探地雷達檢測引水隧洞灌漿密實度可行性分析

楊 珍，程 琛，張俊杰，姜 升，魏明強

（西北民族大學，甘肅 蘭州 730000）

1 概述

隨著中國工農業(yè)的快速經(jīng)濟發(fā)展，用水量急劇增加，部分國家和地區(qū)水資源日益匾乏；水資源不足嚴重制約經(jīng)濟社會發(fā)展，故水資源匾乏問題亟待解決。面對水資源在分布上所存在的現(xiàn)狀，我國綜合考慮各種因素進行水資源優(yōu)化配置，通過修建各種跨地域跨流域調水工程來解決水資源的區(qū)域性分布嚴重約束我國社會的發(fā)展問題。其中引水隧洞是引水工程的咽喉，也是引水線的重要組成部分。

待引水隧洞開挖完成，需進行襯砌支護，用料為混凝土，做法為混凝土支護及回填灌漿，待灌漿凝結之后，被裂隙切割的巖石，已經(jīng)膠結，可提高圍巖的整體性及其強度。但是由于灌漿施工是地下隱蔽工程，導致灌漿密實度的監(jiān)測和控制一直是未解決的工程難題。目前，國內的監(jiān)測主要是通過在灌漿時的人工觀測，當灌漿時排氣孔有漿流出來時即認為灌漿壓力達到要求，灌漿密實；但被灌底層地質條件復雜、灌漿設備結構形式不一等因素的影響極易造成灌漿壓力的變化，且人工控制存在盲目性和滯后性，造成灌漿壓力不準確，產生工程質量問題。因此，對灌漿質量有效的檢測成為當下灌漿領域急需解決的問題。

探地雷達是一種新型的無損檢測設備，具有分辨率高、精度高、速度快、連續(xù)性好、攜帶方便等特點。它在工程上得到了迅速的推廣，它在工程上得到了迅速的推廣，現(xiàn)在，一個相對完整的測試系統(tǒng)已經(jīng)形成，在理論上符合引水隧道灌漿密實度檢測的要求。

2 探地雷達工作原理

2.1 探地雷達工作原理

探地雷達的原理是高頻信號脈沖通過電磁波的反射技術原理。地質雷達分為兩部分，分別是發(fā)射天線和接收裝置。發(fā)射天線向介質中發(fā)射高頻率的電磁波，電磁波的一部分在介質中折射，另一部分在介質中反射。接收控制裝置進行接收反射的電磁波。電磁波在介質中傳播時，遇到有電差的界面設計就會產生反射。所接收到的電磁波的波形，振幅強度和時間可以推斷出目標體的空間位置，結構的形態(tài)。電磁波的脈沖走時（如圖1所示）：

圖1 地質雷達反射探測示意圖

其中：x為固定長度，已知，單位：m；v為電磁波在介質中的傳播速度m/ns可以利用現(xiàn)成的數(shù)據(jù)或者自行測定;z作為目標物體埋深的深度：單位：m。

在介質中探地雷達在探測速度如下：

其中：ε是介質的介電常數(shù)，c電磁波在空氣中的傳播速度。

常見的介電常數(shù)見表1。

表1 常見介電常數(shù)

電磁波的電場強度可以隨著單位距離的衰減規(guī)律進行如下式：

βr為介質的吸收系數(shù)，它與介質的電性和頻率有關，根據(jù)計算也可以寫成：

趨服深度：

在發(fā)射的電磁波中，當能量一定時，探地雷達接收信號的能量強度也與目標物的形狀、天線的增益等參量，相關探地雷達方程式如下:

Pr為接收功率，Pt為發(fā)射功率，Gt為發(fā)射天線增益，Gr為接收天線增益，λ0為發(fā)射波長，S為目標的雷達截面積，R為雷達與目標的距離，L01、L10分別表示發(fā)射天與地面的耦合系數(shù)和接收天線與地面的耦合系數(shù)，Ls表示整個過程中由于介質產生的損耗、α則表示地層的衰減因子。

3 探地雷達檢測方式

3.1 剖面法

剖面法是探地雷達最常用的觀測方法，可以提供需要快速測量結果的場合。?發(fā)射天線和接收天線按一定的測量距離點沿具有相同天線間距的測量區(qū)段移動，采集數(shù)據(jù)，得到整個測量區(qū)段的雷達記錄。當發(fā)射和接收天線之間的距離是零，它被稱為單天線形式；當發(fā)射天線和接收天線技術之間有一定的距離時，稱為雙天線設計形式。

