地質(zhì)雷達法在洞室回填灌漿質(zhì)量檢測中的應(yīng)用

鄭思偉

(福建省建筑科學(xué)研究院 福建省綠色建筑技術(shù)重點實驗室 福建福州 350025)

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地質(zhì)雷達法在洞室回填灌漿質(zhì)量檢測中的應(yīng)用

鄭思偉

(福建省建筑科學(xué)研究院 福建省綠色建筑技術(shù)重點實驗室 福建福州 350025)

地質(zhì)雷達法具有高分辨率、準確定位、高效率、結(jié)果直觀、實時圖象顯示等優(yōu)點，通過發(fā)射高頻寬脈沖電磁波，并在更深處的界面上產(chǎn)生反射,這樣即可得到測點上隨時間變化的反射波信號，通過數(shù)據(jù)分析得到目標體分布情況。工程實例表明，利用地質(zhì)雷達法可以探測到洞室回填灌漿質(zhì)量的密實、不密實和脫空情況，地質(zhì)雷達技術(shù)檢測速度快、效率高，可適合于現(xiàn)場的大面積快速檢測。

地質(zhì)雷達;襯砌;灌漿效果;檢測

0 引言

地質(zhì)雷達是用頻率介于106Hz～109Hz的無線電波來確定地下介質(zhì)分布的一種方法。由發(fā)射天線發(fā)射超高頻短脈沖電磁波以60°～90°的波束角向地下介質(zhì)傳播，電磁波在電性分界面產(chǎn)生反射由接收天線接收，以此得到傳播規(guī)律來探測地下介質(zhì)的分布。

隨著城市化進程，地質(zhì)雷達作為近十余年來發(fā)展較快的物探方法，以其高分辨率、準確定位、高效率、結(jié)果直觀、實時圖象顯示等優(yōu)點，受到工程技術(shù)人員的青睞。地質(zhì)雷達法應(yīng)用于基巖深度、含水量、軟土層厚度，斷裂構(gòu)造等地質(zhì)工程探查[1]，城市路面塌陷、巖溶塌陷、土洞、滑坡面等地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查[2]，地下水污染帶檢測，市政道路路面、鐵路路基、機場跑道、洞室襯砌檢測，堤壩病害，地下泄露，地下管線、既有地基基礎(chǔ)檢測及考古探查等工程質(zhì)量探測[3-6]。

1 地質(zhì)雷達基本原理

地質(zhì)雷達是以探測目標與周圍介質(zhì)的介電常數(shù)電導(dǎo)率差異為基礎(chǔ)，如圖1所示，通過發(fā)射高頻寬脈沖電磁波，并在更深處的界面上產(chǎn)生反射,這樣即可得到測點上隨時間變化的反射波信號。該信號是發(fā)射、接收天線之間地下介質(zhì)電性分布的平均影像。當發(fā)射天線和接收天線在地表沿一條測線掃描而過,可獲得測線上的一組電磁波信號,高頻電磁脈沖波對地下介質(zhì)電性差異的反射影像特征即可再現(xiàn)地下介質(zhì)的分布形態(tài)。

圖1 地質(zhì)雷達探測示意圖

大多數(shù)小的目標異常體其電性參數(shù)與背景介質(zhì)差別較大,在兩者的交界面處雷達電磁波將產(chǎn)生明顯的反射,波的運動學(xué)和動力學(xué)特征也有所不同,高分辨率、靈活的作業(yè)方式也為地質(zhì)雷達探測提供了較為理想的前提條件，并根據(jù)接收到電磁波的振幅、波形、雙程旅行時以及頻率等運動學(xué)和動力學(xué)特征來確定和推斷地下介質(zhì)結(jié)構(gòu)、地層巖性特征的一種地球物理探測技術(shù)。波的雙程走時由反射脈沖相對于發(fā)射脈沖的延時而確定。雷達圖形常以脈沖反射波的波形形式記錄。波形的正負峰分別以黑色和白色表示，或以灰階或彩色表示。這樣，同相軸或等灰度、等色線，即可形象地表征出地下反射界面。在波形記錄上，各測點均以測線的鉛垂方向記錄波形，構(gòu)成雷達剖面。同傳統(tǒng)的探空雷達不同，地質(zhì)雷達是在地下有耗介質(zhì)中傳播的，所以存在著高頻衰減[3]。雷達高頻脈沖地磁波在地下有耗介質(zhì)中傳播過程中產(chǎn)生的衰減現(xiàn)象，一般認為是由于電導(dǎo)率、介電弛豫性質(zhì)和磁弛豫性質(zhì)等多種因素引起的。

