地質(zhì)雷達在水利工程隧洞檢測中的應(yīng)用

張於祥

（新疆水利水電勘測設(shè)計研究院物探隊，新疆 昌吉 831100）

地質(zhì)雷達在水利工程隧洞檢測中的應(yīng)用

張於祥

（新疆水利水電勘測設(shè)計研究院物探隊，新疆 昌吉 831100）

簡述采用地質(zhì)雷達檢測水利工程隧洞襯砌質(zhì)量的原理及方法，結(jié)合某水電站引水發(fā)電洞實例，介紹了探地雷達探測剖面圖的解讀方法。實踐證明：地質(zhì)雷達對隧洞混凝土鋼筋分布、混凝土厚度及襯砌質(zhì)量探測效果較好。

地質(zhì)雷達；隧洞襯砌；質(zhì)量檢測

地質(zhì)雷達技術(shù)較早應(yīng)用于探測地下目標，近年來隨著電子技術(shù)及方法的進步，地質(zhì)雷達在地基調(diào)查、洞穴探測、考古研究、道路無損檢測、隧道檢測等領(lǐng)域有了廣泛應(yīng)用。而水利工程施工過程中隧洞初期噴護、襯砌質(zhì)量直接關(guān)系到隧道的安全，在噴護、襯砌施工、隧道驗收過程中除現(xiàn)場嚴格控制及監(jiān)理監(jiān)督外，地質(zhì)雷達檢測隧洞襯砌厚度及是否存在空腔有利于隧洞安全。本文結(jié)合實例介紹地質(zhì)雷達在水利工作隧洞空腔檢測中的應(yīng)用。

1 基本原理[1]

地質(zhì)雷達也稱探地雷達，是利用高頻電磁波束在界面上的反射來探測有關(guān)目的物，其發(fā)射的脈沖電磁波訊號中心頻率為12.5～1 200 MHz、脈沖寬度為0.1 ns。地質(zhì)雷達由主機、發(fā)射天線和接收天線組成，通過發(fā)射機發(fā)射短脈沖電磁波經(jīng)發(fā)射天線輻射傳入大地，電磁波在傳播過程中遇到介質(zhì)不同分界面被發(fā)射回地面并被接收，根據(jù)接收回來的信號和傳播時間來判斷電性界面的存在及其埋深。地質(zhì)雷達探測主要取決于地下目標體與周圍介質(zhì)的電性差異、電磁波的衰減程度、目標體的埋深以及外部干擾的強弱等；其中介質(zhì)的介電常數(shù)是影響電磁波傳播的主要因素，從而影響雷達檢測的準確。天線中心頻率的選擇影響能探測到的地下目的體的深度，在滿足場地條件及分辨率的情況下應(yīng)使用中心頻率較低的天線，隧洞檢測工程中500～1 000 MHz中心頻率一般情況都能滿足要求。雷達測試是由發(fā)射天線送入地下，經(jīng)目的體反射回地面由接收天線接收，根據(jù)地下介質(zhì)的波速及測試所得時間求出目的體的深度（見圖1）。

探地雷達脈沖波旅行時表示為：

式中：t——電磁波雙程走時；

Z——反射體的深度；

V——地下介質(zhì)中的波速；

X——發(fā)射與接收天線的距離。

圖1 探地雷達檢測原理示意圖

2 野外數(shù)據(jù)采集及資料解釋[1、2]

2.1 野外數(shù)據(jù)采集

野外工作采用剖面法，測試方式為反射觀測法，即雷達天線（發(fā)射和接收天線固定距離在同一裝置里）貼壁沿測線移動進行觀測。雷達測試一般采用連續(xù)測試，工作中根據(jù)目的任務(wù)布設(shè)測線。首先在已知地質(zhì)條件處來回調(diào)試儀器參數(shù)，選擇合適的介電常數(shù)、采集時窗、各層增益與天線頻率等；再利用裝載機等使人員能夠把雷達天線緊貼洞壁，測試時手動操作進行樁號標記，通過移動慢速向前測試，得到整個斷面數(shù)據(jù)。

2.2 資料解釋

雷達成果圖像常以脈沖反射波的波形來記錄，以反射波彩色圖像形式來顯示探地雷達的探測剖面圖。由于受襯砌層、鋼筋網(wǎng)、混凝土材料、施工情況等因素影響，使得各介質(zhì)產(chǎn)生一定的介電常數(shù)差異，當(dāng)雷達電磁波穿透各層介質(zhì)時就會在接觸面上產(chǎn)生反射，形成一個同相位且連續(xù)的反射波界面。當(dāng)介質(zhì)間介電常數(shù)及范圍差異越大時，其反射界面越強，反之則反射越不明顯。解釋時根據(jù)已知情況與測試圖像的時間和深度參數(shù)去判斷目的層，通過圖像反應(yīng)襯砌層底部界面下存在的強反射相位的強弱來判斷是否存在空腔或混凝土體收縮縫隙。水利工程隧洞檢測中底部界面通常可追蹤到同相軸，以此判斷襯砌及各界面厚度；若初步襯砌與原始巖體之間存在空腔，則測試圖像中存在強反射信號或繞射信號、振幅相位有明顯變化、相位不連續(xù)、形成雙曲線反映；襯砌中存在鋼筋時，雷達信號為月牙形或點狀強反射、曲線均勻密集相位不連續(xù)。