3.2 寬角法

寬角法可以求出地下介質的雷達波的傳播速度。當接收（發(fā)射）天線可以在地上某點不動，發(fā)射（接收）天線按等間隔沿測線移動并采集信息數(shù)據(jù)，這種方法稱為寬角法。如圖2所示。

圖2 寬角法（共中心點法）觀測方式

3.3 多次覆蓋法

由于電磁波容易受介質的影響，可以在接收（發(fā)射）位置不斷改變天線距，多次測量，進行全方面的覆蓋，得到準確的數(shù)據(jù)。

4 探地雷達較以往檢測技術的優(yōu)勢

4.1 探地雷達的主要技術特點

1）探地雷達是一種無損檢測技術，可以安全地應用于各種工程項目中，對工作現(xiàn)場的觀測條件也有寬松的要求[2]；

2）抗電磁干擾，可以在各種噪聲環(huán)境下工作，較少受環(huán)境干擾;

3）高分辨率、高效率，多數(shù)探測深度均能滿足工作要求，可現(xiàn)場提供雷達圖像；

4）數(shù)據(jù)采集、記錄、存儲和處理均能由微機控制，方便攜帶和操作。

4.2 探地雷達主要優(yōu)勢

相對于土木工程中常用的超聲法、回彈法、取芯法等無損或微損檢測技術，雷達法具有以下獨特的技術優(yōu)勢[4]：

使用不同頻率的天線，可以實現(xiàn)不同的深度范圍從幾厘米到十幾平方米，完全滿足引水隧道灌漿深度要求；

通過改變天線的中心頻率和頻帶寬度，可以檢測出不同的分辨率；探地雷達能進行非接觸式掃描檢測，不僅檢測速度快，而且大面積快速連續(xù)；能穿透介質縫隙檢測內部質量，能檢測裝飾層的結構或構件；能檢測內部鋼筋等金屬的分布物體，以及介質中的空腔、裂紋、水等非金屬物體的差異；

雷達檢測結果可以是二維切片圖像信息或3D立體顯示，檢測研究結果直觀清晰。

4.3 雷達探測的典型圖像

通過查閱資料，得到一系列探地雷達典型波形特征[4]：

當混凝土達到密實時，其中的信號幅值較弱，甚至沒有界面反射信號；

當混凝土不密實時，界面有與繞射弧相軸相同的強反射信號，反射信號不連續(xù)且分散；

在腔體情況下，界面反射信號強，振動相位明顯，下部仍有強反射界面信號，兩組信號時差較大；

探測到的鋼筋是會在進行圖像中呈現(xiàn)出一個連續(xù)的小雙曲線強反射控制信號，在雷達圖像上反映出其特有的月牙形態(tài)。

拱頂探測圖像：隧道拱頂與巖層分界面應按規(guī)范設置最小安全距離，但事實上隧道拱頂會隨時間增長而呈現(xiàn)下沉的趨勢，出現(xiàn)起伏（如圖3所示），且容易出現(xiàn)空洞現(xiàn)象。

圖3 拱頂起伏圖

雷達檢測空洞現(xiàn)象：空洞的存在大大增加施工難度，其形成原因復雜、類型不一，有實體空洞、虛體空洞、虛實混合空洞；容易誘發(fā)工程事故，造成安全隱患；所以雷達監(jiān)測并判斷出空洞顯得尤為重要，如圖4所示。

圖4 圍巖裂隙探測圖像

根據(jù)對溶洞及地下水的雷達探測圖像，部分隧道穿越石灰?guī)r等易侵蝕巖石，圍巖中存在溶洞，存在安全隱患。地下水常沿巖體的節(jié)理裂隙向隧道涌去。水對雷達波有很強的反射，具有很強的反射特性。

5 探地雷達隧道地質超前預報

為了保證隧道施工中人員的安全與施工的效率，探索施工環(huán)境的工作會從施工開始一直到結束。當?shù)刭|雷達發(fā)射機發(fā)射出的超高頻電磁波信號傳遞到目標體中，電磁波在遇到破碎、洞穴、水等介質會發(fā)生反射回來然后被接收天線接收。技術人員可以根據(jù)圖像上所顯示的電磁波波形、走勢、頻率等圖像特征來推測所探測目標物體的結構、存在形態(tài)。地質雷達在本實驗中主要用于測定目標體是否有空洞、灌漿密實程度、目標體是否充水等缺陷情況。下面將對各類缺陷情況逐一分析：

5.1 空洞識別

空氣的相對介電常數(shù)ε=1，與脫空區(qū)介質的介電常數(shù)相差較大，造成雷達反射波同相軸不連續(xù)，反射波能量較強，回波振幅也比較明顯，且波形呈現(xiàn)典型的雙曲線形態(tài)，根據(jù)雷達剖面圖的相關特征，即可大致確定空洞的位置及大小，如圖5所示。

