探地雷達在隧道檢測中的應用

梅本榮，蔣宣艷

(貴州省質安交通工程監控檢測中心有限責任公司)

1 探地雷達的基礎理論

1.1 基本原理

探地雷達的組成包括:主機、天線和配套軟件等，其原理是:發射天線向探測方向發射高頻脈沖電磁波，由于電磁波的傳播特性，在其遇到界面或不均勻體時，部分電磁波會被反射回來，雷達主機通過同反射回來的反射波進行接收、分析，可達到探測地下的目的。但需要注意的是，電磁波的反射系數并不確定，根據介質的介電常數不同而不同，但在特定介質中的傳播速度V是不變的，并且108m/s，V為電磁波在大氣的傳播速度;ε為相對介電常數)。由此可得出地質界面深度的計算公式(1)

式中:ΔT為地面和地下反射波的時間差。

1.2 探地雷達工作方法

探地雷達的現場工作方法通常采用剖面法和寬角法。

剖面法是發射天線和接收天線同步移動，每次的移動都以等值間距，記錄點位于 T R中點，并且通過計算天線距，D為目標體的深度。

寬角法有兩種移動方式，一是固定一個天線，移動另一個;兩個天線由一個點向兩側反向移動。寬角法通過記錄電磁波脈沖雙程傳播時間，傳播速度較快的在圖形中傾斜度較小，較平緩，傳播速度較慢的傾斜度較大，較陡。

1.3 探地雷達數據處理方法

探地雷達的數據處理方法較多，有SEC增益、高通、小波變換處理、修飾性處理等。中低頻雷達和高頻雷達由于天線特性不同，抗干擾能力、信噪比也不相同，因此在實際探測工作中的數據處理方法，應根據實際工作情況進行選取。

2 工程應用分析

2.1 隧道掌子面前方地質情況預報

隧道挖掘過程中的人身傷亡、設備損壞等事故屢見不鮮，究其原因，大多是由于掌子面前地質情況不詳，對不良地段的施工沒有采取安全措施，不僅給施工帶了損害，也給國家帶了經濟損失。因此在隧道施工中，對不良地質構造進行研究判斷，對于安全施工、科學設計挖掘方案具有重要意義。隧道掌子面前方地質情況預報可分為中、長距離預報和短距離預報，中、長距離預報一般采用淺層地震方法，短距離預報呵采用探地雷達或聲波探測。

地震方法的實施是在掌子面不同高程上水平布置幾條地震測線，用石膏在掌子面上等距離粘接檢波器，使用大錘在測線兩側激發地震波。

探地雷達方法的實施是在掌子面兩側洞壁及掌子面上水平布置雷達測線，使用100 MHz天線等距離點測采集。在K241+138～K241+063段有斷層 3處(F115、F120、F135)，巖性異常帶一處。綜合解釋所推斷的位置為K241+115、K241+120、K241+135，巖性異常帶位置為K241+068。挖掘證明，有斷層2條(F115、F135)，出露樁號與推斷位置相差1m左右，走向近EW，斷距0.3m。巖性異常帶為破碎帶，寬度約10m，系由偉晶巖及角閃巖多次侵入造成。

2.2 隧道襯砌質量檢測

隧道襯砌后質量問題受到多種因素影響，如:隧道襯砌混凝土厚度不能滿足工程要求或隧道存在脫空等，地質雷達的高效、高分辨率的檢測，可以有效地避免這些問題，為隧道的科學施工提供依據。

探地雷達法進行隧道襯砌質量檢測的主要內容是混凝土密實性、脫空和襯砌厚度。檢測中一般采用500 MHz或900 MHz高頻天線，檢測厚度可達幾十厘米。測線一般布置在隧道的拱頂、拱腰及邊墻三個部位，拱頂為隧道的正頂部附近，拱腰為隧道的起拱線以上1m左右，邊墻為排水蓋板以上1.5m左右。

隧道檢測時雷達天線的快速運動往往形成天線貼壁不良，有較強的多次波出現，此外，隧道內電纜、鋼管排架等對雷達數據有較大干擾，為了壓制干擾，對隧道檢測的探地雷達數據在解釋前必需經過水平濾波、反褶積濾波和偏移濾波等數據處理，消除削面上的多次波和其他背景干擾波。

襯砌厚度評價，首先在探地雷達削面上確認出混凝出與巖石界而間的反射波同相軸，讀取反射放雙程旅行時間。按公式H=V×t/2計算出混凝上襯砌厚度:速度V可通過明洞地段標定:密實度的評價可根據探地雷達削面反射波振幅、相位和頻率特征劃分為密士和不密實兩種類別.不密實的混凝土體在雷達削面上波形雜亂.同相軸錯斷:脫空體在雷達剖面上在混凝土與圍巖交接面處反射波同相軸呈弧形，與相鄰道之間發生錯位，依此特征可計算出空洞的范圍，由于爆破使圍巖表面凹凸不平，因此在確定脫空時應對剖面上的異常加以細致的分析和確認。

廣西省某公路隧道全長約1.6km，為了全面了解襯砌質量.在隧道既將貫通前開展廠探地雷達檢測。檢測的主要內容是混凝土襯砌厚度是否滿足設計要求以及是否有較大脫空.檢測中采用SIR-2型探地雷達，使用的雷達天線頻率為500 MHz。開設的時窗為40 ns。測量點距為10cm:測量中以測量輪跟蹤記錄里程。

該隧道襯砌類型為:Sm3。設計襯砌厚度40cm;Sm4，設計襯砌厚度35cm;Sm5，設計襯砌厚度30cm。該區段襯砌類型Sm5。設汁襯砌厚度30cm。圖中10ns附近起伏變化的同相軸為同巖界面反射波同相軸，圖1為根據反射波雙程走時計算出混凝土襯砌厚度解釋曲線。

圖1 K21+390K21+430區段邊墻測線混凝土襯砌厚度解釋曲線

數據解釋時，取電磁波在混凝土中傳播速度V=0.12m/ns，所檢測的1.2km范圍內，在隧道邊墻和隧道拱腰處有100余點(處)，襯砌厚度小于設計要求，最大欠挖為了7～9cm，未見到大范同的脫空現象。

3 結語

(1)可準確預測隧道地質情況;(2)可檢測出二次襯砌的厚度，襯砌混凝土的蜂窩異常和襯砌后空洞異常等情況，達到了預期的目的;(3)建議在施工處理后對異常區段進行復測，以了解實際處理效果。

[1] 李大心.探地雷達方法與應用[M].北京:地質出版社，1994.

[2] 譚春，王永，楊振濤.高頻地質雷達在堤壩路面質量評價中的應用[J].上海地質，2007，(2).