地質(zhì)雷達(dá)在礦山隧道襯砌質(zhì)量檢測(cè)中的應(yīng)用

蔣嬋君，韋明新，王海燕

（桂林理工大學(xué)博文管理學(xué)院，廣西 桂林 541004）

近年來(lái)，隨著我國(guó)交通、水利、礦山工程建設(shè)等大型基礎(chǔ)工程施工力度不斷加大的情況下,礦山隧道施工活動(dòng)也越來(lái)越多[1]?；炷烈r砌是礦山隧道的主要承載結(jié)構(gòu)，也是其防水的重要工程，其施工質(zhì)量的好壞對(duì)礦山隧道的長(zhǎng)期穩(wěn)定、使用功能的正常發(fā)揮具有很大的影響。礦山隧道混凝土襯砌常見(jiàn)的質(zhì)量問(wèn)題有：襯砌厚度不達(dá)標(biāo)、塌方回填不密實(shí)、空洞未注漿處理、襯砌與圍巖之間有脫空、金屬架支撐數(shù)量不足等。

選用合適的礦山隧道質(zhì)量檢測(cè)方法找出安全隱患就顯得非常重要，傳統(tǒng)的破損檢測(cè)弊端太多，不僅容易造成新的缺陷，而且很難對(duì)礦山隧道襯砌質(zhì)量做出完整有效、廣泛和快速的檢測(cè)[2]。

而地質(zhì)雷達(dá)是礦山隧道襯砌無(wú)損質(zhì)量檢測(cè)中發(fā)展最為速和效果最顯著的方法之一。

地質(zhì)雷達(dá)方法運(yùn)用電磁波進(jìn)行地表淺層探測(cè)，可以實(shí)時(shí)成像方便當(dāng)場(chǎng)分析和判斷探測(cè)深度，直觀快捷的解釋圖形信息，擁有方便快捷、可重復(fù)檢測(cè)、無(wú)損、準(zhǔn)確率高、樣點(diǎn)分布密、工作效率高等特點(diǎn)，使其在礦山隧道工程質(zhì)量檢測(cè)中可以廣泛應(yīng)用[3,4]。

1 地質(zhì)雷達(dá)工作原理

地質(zhì)雷達(dá)利用超高頻電磁波探測(cè)地下介質(zhì)分布，它的基本原理是：發(fā)射機(jī)通過(guò)發(fā)射天線發(fā)射超高頻脈沖電磁波訊號(hào)，當(dāng)訊號(hào)在巖層中遇到探測(cè)目標(biāo)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)反射訊號(hào)；反射訊號(hào)通過(guò)接收天線輸入到接收機(jī)，放大后由示波器顯示出來(lái)；根據(jù)接收到的反射訊號(hào)，可探測(cè)地下地層結(jié)構(gòu)和埋藏的目標(biāo)體，如圖1所示。

圖1 地質(zhì)雷達(dá)原理圖

（上圖為電磁波遇到地下物體后的反射示意圖，下圖為地質(zhì)雷達(dá)記錄）

2 應(yīng)用實(shí)例

2.1 工程概況

此次研究區(qū)域位于滇西南，受構(gòu)造作用沿線山脈大體呈南北走向，地表溝谷縱橫、地形起伏大，且斷層分布密集。本次檢測(cè)目的是探測(cè)初期支護(hù)和二次襯砌質(zhì)量。

2.2 儀器

本次檢測(cè)使用雷達(dá)為美國(guó)GSSI的SIR-4000型號(hào)雷達(dá)，因?yàn)闄z測(cè)深度在1m以內(nèi)，故而選用400MHz中心頻率的天線[5]。

2.3 確定襯砌混凝土中電磁波的波速

電磁波速是時(shí)深轉(zhuǎn)換不可缺少的參數(shù)。因?yàn)榈V山隧道襯砌的用料及施工情況不同，在襯砌中電磁波的傳播速度會(huì)產(chǎn)生一定的變化，所以地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)礦山隧道襯砌質(zhì)量時(shí)通常要在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)電磁波速[6]。

