地質(zhì)雷達(dá)在鐵路隧道襯砌檢測中的應(yīng)用

摘 要：文章系統(tǒng)介紹了SIR-3000地質(zhì)雷達(dá)的探測原理、系統(tǒng)參數(shù)、處理流程，并通過在工程中的實(shí)際應(yīng)用，對隧道雷達(dá)檢測工作提出一些總結(jié)經(jīng)驗(yàn)和建議。

關(guān)鍵詞：地質(zhì)雷達(dá)；隧道襯砌；無損檢測；分辨率；介電常數(shù)

引言

鐵路作為國民建設(shè)的基礎(chǔ)，在新時(shí)代依舊發(fā)揮著重要的作用。十二五期間，國家鐵路建設(shè)持續(xù)快速發(fā)展，而鐵路隧道的質(zhì)量控制一直是尤為重要的問題，因此，對于鐵路隧道襯砌質(zhì)量檢測則顯得更為重要。隧道的各種病害，如拱頂脫空、裂隙，襯砌厚度不足及襯砌不密實(shí)等，會(huì)給鐵路的正常運(yùn)營帶來安全隱患。目前普遍采用以物探無損檢測為主，鉆孔驗(yàn)證檢測為輔的檢測方式，其中物探無損檢測技術(shù)包括了聲波（彈性波）法檢測，激光檢測、射線檢測、電磁法檢測等很多方面。本文所介紹的地質(zhì)雷達(dá)檢測法屬于電磁波反射法，地質(zhì)雷達(dá)以其高效、高分辨率、高精度的特點(diǎn)，在隧道襯砌工程質(zhì)量檢測中廣泛應(yīng)用。

1 探測原理

地質(zhì)雷達(dá)（Ground Penetrating Radar簡稱GPR）是基于電磁波反射原理，所使用的中心工作頻率在10MHZ～5000MHZ范圍。工作原理：雷達(dá)發(fā)射天線向地下發(fā)射高頻電磁波脈沖信號，當(dāng)遇到電性差異界面時(shí)，根據(jù)斯奈爾定律，會(huì)有部分能量反射并被雷達(dá)接收天線接收。通過對雙程走時(shí)、波形、振幅等相關(guān)參數(shù)分析，可以推斷地下隱蔽目標(biāo)體的空間位置、幾何狀態(tài)、電性等特征。

設(shè)脈沖電磁波從發(fā)射天線到接受天線行程需時(shí)為T，則有：T=（4h2+x2）1/2/v，式中h為地下目標(biāo)體或界面深度，x為兩天線之間距離，v為電磁波在地下介質(zhì)中傳播的速度，所以根據(jù)反射信號到達(dá)時(shí)間及目標(biāo)物體平均反射波速，可以大致計(jì)算出界面深度。其中，v≈c/ε1/2，c為光速（0.3m/ns）， ε為地下介質(zhì)的相對介電常數(shù)。

2 使用情況及應(yīng)用條件

使用情況：現(xiàn)常用于隧道襯砌質(zhì)量檢測、隧道超前預(yù)報(bào)、圍巖狀態(tài)探測、巖溶勘探、市政管線檢測、公路工程探測、以及建筑結(jié)構(gòu)探測等方面。

應(yīng)用條件：一般，最佳為低電導(dǎo)率（σ<（10～7）S/m），如空氣，干燥花崗巖、干燥石灰?guī)r、混凝土等；（10～7）S/m<σ<（10～2）S/m為中等應(yīng)用條件，如純水、冰、雪、砂、干黏土等；σ>（10～7）S/m為很差應(yīng)用條件，如濕粘土、濕頁巖、海水等。介質(zhì)相對介電常數(shù)見表1。

3 地質(zhì)雷達(dá)系統(tǒng)簡介

儀器型號為SIR-3000型地質(zhì)雷達(dá)主要由主機(jī)（包括液晶屏）、電纜、收發(fā)天線及系統(tǒng)軟件、后處理軟件等組成。

隧道檢測時(shí)，測量參數(shù)一般選擇采用400MHz天線，時(shí)窗范圍：50ns，采樣率：512，樣點(diǎn)/掃描：16，掃描率：48掃描/秒。隧底采用100M天線，時(shí)窗范圍：300ns。

