yuǎn)地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。對(duì)于崇山峻嶺中修建公路工程，考驗(yàn)著我國(guó)設(shè)計(jì)師和施工人員的技術(shù)，同時(shí)對(duì)施工設(shè)備的要求也越來(lái)越高。

1.1安全性

隧道施工過(guò)程中最大的障礙，就是難以勘察其地質(zhì)情況，設(shè)計(jì)師無(wú)法判斷地質(zhì)情況，設(shè)計(jì)出來(lái)的施工方案充滿(mǎn)不確定因素，而地質(zhì)雷達(dá)能夠解決這一難題。通過(guò)電磁波探測(cè)前方隧道中存在不良地質(zhì)因素，避免施工過(guò)程中遇到斷層、暗河造成人員傷亡，可以提高工程效率減少事故發(fā)生[1]。

1.2經(jīng)濟(jì)性

以往的勘探方式在可靠性和安全性上都難以滿(mǎn)足，地質(zhì)雷達(dá)的應(yīng)用，簡(jiǎn)化了地質(zhì)勘探步驟，減小隧道工程師的工作難度，對(duì)于施工企業(yè)在人力、物力、時(shí)間等各方面都能夠明顯減少消耗，將更多資源運(yùn)用到更需要的地方。隨著科技的發(fā)展，地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)的功能會(huì)越來(lái)越強(qiáng)大，大幅度降低工程造價(jià)，工作效率會(huì)大大提高。

2　地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

地質(zhì)雷達(dá)作為高科技的產(chǎn)物，可以用于隧道工程、建筑工程、環(huán)境工程等地質(zhì)探測(cè)領(lǐng)域。地質(zhì)雷達(dá)適用于確定地下介質(zhì)分布的無(wú)損探測(cè)儀器，能夠通過(guò)電磁波脈沖對(duì)地下情況進(jìn)行探測(cè)，在80年代的法國(guó)就已經(jīng)開(kāi)始采用地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)為隧道工程服務(wù)，發(fā)出的電磁脈沖通過(guò)地下介質(zhì)反射上來(lái)，由其接收，然后分析處理成圖像形式并顯示出來(lái)。我國(guó)的專(zhuān)家學(xué)者們也在進(jìn)行雷達(dá)地質(zhì)勘探實(shí)驗(yàn)，到90年代以后，一大批我國(guó)的地質(zhì)雷達(dá)研究工作者取得滿(mǎn)意的成果。

2.1襯砌背后空洞檢測(cè)

在隧道開(kāi)挖以后發(fā)現(xiàn)前方有破碎層或者無(wú)法繼續(xù)施工的情況時(shí)，必須采取回填方式，而回填方式處理不當(dāng)會(huì)造成襯砌背后空洞，影響隧道安全。采用地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)，針對(duì)回填部分進(jìn)行檢測(cè)，確定回填處理是否完善，及時(shí)采取補(bǔ)救措施，保證襯砌內(nèi)緣不會(huì)出現(xiàn)壓裂、掉塊等現(xiàn)象，保證隧道安全。

2.2層間脫空檢測(cè)

層間脫空是指，隧道頂部的混凝土存在自重影響，與周?chē)r砌及圍巖的咬合度不夠，造成兩者之間產(chǎn)生空隙。雷達(dá)監(jiān)測(cè)技術(shù)針對(duì)這種情況進(jìn)行探測(cè)，并將探測(cè)結(jié)果反映到圖像上。工程人員對(duì)隧道拱頂、拱腰處設(shè)置均勻測(cè)線，使雷達(dá)能夠?qū)娱g脫空地段進(jìn)行掃描，即可讓施工人員進(jìn)行精確定位檢修[2]。

2.3襯砌厚度檢測(cè)

襯砌厚度是決定隧道工程質(zhì)量的重要指標(biāo)，雷達(dá)可以通過(guò)傳輸電磁波到隧道圍巖、初襯以及二襯，通過(guò)反射到表面的時(shí)間計(jì)算出襯砌厚度。目前，部分隧道工程采用檢測(cè)初襯和二襯之間的金屬反射片，通過(guò)反射片使雷達(dá)接受的電磁波信號(hào)更加精確，提高地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)的精確度。

2.4支護(hù)結(jié)構(gòu)質(zhì)量檢測(cè)

