地質雷達在隧道塌方空腔探測中的應用

晏露超

(南昌市建筑設計研究院有限公司，江西南昌 330077)

地質雷達在隧道塌方空腔探測中的應用

晏露超

(南昌市建筑設計研究院有限公司，江西南昌 330077)

基于地質雷達的工作原理，討論了探測隧道塌方空腔的理論和方法，并闡述了使用地質雷達系統對浙江省某兩條高速公路隧道進行塌方空腔探測的情況，最終表明地質雷達法可應用于隧道塌方空腔規模的預估。

隧道工程，空腔探測，地質雷達

0 引言

隧道塌方是指隧道掌子面、隧道兩側或隧道拱頂出現向下坍落的現象，其中拱頂的坍塌量較大時，會堵塞成型的洞身，在坍塌體和坍落后的圍巖之間形成空腔。小規模的塌方在隧道施工過程中十分常見，而大規模的隧道塌方則往往造成惡性事故，導致人員傷亡和嚴重的經濟損失。隧道塌方的誘發因素較多，主要包括不良地質及水文條件、施工方法不當、設計考慮不周、支護未及時跟上等等，完全在施工中避免坍塌以現有的施工技術是很難達到的。

地質雷達(GPR)法是利用無線電波檢測地下介質分布和對不可見目標或地下界面進行掃描，以確定其內部形態和位置的電磁技術。地質雷達探測具有連續、無損、高效和高精度等優點，目前在隧道地質超前預報、襯砌與圍巖脫空檢測、襯砌厚度檢測、襯砌內部鋼筋檢測及巖溶普查等方面均得到了廣泛的應用。

1 地質雷達工作原理

地質雷達探測系統一般由主機、發射天線、接收天線及配套軟件等組成，其中發射天線和接收天線同置一體時稱為屏蔽天線，分體時則為非屏蔽天線。發射天線按照確定的方向，將高頻電磁波以寬頻帶脈沖形式向地下或進深方向發射，在均勻介質中，電磁波以一定速度傳播，當遇到有電性差異的地層或目標體時，電磁波就會發生反射，返回到地面或探測點，被接收天線接收并由主機記錄，得到從發射經地下界面反射回接收天線的雙程走時t(見圖1)。

式中：z——地層分界面或目標體的深度;

x——發射天線和接收天線之間的距離;

v——電磁波在介質中的傳播速度。

當已知介質的波速時，可根據測得的時間t，并對反射電磁波的頻率和振幅等進行處理和分析，即可求得目標體的位置、深度和幾何形態。對于低頻天線，在實際應用中z遠大于x，故目標體的深度為：

2 地質雷達探測塌方空腔的方法

地質雷達探測的本質是利用不同物體介電常數的差異，兩種物體介電常數的差異越大，反射波信號越強烈，雷達圖像就越明顯。塌方空腔內一般是空氣，空腔下方是坍塌體，腔壁即圍巖，空氣的介電常數是1，而巖石的介電常數一般為5～15，兩者之間有著較為明顯的物性差異，電磁波在這兩種介質的接觸面上能產生反射信號。因此，塌方空腔的雷達回波特征應該和地下防空洞、空溶洞相似。

地質雷達的探測方式分為點測和連續測量，點測適用于工作環境惡劣的情況，而連續測量要求測量面較平滑，且需保證天線的勻速移動，故探測塌方空腔時采用點測方式較好。

雷達天線的頻率一般為50～1 200，低頻率的天線探測深度較深，但精確度不高，常用于隧道掌子面前方的地質超前預報;高頻率的天線探測深度較淺，但精確度高，一般用于隧道襯砌及路面探測等。若預估塌方空腔規模較大，可選擇100 MHz或150 MHz的天線，如果規模不大，可選擇400 MHz左右的天線。

3 應用實例

下面介紹地質雷達在浙江省某兩條高速公路隧道中的塌方空腔探測情況。隧道1全長約500 m，地層巖性為中風化的云母石英片巖，節理裂隙發育，部分區域存在破碎帶，地下水較豐富;隧道2全長約900 m，圍巖為中風化的凝灰巖，節理裂隙發育，地下水主要為風化裂隙水。