4 處理流程

地質(zhì)雷達(dá)原始數(shù)據(jù)采用美國“地球物理測量系統(tǒng)公司”GSSI（Geophysical Survey Systems Inc）的雷達(dá)處理軟件Radan6.0進(jìn)行處理，最終以雷達(dá)時(shí)間（或深度）剖面圖作為資料解釋的基本圖件。其處理流程如圖2所示。

5 檢測應(yīng)用

檢測內(nèi)容：隧道二襯混凝土厚度和背后脫空情況、隧道仰拱厚度及混凝土密實(shí)情況、隧底巖溶發(fā)育情況。

測線布置：隧道檢測過程中質(zhì)量檢測以縱向布線為主，橫向布線為輔。雙線隧道襯砌縱向布線的位置應(yīng)沿隧道縱向布置7條測線，其中拱頂、左右拱腰及左右邊墻各一條，隧道仰拱布置2條測線，隧底巖溶探測布置4條測線；橫向布線可按實(shí)際情況及縱向測線檢測情況布置；檢測中若發(fā)現(xiàn)異常地段將加密測線或測點(diǎn)。測線布置示意圖見圖3。

6 檢測結(jié)果

6.1 天線脫離襯砌異常地質(zhì)雷達(dá)剖面圖

如果遇到避車洞、下錨段等情況時(shí)，操作人員未暫停儀器繼續(xù)前行，造成天線不能跟襯砌耦合。

特點(diǎn)：首波位置改變，反射強(qiáng)且雜亂。

6.2 鋼拱架異常地質(zhì)雷達(dá)剖面

特點(diǎn)：較為連續(xù)的雙曲線形強(qiáng)反射信號，上拱弧形波明顯，易于分辨。經(jīng)距離歸一化后，可檢測剛拱架數(shù)是否滿足設(shè)計(jì)要求。

6.3 鋼筋網(wǎng)異常地質(zhì)雷達(dá)剖面

特點(diǎn)：電磁波對于鐵磁性物質(zhì)感應(yīng)敏感，表現(xiàn)為同向軸有波峰突起，圖像情況與鋼筋疏密有關(guān)。鋼筋排列較疏時(shí)同向軸呈小弧形；鋼筋排列較密時(shí)，呈現(xiàn)魚鱗狀，反射強(qiáng)。

6.4 管線異常地質(zhì)雷達(dá)剖面

特點(diǎn)：規(guī)律的雙曲線強(qiáng)反射信號，多次波及上拱弧形波明顯，比空洞異常更規(guī)則，同向軸更對稱，表現(xiàn)為預(yù)埋管線及盲孔等。

6.5 不密實(shí)異常地質(zhì)雷達(dá)剖面

特點(diǎn)：在不密實(shí)區(qū)內(nèi)介質(zhì)通常不均勻，與周圍介質(zhì)存在物性差異。雷達(dá)波性圖中表現(xiàn)為波形紊亂，同向軸交錯(cuò)，不連續(xù)。與密實(shí)雷達(dá)圖像相比，層狀波性少；與空洞異常相比，多次波相對較少。

6.6 空洞異常地質(zhì)雷達(dá)剖面

特點(diǎn)：襯砌界面反射信號強(qiáng)，多次波發(fā)育，波形呈上拱弧形。

7 結(jié)束語

通過地質(zhì)雷達(dá)檢測技術(shù)在隧道襯砌檢測中的應(yīng)用，可以得出以下幾點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)：

7.1 SIR-3000地質(zhì)雷達(dá)400M天線分辨率約為5cm，探測深度約為1～1.5m；100M天線分辨率約為15～20cm，探測深度約為20m，完全可以勝任隧道襯砌無損檢測任務(wù)，且檢測效率高，檢測結(jié)果可靠度高。

7.2 對地質(zhì)雷達(dá)探測最有影響的是介電常數(shù)和電導(dǎo)率，所以應(yīng)該在測量之前反算介電常數(shù)，保證檢測數(shù)據(jù)的精確度，同時(shí)注意避免水的影響。

7.3 采集程序優(yōu)化，按里程5m或10m打標(biāo)記錄，每50m樁號確定水平位置，最后便于對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行里程校正。

7.4 工作時(shí)按探測目標(biāo)深度選擇合適的天線和觀測參數(shù)。

7.5 現(xiàn)場實(shí)際中如果能配合其他檢測方法使用，則地質(zhì)雷達(dá)在隧道襯砌檢測中發(fā)揮更大潛力。

參考文獻(xiàn)

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作者簡介：劉洋（1984-），男，河北承德人，助理工程師，碩士。