探地雷達(dá)在引水工程隧洞二襯回填灌漿質(zhì)量檢測(cè)中的應(yīng)用

唐嘉洪

（廣東省水利水電科學(xué)研究院，廣東 廣州 510635）

0 引言

探地雷達(dá)主要采用時(shí)間域脈沖雷達(dá)，通過(guò)將寬頻帶脈沖發(fā)射至地下介質(zhì)內(nèi)，并接收反射信號(hào)以達(dá)到探測(cè)地下介質(zhì)的目的。隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展，地震勘測(cè)技術(shù)日趨成熟，探地雷達(dá)檢測(cè)技術(shù)也取得突破性進(jìn)展，相繼應(yīng)用于中國(guó)水利、建筑、地礦、鐵道、環(huán)境勘察、地下水污染等領(lǐng)域，成效十分顯著。但是由于地下介質(zhì)的復(fù)雜性、無(wú)規(guī)律性、非均質(zhì)性等特征，探地雷達(dá)檢測(cè)過(guò)程和結(jié)果受到諸多因素的干擾和影響，為此必須從其工作原理出發(fā)，加強(qiáng)影響因素分析及過(guò)程控制，保證檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確。

1 探地雷達(dá)工作原理

1.1 工作原理

探地雷達(dá)主要根據(jù)不同介質(zhì)電磁屬性方面的差異，使雷達(dá)反射回波波長(zhǎng)、波幅、波形等方面存在差異及變化，利用這種差異和變化對(duì)所檢測(cè)對(duì)象質(zhì)量做出評(píng)價(jià)。在檢測(cè)過(guò)程中，主要通過(guò)雷達(dá)上的發(fā)射天線向待檢測(cè)介質(zhì)內(nèi)部發(fā)射高頻脈沖電磁波，電磁屬性經(jīng)過(guò)缺陷區(qū)域時(shí)會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致部分電磁波發(fā)生反射，接收天線接收到反射回波后便可判斷出缺陷所在區(qū)域、缺陷尺寸及類型。這一過(guò)程詳見(jiàn)圖1。

圖1 測(cè)量位置與所對(duì)應(yīng)的探地雷達(dá)剖面記錄示意圖

式中：ε1、ε2—界面上下介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)。

觀察式（1）可以看出，若介質(zhì)中介電常數(shù)差異較大，則電磁波在抵達(dá)界面的同時(shí)必將發(fā)出反射回波信號(hào)；考慮到空氣、水分、混凝土、鋼筋等不同材料具有不同的介電常數(shù)，便能根據(jù)反射回波信號(hào)的變化探測(cè)出結(jié)構(gòu)中存在的灌漿不密室、空洞、積水等缺陷。

1.2 探地雷達(dá)數(shù)據(jù)處理

在進(jìn)行水利水電工程灌漿施工質(zhì)量檢測(cè)時(shí)，注漿材料、鋼筋、混凝土形狀及尺寸等因素會(huì)對(duì)探地雷達(dá)圖像造成較大干擾，為此，必須應(yīng)用Matlab軟件進(jìn)行水利工程回填灌漿空洞數(shù)值模擬，輔助識(shí)別雷達(dá)剖面圖像特征，增強(qiáng)數(shù)據(jù)處理及解釋的準(zhǔn)確性。

概括和體現(xiàn)宏觀電磁場(chǎng)變動(dòng)趨勢(shì)規(guī)律的Maxwell旋度方程主要基于Yee氏網(wǎng)格進(jìn)行差分方程推導(dǎo)，并得出顯式差分格式方程，該方程推算空間電磁場(chǎng)變化規(guī)律的依據(jù)主要是時(shí)間步長(zhǎng)，且為達(dá)到分析過(guò)程的穩(wěn)定及結(jié)果的準(zhǔn)確，要求時(shí)間步長(zhǎng)必須小于電磁波傳播所對(duì)應(yīng)空間步長(zhǎng)耗費(fèi)的時(shí)間，若以上條件無(wú)法滿足，則必將造成電磁波傳播因果關(guān)系的破壞。