3 工程實例

某水電站引水發(fā)電洞全長4 509.724m，隧洞洞徑6.7m，設(shè)計襯砌厚度在40～60cm，洞線巖體片理較發(fā)育，巖性主要為灰色斜長二云母石英片巖、黑云母石英片巖，隧洞一襯為噴射混凝土襯，二襯為混凝土襯，內(nèi)設(shè)鋼筋網(wǎng)。工程施工由于受圍巖開挖及施工等因素影響，在噴混、二次襯砌時可能存在一定程度的襯砌厚度不足、空洞、鋼筋網(wǎng)錯斷等問題，隧洞部分樁號段洞頂可見掉塊、滲水。為判斷隧洞施工襯砌灌漿后洞頂原始巖體與混凝土之間是否存在空腔，對部分樁號段洞頂軸線進行了雷達檢測。采用LTD-2000型探地雷達進行檢測工作，介電常數(shù)采用6，采樣時窗為32 ns，雷達天線頻率采用500 MHz天線，其測試成果見圖2～4。

圖2 0+000～0+030樁號雷達檢測成果圖

圖3 0+050～0+090樁號雷達檢測成果圖

圖4 0+100～0+105樁號雷達檢測成果圖

由圖2可見：在電磁波雙程走時0.5 ns左右有一連續(xù)較強反射界面，根據(jù)其表現(xiàn)形式并結(jié)合開工前試驗結(jié)果判斷為空氣與混凝土之間因介電常數(shù)差異大而形成的反射。在時間標尺4 ns和7.5 ns左右處有反射信號相對較強且呈現(xiàn)點狀的反射波界面，這是因混凝土與鋼筋網(wǎng)之間的介電常數(shù)差異很大而且鋼筋網(wǎng)之間相互影響形成。在時間標尺17 ns左右處有一連續(xù)反射信號較強的反射波界面，這是因混凝土與圍巖之間波速差異大而使得介電常數(shù)差異很大。

由圖3可見：在電磁波雙程走時4 ns左右有一連續(xù)較強反射界面，根據(jù)其時間可推斷為空氣與襯砌表層形成的強反射。在時間標尺9 ns和13 ns左右處有反射信號強呈現(xiàn)點狀且振幅較大的反射界面，根據(jù)施工設(shè)計情況與所得時間標尺可知為襯砌內(nèi)鋼筋網(wǎng)的反映。在時間標尺19 ns左右處有一連續(xù)反射信號較強的反射波界面，根據(jù)時間與深度推斷為襯砌底界面反映。因空腔常形成于襯砌底界面與原始巖體之間，推斷在樁號0+060～0+068、0+073～0+078、0+080～0+084時間標尺21 ns處形成的反射信號強烈又與兩側(cè)相位錯斷無法追蹤到同相位的反射界面為異常反映；根據(jù)空腔雷達圖像多為雙曲線反映，而測試所得異常為直線強反射，推測異常范圍較小為施工后混凝土收縮形成的空隙。

由圖4可見：樁號段下方有一反射相位錯斷，繞射較多且凌亂的區(qū)域。由于破碎帶內(nèi)介質(zhì)體的介電常數(shù)分布不均勻，電磁波在穿過此介質(zhì)時就會形成多個反射界面，使得雷達剖面圖上表現(xiàn)為相位雜亂、錯斷、不連續(xù)的強反射能量團，明顯與上部介質(zhì)的連續(xù)信號不同。因此，推斷下部異常區(qū)域為破碎帶反映。后由施工地質(zhì)資料知此區(qū)域原先巖體破碎，表層經(jīng)過噴混和灌漿，使得測試顯示表層巖體較完整。

4 結(jié)語

通過上述工程實踐可以看出：地質(zhì)雷達對于隧洞襯砌淺部空腔、金屬等探測效果良好，但也存在異常信號放大、介電常數(shù)無法準確取值等缺點，以至于對異常的范圍圈定誤差較大。因此，在綜合分析成果時必須結(jié)合現(xiàn)場資料，收集和排除目標體以外產(chǎn)生的異常，才能提高解釋的精度。

[1] 雷 宛，肖宏躍，鄧一謙.工程與環(huán)境物探教程[M].北京：地質(zhì)出版社，2006.

[2]SL326-2005，水利水電工程物探規(guī)程[S].

（責(zé)任編輯：周 群）

Application of geological radar in tunnel examination of hydraulic project

ZHANG Yu-xiang
（Geophysical Prospecting Team of Water Conservancy and Hydropower Survey and Design Institute of Xinjiang，Changji 831100，China）

A brief introduction was made on the principle and method of examining tunnel lining of hydraulic proj?ect with geological radar.Taking the power diversion tunnel of a hydropower project as example，the author ex?plains the interpreting of sectional graphs out of geological radar.The results of practice demonstrate that geological radar has good prospecting effects for examination of steel bar distribution，concrete thickness and lining quality.

Geological radar；tunnel lining；quality examination

P631.325；TV523

B

1003-1510（2016）05-0032-04

2016-04-12

2016-06-30

張於祥（1988-），男，江西贛州人，新疆水利水電勘測設(shè)計研究院物探隊助理工程師，學(xué)士，主要從事水利水電工程物探勘察及物探檢測工作。