2 地質(zhì)雷達現(xiàn)場工作方法

地質(zhì)雷達法現(xiàn)場工作，必須根據(jù)探測對象的狀況及所處的地質(zhì)環(huán)境并選擇合適的測量參數(shù)，才能保證雷達記錄的質(zhì)量?，F(xiàn)場工作方法分為剖面法、多次覆蓋法和寬角法[7]。

剖面法如圖2所示，是發(fā)射天線(T)和接收天線(R)以固定間距沿測線同步移動的一種測量方式，當發(fā)射天線與接收天線間距為零，亦即發(fā)射天線與接收天線合二為一時稱為單天線形式，反之稱為雙天線形式。剖面法的測量結(jié)果可以用探地雷達時間剖面圖來表示。該圖像的橫坐標記錄了天線在地表的位置；縱坐標為反射波雙程定時，表示雷達脈沖從發(fā)射天線出發(fā)經(jīng)地下界面反射回到接收天線所需的時間。這種記錄能準確反映測線下方地下各反射界面的形態(tài)。 多次覆蓋法如圖3所示，利用不同天線距的發(fā)射-接收天線在同一測線上進行里復(fù)測量，然后把測量記錄中相同位置的記錄進行疊加，這種記錄能增強對深部地下介質(zhì)的分辨能力。

圖2 地質(zhì)雷達剖面法示意圖

圖3 地質(zhì)雷達多次覆蓋法示意圖

當一個天線固定在地面某一點上不動，而另一個天線沿測線移動，記錄地下各個不同界面反射波的雙程走時，這種測量方式稱為寬角法，這種測量方式的目的是求取地下介質(zhì)的電磁波傳播速度。

3 地質(zhì)雷達特征圖像

經(jīng)處理的地質(zhì)雷達資料，通過觀察反射波組的波形與強度特征及通過同相軸的追蹤，介面出現(xiàn)繞射波、多次反射波，同相軸呈弧形，并與相鄰道之間發(fā)生相位錯位，反射信號明顯增強。對常見的洞室回填灌漿質(zhì)量地質(zhì)雷達法檢測圖像進行歸納分為密實、不密實和脫空[8]。

曲線信號平穩(wěn)沒有明顯的反射界面，則該處回填灌漿質(zhì)量為密實,如圖4所示。

而襯砌中及襯砌與圍巖之間界面的強反射信號同相軸呈繞射弧形，且不連續(xù)、較分散，如圖5所示，則為不密實。

圖4 洞室回填灌漿質(zhì)量密實地質(zhì)雷達特征圖

圖5 洞室回填灌漿質(zhì)量不密實地質(zhì)雷達特征圖

對于襯砌與圍巖之間界面反射信號強，繞射現(xiàn)象明顯，在其下部仍有反射界面信號，兩組信號時差較大則判定為脫空，如圖6所示。

圖6 洞室回填灌漿脫空地質(zhì)雷達特征圖

4 工程實例及結(jié)果分析

4.1 工程實例1

某水域建設(shè)調(diào)蓄水庫3座，截引點5處，截引支線總長17.55km；隧洞11條，總長約36km，單洞長0.54km～10.7km；壓力輸水管道11段，總長約38km；加壓泵站3座；工程等級為Ⅲ等中型工程。屬低中山地貌單元。總體地形為西高東低，北高南低。地震基本烈度為Ⅷ度，屬抗震不利地段。11條隧洞已基本全線貫通，正在進行襯砌工作，采用地質(zhì)雷達法檢測洞室回填灌漿質(zhì)量。

對3#洞進行地質(zhì)雷達法檢測，測線布置如圖7所示，洞隧洞拱頂布置1條縱測線，沿隧洞軸線每隔100m布置1條橫測線，橫測線長度為拱頂120°范圍內(nèi)，對發(fā)現(xiàn)異常的區(qū)域可進行加密檢測。