假設(shè)存在兩組不同類型的信號(hào)，一組為有效信號(hào)和干擾信號(hào)所組成的混合信號(hào)，另一組單純?yōu)楦蓴_信號(hào)，將第一組信號(hào)和第二組信號(hào)相減所得出的信號(hào)為單純的有效信號(hào)。從理論上而言，在以上相減的過(guò)程中，如果兩個(gè)干擾信號(hào)振幅、頻率及變動(dòng)方向完全相同，則相減后僅得出有效信號(hào)；如果兩個(gè)干擾信號(hào)變動(dòng)方向不同但振幅、頻率完全一致，則相減后的信號(hào)中既包括有效信號(hào)，也包括干擾信號(hào)，并且有效信號(hào)將得到大大增強(qiáng)。

2 工程應(yīng)用

2.1 工程概況

潮州市韓江鹿湖隧洞引水工程作為韓江榕江練江水系連通工程的重要組成部分，主要發(fā)揮著連通韓江與楓江的作用，引水線路長(zhǎng)7.75 km，引水流量設(shè)計(jì)值為46.52 m3/s，屬于Ⅱ等大（2）型工程。根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，該引水隧洞總長(zhǎng)度為7 707 m，隧洞內(nèi)徑7.80 m，二襯與管片間盾構(gòu)段及二襯與初支間鉆爆段二次襯砌混凝土厚度分別為45、50 cm。根據(jù)設(shè)計(jì)文件要求，采用探地雷達(dá)法進(jìn)行該隧洞引水工程隧洞回填灌漿質(zhì)量檢測(cè)，重點(diǎn)檢測(cè)二襯與初支間（鉆爆段）、二襯與管片間（盾構(gòu)段）是否存在脫空現(xiàn)象。

2.2 探地雷達(dá)檢測(cè)

2.2.1 檢測(cè)方法

采用美國(guó)GSSI公司研發(fā)的信噪比高、測(cè)量速度快、可連接使用多種頻率天線的SIR-20型探地雷達(dá)檢測(cè)系統(tǒng)，該設(shè)備設(shè)計(jì)增益范圍-20～+100 dB可調(diào)，數(shù)據(jù)采集率800線/s，數(shù)據(jù)輸出格式為8位/16位可選。該檢測(cè)系統(tǒng)主要由微型計(jì)算機(jī)控制，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)測(cè)剖面數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示、記錄與分析，并能與微機(jī)工作站聯(lián)網(wǎng)后實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)，并主要在工作站完成數(shù)據(jù)后處理。將通過(guò)探地雷達(dá)所收集到的原始數(shù)據(jù)全部輸入計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)后，經(jīng)由RADAN后處理軟件對(duì)初始數(shù)據(jù)展開(kāi)分析、濾波處理以及振幅均衡消散處理后，形成地質(zhì)解釋用剖面，從而得出最終檢測(cè)結(jié)果。

根據(jù)檢測(cè)方案，各檢測(cè)洞段現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)測(cè)線均順洞軸線方向布置，同時(shí)沿洞室拱頂60°范圍內(nèi)平行設(shè)置三條探地雷達(dá)測(cè)線，分別位于拱頂以及左、右拱處，具體見(jiàn)圖2。

圖2 探地雷達(dá)檢測(cè)測(cè)線布置截面圖

該引水隧洞二襯回填灌漿施工質(zhì)量檢測(cè)主要委托項(xiàng)目所在省某物探技術(shù)開(kāi)發(fā)工程公司實(shí)施，為100%第三方檢測(cè)，檢測(cè)范圍為引水隧洞主洞K0+069～K7+707洞段。結(jié)合委托要求，檢測(cè)方及時(shí)安排專業(yè)技術(shù)人員進(jìn)場(chǎng)開(kāi)展檢測(cè)工作，于2021年3月22日至4月19日實(shí)施全線初檢，共檢測(cè)隧洞里程數(shù)和剖面總長(zhǎng)度分別為7 519、22 557 m；2021年4月28日至4月30日主要針對(duì)初檢中所查出的脫空缺陷由施工單位實(shí)施補(bǔ)注漿處理后展開(kāi)復(fù)檢，復(fù)檢隧洞里程1 000 m，探地雷達(dá)測(cè)線工作量共為3 000 m。初檢和復(fù)檢共完成檢測(cè)剖面長(zhǎng)度25 557 m。初檢和復(fù)檢完成工作量情況具體見(jiàn)表1和表2。