對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的檢測(cè)主要對(duì)其應(yīng)受力、原材料質(zhì)量、結(jié)構(gòu)厚度和強(qiáng)度等方面。雷達(dá)通過(guò)接收鋼筋、型鋼拱架及二襯對(duì)接收的電磁波程度強(qiáng)弱，并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析得出有關(guān)支護(hù)結(jié)構(gòu)的信息。雷達(dá)還需要檢測(cè)襯砌內(nèi)鋼支撐結(jié)構(gòu)性能，檢查其是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

3　地質(zhì)雷達(dá)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的原理及發(fā)展

3.1地質(zhì)雷達(dá)系統(tǒng)的工作原理

地質(zhì)雷達(dá)是通過(guò)高頻電磁波探測(cè)地下介質(zhì)情況的檢測(cè)系統(tǒng)。通過(guò)自身發(fā)出電磁波和接受反射電磁波信號(hào)，分析回波能量，形成數(shù)據(jù)信息。介質(zhì)的差異會(huì)導(dǎo)致反射電磁波變化，所以對(duì)接收到的電磁信號(hào)進(jìn)行基本分析，就可以推斷出目標(biāo)地點(diǎn)的空間結(jié)構(gòu)。其公式表示為：

式中：h為地層的厚度；x為發(fā)射線和接收天線之問(wèn)的距離；v為地層介質(zhì)的電磁波的傳播速度，其x、v和t為已知數(shù)據(jù)。

3.2電磁波的反射與折射

雷達(dá)在探測(cè)過(guò)程中會(huì)遇到不同的反射與折射，主要是因?yàn)槠涮綔y(cè)的介質(zhì)屬性不一致。通過(guò)不同介質(zhì)的反射定理，能夠?qū)λ淼乐胁涣纪馏w進(jìn)行預(yù)測(cè)。

其反射系數(shù)為R，折射系數(shù)為T(mén)，a，b為介質(zhì)的介電常數(shù)：

通過(guò)公式可以看出介電常數(shù)的差異那個(gè)能夠影響探測(cè)系數(shù)。其差異越大，探測(cè)結(jié)果更加強(qiáng)清晰，這是地址雷達(dá)探測(cè)分析的基礎(chǔ)公式。

3.3探測(cè)方法

探測(cè)時(shí)將儀器緊貼于探測(cè)表面，然后發(fā)射探測(cè)信號(hào)，向巖土體內(nèi)部連續(xù)不斷的發(fā)射電磁波脈沖。直到電磁波遇到介質(zhì)干擾，就會(huì)將介質(zhì)性質(zhì)反射回地面，儀器的接收天線接收到反射信號(hào)后記錄，收到反射波時(shí)間和反射波振幅等數(shù)據(jù)變化。然后雷達(dá)內(nèi)部處理器將接收到的數(shù)據(jù)形成地質(zhì)探測(cè)時(shí)間剖面圖，通過(guò)坐標(biāo)圖的橫軸和數(shù)軸，反應(yīng)不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)上雷達(dá)發(fā)出電磁波經(jīng)由介質(zhì)反射會(huì)接收器的雙程走向。能準(zhǔn)確的反應(yīng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)前方物體的物理性質(zhì)和反射面的變化[3]。針對(duì)地形條件復(fù)雜的地方可以進(jìn)行反復(fù)測(cè)量，通過(guò)多次探測(cè)數(shù)據(jù)分析監(jiān)測(cè)點(diǎn)的地質(zhì)條件。

3.4探測(cè)數(shù)據(jù)處理技術(shù)

地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)發(fā)出的電磁波波長(zhǎng)都是由人為控制，電磁波在傳遞過(guò)程中，其能量會(huì)衰減，反射過(guò)程中電磁波能量均被介質(zhì)吸收。而且地下未知物質(zhì)的性質(zhì)施工人員不得而知，這些因素都會(huì)造成放射數(shù)據(jù)失去精確性，所以探測(cè)儀對(duì)數(shù)據(jù)的處理技術(shù)需要達(dá)到使用要求。