圖5 空洞異常雷達圖像

5.2 灌漿密實程度分析

漿液質量，灌漿壓力等因素都會對灌漿質量產生較大影響。當灌漿質量良好時，漿液會充分地與凹陷，裂縫接觸，完美地融合到空隙中，成為密實，均勻的整體。這時，由于漿液的介電常數(shù)與被灌漿介質的差值相對于與空氣，水的較小，雷達反射波會較小，圖像相對平穩(wěn)。反之，在各種不良操作與不良條件的影響下，被灌漿介質的缺陷未完全被消除，反射波會變得格外強烈，并且十分混亂。波形圖變化較為明顯。

6 探地雷達的應用

探地雷達由于其優(yōu)秀的工作性能在工程、社會、生產等各個領域廣泛應用。

在20世紀初，有關于將電磁波應用到對遠距離金屬物體探測的技術手段在德國便出現(xiàn)過，這在科學史上被認為是有關于雷達探測技術方面的最早期的應用。并且在這項技術手段出現(xiàn)的六年之后就有兩位相關領域的教授以專利形式提出將這項技術手段用于地質探測。

自20世紀70年代以來，探地雷達已被大規(guī)模使用。工程領域方面對探地雷達的應用不僅僅局限于冰層、巖鹽礦等弱好介質，更是擴展到了采石場、淡水地區(qū)、沙漠地區(qū)、煤礦井地區(qū)甚至是人造材料、混凝土鋼筋、埋設物深度等方面的探測，涉及領域十分廣泛到20世紀80年代末的時候，較為成熟的雷達探測技術出現(xiàn)在西方發(fā)達國家并被應用于公路探測和檢測等工程領域。在我國技術人員剛開始接觸地質雷達的時候普遍都先利用探地雷達檢測有缺陷的混凝土試塊，然后由此得出探地雷達的檢測效果，而得到的結果也都令人稱心，在此之后談得雷達被我國工程技術人員大規(guī)模的應用到道路病害檢測當中去。這標志著探地雷達在我國得到認可并被應用到工程領域的開端。

20世紀末，吉林省率先利用探地雷達對多段高速公路進行了檢測，隨后河北省也使用探地雷達對多段公路的厚度進行了檢測。由此開始，探地雷達在我國基建工程中的應用越發(fā)廣泛。在過去的十年中，隨著信息時代的到來和科學技術，電子技術，信息技術，材料技術的發(fā)展和應用的發(fā)展，這不僅使得探地雷達本身的質量和性能得到加強，更為重要的是探地雷達的應用技術已經(jīng)越來越成熟并被國內的技術人員接納與使用，也說明了探地雷達在工程技術領域和各種方法檢測研究領域被廣泛應用，現(xiàn)場檢測如圖6所示。

圖6 現(xiàn)場檢測

在進行探測的時候。地質雷達上進行接收信息和采集數(shù)據(jù)的電磁波發(fā)射和接收裝置會對地下不同種物質所發(fā)出的電磁波進行信息采集，并在采集軟件上顯示出所得到的圖像，以便檢測人員進行判斷。

7 結論

1）探地雷達在工程、社會、生產等領域應用廣泛，但對于引水隧洞灌漿密實度檢測并沒有達成共識。國內多數(shù)仍采取人工觀測的方式，由于其盲目性和滯后性容易造成許多不可避免的誤差，從而造成檢測結果的不準確。因此，應盡快確定出一種可行、便捷、高準確率的檢測方式以適應工程發(fā)展需求；

2）利用探地雷達進行引水隧洞灌漿密實度檢測時，首先要收集好相關被檢測隧道的基本資料以及隧道的設計參數(shù)，其要選擇合適頻率的天線并進行參數(shù)的設置；最后雖然探地雷達對現(xiàn)場要求較為寬松，但依然要在采集原始數(shù)據(jù)前做好現(xiàn)場準備工作，例如里程標記、檢測車搭設與調試等，以確保采集原始數(shù)據(jù)的質量；

3）探地雷達能真實反映工程項目的空洞和缺陷，能快速地找出工程項目可能存在的安全質量隱患，而且其既具有分辨率高、準確率高的優(yōu)點，還能在探測時做到快速、連續(xù)以及無損探測，滿足檢測引水隧洞灌漿密實度的需求，依照其二維切片圖像和二維立體圖像的反應可以看出，檢測結果反映清晰直觀，能明確反映質量隱患，可作為引水隧道灌漿密實度檢測是重要手段。