使用美國GSSI公司的TerraSIRch SIR 3000地質雷達系統，選取100 MHz的屏蔽天線，該天線可以與主機單元組成控制系統，最大有效探測深度可達30 m，采用點測的方式。

3．1 隧道1塌方空腔雷達探測情況

隧道1在施工過程中遇到節理裂隙密集帶，拱頂發生塌方，見圖2，塌方量較大，施工被迫停止。為預估拱頂塌方大致范圍及規模，采用地質雷達對拱頂進行了探測。

圖2 隧道1拱頂塌方現場照片

圖3 隧道1拱頂測點布置示意圖

共在拱頂附近布置了3個測點，如圖3所示，采用點測法。檢測測點時先將100 MHz天線盒正對隧道前進方向，然后向上每轉動5°～10°即檢測一次，直到轉動90°時天線盒正對拱頂則檢測結束。最終3個測點的雷達檢測圖像見圖4。

圖4 隧道1拱頂塌方空腔雷達探測圖像

從3個測點的檢測結果圖可以看出，測點A和B的圖像比較相似，均是2 m和7 m左右為反射強烈帶，2 m～7 m之間反射信號很弱，而測點C整體反射較均勻，無突變的強反射信號。據此推斷，本次坍塌造成的拱頂上方空腔直徑約為5 m，塌方范圍主要是在掌子面左側拱頂的上方。

3．2 隧道2塌方空腔雷達探測情況

隧道2在遭遇拱頂較大規模塌方后，進行了回填混凝土處理，塌方段開挖支護深入一段距離后，采用了地質雷達對拱頂進行橫向探測，預估拱頂上方的空腔規模，共布置了間隔約5 m的兩條橫向測線。兩條測線的雷達探測圖像見圖5。

圖5 隧道2拱頂塌方空腔雷達探測圖像

兩條測線雷達圖像反映的結果基本一致，即深度4 m～5 m處的連續強反射為空洞的下界面(靠近拱頂的界面)，深度16 m～17 m處的連續強反射為空洞的上界面(坍塌后的圍巖壁)，因此拱頂上方空腔的高度約為12 m。

4 結語

1)采用地質雷達探測隧道塌方空腔的原理和探測防空洞、空溶洞相似，都是利用空氣和周圍介質(土或巖石)的介電常數差異使電磁波在兩種物體的界面產生反射信號。

2)地質雷達探測的成功應用除了保證高質量的原始數據采集外，還必需靈活應用分析處理技術，如速度拾取，提取瞬時振幅、相位、頻率，頻譜分析等進行數據處理。

3)對規模較大的塌方應采用低頻率天線，以增加探測深度;對規模較小的塌方可適當選用高頻率天線以提高探測精度。

4)采用地質雷達對隧道塌方空腔進行探測時，其精確度受工作環境、測點測線的布置和探測方法的影響，尚待進一步的研究和工程實踐。

5)地質雷達作為一種日趨完善的無損探測技術，與其他物探方法一樣，依然存在不確定性，故對雷達圖像的分析判斷，需結合現場地質條件和工程環境。

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Application of Ground Penetrating Radar to cavity detecting for tunnel’s collapse

YAN Lu-chao

(Nanchang Building Design Institute Co．，Ltd，Nanchang 330077，China)

Based on the working principle of Ground Penetrating Radar，the theory and the method of cavity detecting for tunnel’s collapse are discussed，besides，the condition of using GPR to detect cavity caused by collapse is described，finally，the results show that by using the Ground Penetrating Radar，the dimensions of tunnel’s collapse can be estimated．

tunnel engineering，cavity detecting，Ground Penetrating Radar

U456．3

A

10.13719/j.cnki.cn14-1279/tu.2013.10.056

1009-6825(2013)10-0159-02

2013-01-12

晏露超(1985-)，男，碩士，助理工程師