圖7 地質(zhì)雷達法測線布置示意圖

對探測數(shù)據(jù)進行了整理、分析，發(fā)現(xiàn)有2處異常區(qū)域，具體異常分布情況如下：

如圖8樁號25+533.5～25+535.5處，襯砌與圍巖之間發(fā)現(xiàn)不密實異常。

圖8 樁號25+533.5～25+535.5地質(zhì)雷達特征圖

樁號25+847～25+850.5處，異常信號顯示含水較大，推測襯砌與圍巖之間不密實，如圖9所示。

圖9 樁號25+847～25+850.地質(zhì)雷達特征圖

4.2 工程實例2

某電站壩后量水堰經(jīng)過化學(xué)灌漿和水泥灌漿施工后，訊后邊墻及頂拱混凝土滲水、裂縫較多，因此需要對中孔泄洪洞洞身及頂拱及邊墻進行檢測，采用地質(zhì)雷達及面波法探査該部位混凝土襯砌質(zhì)量(主要是脫空缺陷)及洞壁巖體可能存在的裂隙、裂縫、洞穴等地質(zhì)問題。

測線分布如圖10所示，雷達法測線4條Z1、Z2、Z3、Z4，面波法測線2條Z1、Z3。

圖10 測線布置縱剖示意圖

測線Z1既有地質(zhì)雷達法也有面波法，現(xiàn)以測線Z1為例，說明地質(zhì)雷達應(yīng)用效果。

地質(zhì)雷達圖像特征如圖10所示，面波法檢測結(jié)果如圖11～圖12所示，在地質(zhì)雷達特征反應(yīng)脫空的情況，面波法也有相對應(yīng)的低速異常區(qū)，二者情況吻合，由此判斷在Z1測線存在以下缺陷：

混凝土不密實及透水帶：16.0m～18.0m、深度1.0m～1.5m處；64.0m～77.0m、深度1.0m～1.5m處?；炷烈r砌背后脫空及圍巖灌漿不密實區(qū)：19.0m～34.0m、深度1.5m～2.5m處； 53.0m～82.0m、深度1.5m～2.5m處。

圖11 Z1測線地質(zhì)雷達成果圖

圖12 Z1測線面波成果圖

5 結(jié)論

(1)利用地質(zhì)雷達法檢測洞室回填灌漿質(zhì)量檢測,可以探測到空洞、不密實體及脫空缺陷體，采用地質(zhì)雷達探測方法有效可靠。

(2)地質(zhì)雷達技術(shù)檢測速度快、效率高，可適合于現(xiàn)場的大面積快速檢測。

(3)可以利用其它檢測方法對比地質(zhì)雷達檢測結(jié)果，加強后期施工過程質(zhì)量控制和施工后質(zhì)量檢測工作，保證施工質(zhì)量。

[1] 王晉國,于曉明,徐春龍,等.應(yīng)用探地雷達數(shù)據(jù)提取填土路基含水量的方法[J].西北大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2010,40(1):61-65.

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[3] 鄧啟華.高速公路路基空洞地質(zhì)雷達(GPR)探測方法研究[C]//全國地基基礎(chǔ)與地下工程技術(shù)交流會.2015.

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The application of ground penetrating radar in the detection of backfill grouting effect

ZHENGSiwei

(Fujian Academy of Building Research, Fujian Key Laboratory of green building technology，F(xiàn)uzhou 350025)

Ground penetrating radar has the advantages of high resolution, accurate positioning, high efficiency, intuitive, real-time image display.The high frequency pulse electromagnetic wave is transmitted and the reflection is generated on the interface in a deeper depth, so that the reflected wave signal with time variation can be obtained.The study showed that the geological radar method can detect underground backfill grouting effect of compaction, density and void, geological radar detection speed, high efficiency, suitable for rapid detection in the field of large area.

Ground penetrating radar; Lining; Grouting effect; Detection

鄭思偉(1990.5- )，男，助理工程師。

E-mail:469583413@qq.com

2017-03-27

P225.7

A

1004-6135(2017)08-0121-04