3.4.1數(shù)字濾波

雷達(dá)監(jiān)測(cè)過(guò)程中，通常使用髖頻帶記錄數(shù)據(jù)，目的是保證反射數(shù)據(jù)的真實(shí)性，同時(shí)還可以記錄傳輸過(guò)程中產(chǎn)生干擾的電磁波種類(lèi)。所以數(shù)字濾波技術(shù)是用來(lái)壓制不同介質(zhì)產(chǎn)生的干擾波，具有良好的效果[4]。

數(shù)字濾波是通過(guò)數(shù)學(xué)計(jì)算方式對(duì)離散數(shù)據(jù)進(jìn)行過(guò)濾，保證雷達(dá)最高精確度，采樣間隔必須滿(mǎn)足數(shù)學(xué)定律：

3.4.2反濾技術(shù)

雷達(dá)探測(cè)發(fā)出脈沖形狀的理想狀態(tài)是一個(gè)見(jiàn)脈沖，由于現(xiàn)實(shí)條件限制，導(dǎo)致實(shí)際變成具有一定時(shí)間延續(xù)的波形b。根據(jù)有關(guān)計(jì)算式反應(yīng)得出：

一般情況下反射波的延續(xù)周期為10～20ns，間隔不大的情況下，中間細(xì)微的差別很難在圖像中反應(yīng)出來(lái)。

3.5未來(lái)發(fā)展前景

我國(guó)已經(jīng)在隧道預(yù)測(cè)地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)方面有一定的成果，但是還存在需要完善的地方。比如，針對(duì)隧道環(huán)境較差的地方，提高雷達(dá)抗干擾能力，降噪能力加強(qiáng)，識(shí)別雷達(dá)圖中異常點(diǎn)。深入探討雷達(dá)數(shù)據(jù)處理技術(shù)中的缺陷，提高反射回波的分析能力，對(duì)于巖體不良地質(zhì)較多的地段進(jìn)一步完善，此外對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性還需要在實(shí)際工作中不斷驗(yàn)證[5]。

4　結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，隧道中地質(zhì)雷達(dá)這一新科技手段能夠提高隧道工程師的工作效率。其優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)都十分明顯，操作簡(jiǎn)單、分辨率高、屏蔽效果好，所呈現(xiàn)的圖像直觀便于分析，能夠快速了解地質(zhì)情況，及時(shí)解決問(wèn)題。在隧道勘察工作中起到積極的指導(dǎo)作用，同時(shí)能夠?qū)λ淼拦こ痰馁|(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)。對(duì)于隧道工程具有重大意義，所以地質(zhì)雷達(dá)的應(yīng)用很大程度上提高施工質(zhì)量。同時(shí)通過(guò)采取該手段進(jìn)行檢測(cè)可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、及時(shí)處理問(wèn)題。在對(duì)保證隧道施工質(zhì)量控制起到有效的監(jiān)督作用.對(duì)后續(xù)施工起到警示作用。確保隧道的施工質(zhì)量。

[1]張晨.隧道二次襯砌檢測(cè)中地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)處理方法研究[J].華中科技大學(xué)，2009，25（10）：76.

[2]李磊，陳光榮，楊燕偉，等.基于TRT6000彈性波反射法、地質(zhì)雷達(dá)法、地質(zhì)編錄的隧道綜合超前預(yù)報(bào)技術(shù)研究[A].//2011年全國(guó)大壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)與應(yīng)用學(xué)術(shù)交流會(huì)論文集[C].2011：91～96.

[3]YUJun，喻軍，LIUSongyu等.地質(zhì)雷達(dá)在隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)中的應(yīng)用研究[J].第六屆江蘇省巖土力學(xué)與工程，2009，24（5）：74～78.

[4]袁地鏡，王磊，李亞林等.地質(zhì)雷達(dá)在薛城隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)中的應(yīng)用[J].山西建筑，2010，36（27）：309～311.

[5]魯光銀，韓旭里，朱自強(qiáng)，等.綜合探測(cè)技術(shù)在公路隧道泥涌災(zāi)害治理中的應(yīng)用[J].防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)報(bào)，2009，25（3）：239～243.

U453.3

A

1673-0038（2015）25-0272-02

2015-6-4

陶雄（1985-），男，云南宣威人，助理工程師，本科，從事工程檢測(cè)工作。

王朝龍（1986-），男，云南保山人，助理工程師，本科，從事工程檢測(cè)工作。