表1 引水工程主洞探地雷達(dá)法初次檢測(cè)工作量統(tǒng)計(jì)表

表2 引水工程主洞探地雷達(dá)法復(fù)檢工作量統(tǒng)計(jì)表

2.2.2 檢測(cè)結(jié)果

根據(jù)探地雷達(dá)時(shí)間剖面，本次檢測(cè)數(shù)據(jù)分辨率和信噪比均較高。結(jié)合同類型工程檢測(cè)實(shí)踐，應(yīng)按以下原則進(jìn)行此次探地雷達(dá)檢測(cè)成果解釋：二襯與初支之間的脫空異常使得兩者界面反射波振幅顯著增強(qiáng)，隨著脫空體厚度的增大，反射波振幅持續(xù)增強(qiáng)；嚴(yán)重脫空區(qū)域?qū)崪y(cè)剖面對(duì)應(yīng)部位存在數(shù)次反射；無(wú)脫空部位各層位界面反射波表現(xiàn)為同相軸連續(xù)特征，振幅變化小。檢測(cè)深度內(nèi)電磁波波速均值達(dá)到0.12 m/ns。根據(jù)對(duì)檢測(cè)結(jié)果的對(duì)比分析，在無(wú)病害體發(fā)育部位，探地雷達(dá)反射波信號(hào)頻率并不發(fā)生明顯波動(dòng)，振幅強(qiáng)度也基本一致。

根據(jù)受托方檢測(cè)單位所出具的報(bào)告，此次對(duì)韓江鹿湖隧洞引水工程隧洞二襯拱頂回填灌漿質(zhì)量所實(shí)施的探地雷達(dá)檢測(cè)范圍幾乎覆蓋整條隧洞，僅局部地段因渣料堆積、電纜干擾等原因，不具備測(cè)試條件而未能檢測(cè)。此次檢測(cè)隧洞主洞里程7 519 m，初檢和復(fù)檢共完成檢測(cè)剖面長(zhǎng)度25 557 m。檢測(cè)結(jié)果如下：①初檢確定出的脫空發(fā)育洞段為鉆爆段：0+260～0+360段、1+070～1+160段、2+560～2+610段；盾構(gòu)段：5+370～5+450段、5+740～6+420段。②施工單位將上述脫空發(fā)育洞段補(bǔ)灌漿處理后，檢測(cè)單位又于2021年4月28日至4月30日對(duì)脫空發(fā)育洞段展開(kāi)復(fù)檢，根據(jù)復(fù)檢結(jié)果，初檢過(guò)程中所查出的脫空洞段已不存在脫空異常。

3 結(jié)論

綜上所述，探地雷達(dá)屬于無(wú)損原位測(cè)傷技術(shù)，具有快捷、準(zhǔn)確、安全、高效等優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用領(lǐng)域也在持續(xù)拓寬。探地雷達(dá)抗電磁干擾能力強(qiáng)，適用于各種噪聲、輻射及污染環(huán)境，探測(cè)深度和分辨率與相關(guān)規(guī)范所規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)值十分接近，只需在探測(cè)現(xiàn)場(chǎng)按要求施測(cè)，便能直接得到實(shí)時(shí)剖面記錄，通過(guò)相關(guān)數(shù)據(jù)后處理軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、處理，以上全過(guò)程均可由便攜式微機(jī)實(shí)施控制，工效高。但是，電磁波在探測(cè)介質(zhì)中傳播存在消耗性以及介質(zhì)的非均質(zhì)性，測(cè)試結(jié)果缺乏地質(zhì)解釋模型而主要憑借人工研判，為保證測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確，最好結(jié)合使用其他物探技術(shù)，綜合探測(cè)。