電磁波在襯砌中的速度可用理論公式(1)求出：

其中，c為空氣中電磁波的傳播速度，εr為襯砌的相對(duì)介電常數(shù)。相對(duì)介電常數(shù)εr可以查表或根據(jù)以往檢測(cè)數(shù)據(jù)得到。

2.4 地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)結(jié)果

圖2為礦山隧道襯砌貼合緊密的地質(zhì)雷達(dá)記錄，屬于符合規(guī)范的施工。

圖3為襯砌中金屬支撐結(jié)構(gòu)的地質(zhì)雷達(dá)記錄：每個(gè)雙曲線代表一個(gè)支撐物，下圖為兩層支撐架的信號(hào)圖，第二層金屬支撐架的信號(hào)受第一層金屬支撐架的信號(hào)的影響。

圖4為金屬支撐拱形架的地質(zhì)雷達(dá)記錄：與普通金屬架不同的是，拱形架比普通金屬架的半徑粗，相隔的距離也比普通金屬架要長(zhǎng)，可以明顯的區(qū)分普通金屬架與拱形金屬架的信號(hào)。

圖2 礦山隧道襯砌密實(shí)

圖3 襯砌中的金屬支撐結(jié)構(gòu)

圖4 金屬支撐拱形架

圖5 金屬支撐架缺失

圖5為拱頂段金屬支撐架缺失地質(zhì)雷達(dá)記錄：在192670處深度約0.2m處，由金屬支撐架引起的雙曲線信號(hào)之間相隔約80cm，而設(shè)計(jì)支撐架相距25cm，說(shuō)明拱頂段此處金屬支撐架的缺失。

圖6為拱頂段二襯與初襯之間脫空的地質(zhì)雷達(dá)記錄：在193983～193987，深度約0.16m～045m處，出現(xiàn)了兩個(gè)振幅較大的界面反射信號(hào)，可以判斷該處是由于二襯與初襯之間未緊合而出現(xiàn)的兩個(gè)分界面，屬于存在比較大的缺陷。由于缺陷下方可模糊的看見(jiàn)由于缺陷存在而產(chǎn)生的多次反射波，在比較深的位置，空隙中不斷反射的反射波能量被消耗的太多，看到的信號(hào)模糊。

圖6 二襯與初襯之間脫空

圖7 金屬支撐架處脫空

圖7為拱頂段金屬支撐架處脫空的地質(zhì)雷達(dá)記錄：在192487～192490處深0.12m～0.4m處有明顯的脫空信號(hào)，電磁波在由脫空產(chǎn)生的空隙穿過(guò)時(shí)能量大幅度衰減，導(dǎo)致該段在脫空處以后的信號(hào)都被影響，金屬支撐架應(yīng)反射的信號(hào)被干擾到模糊不清，可以判斷該處為較大的缺陷。

圖8為拱頂段襯砌欠厚的地質(zhì)雷達(dá)記錄：在193065～193070處，襯砌分界線均在0.30m以下，而襯砌設(shè)計(jì)厚度應(yīng)在30cm以上，故推斷此處襯砌欠厚，缺欠厚度0cm～13cm。

圖8 襯砌欠厚信號(hào)

3 結(jié)論

地質(zhì)雷達(dá)對(duì)礦山隧道襯砌的無(wú)損檢測(cè)以測(cè)線成果圖的形式直觀地反映出礦山隧道噴層厚度、金屬架支撐分布、襯砌密實(shí)、襯砌脫空、襯砌欠厚等不同情況，對(duì)礦山隧道襯砌質(zhì)量監(jiān)控起到了很好的作用，且具有無(wú)損、準(zhǔn)確率高、樣點(diǎn)分布密、工作效率高等特點(diǎn)，使其在礦山隧道工程質(zhì)量檢測(cè)中被廣泛地應(yīng)用。