隧道監測中地質雷達的應用分析

陶雄　王朝龍　李艷

（云南航天工程物探檢測股份有限公司　云南　昆明　650217）

隧道監測中地質雷達的應用分析

陶雄王朝龍李艷

（云南航天工程物探檢測股份有限公司云南昆明650217）

我國經濟正在飛速發展，新建隧道工程越來越多，隧道開挖過程中，運用雷達能夠提前探測隧道內部情況，提供準確的地質資料，供設計師和施工人員及時調整施工方案，減少隧道挖掘中事故的發生。地質雷達能夠廣泛應用到隧道地質勘探中，主要是由于雷達能夠精確、快速的探測隧道前方地質情況，能夠通過傳感系統傳輸到圖像上，使人們能夠直觀分析隧道前方的情況。

地質雷達；超前地質預報；電磁波；介電常數

地質雷達是一種利用電磁波高效、便捷、直觀、準確的反應出隧道內部情況的技術，被廣泛應用于隧道地質勘察、巖土檢測等方面。近幾年地質雷達的運用十分廣泛，在探測領域發展非常迅速。地質雷達能夠對已建成或者建設中隧道情況進行質量檢測，對隧道施工具有一定指導作用，質量檢測人員可以通過地質雷達對混凝土密實度、隧道斷面尺寸、鋼筋架結構等方面進行檢測，預報施工質量，指導以后施工方向，有力控制隧道工程質量，保證使用安全性。

1　地質雷達在隧道工程中提前預報的意義

我國處在經濟高速發展的時期，每年有很多公路、鐵路都在建設中，國家對建設工程的投資巨大，目的是快速提高全國交通運輸能力，加快偏遠地區經濟發展。對于崇山峻嶺中修建公路工程，考驗著我國設計師和施工人員的技術，同時對施工設備的要求也越來越高。

1.1安全性

隧道施工過程中最大的障礙，就是難以勘察其地質情況，設計師無法判斷地質情況，設計出來的施工方案充滿不確定因素，而地質雷達能夠解決這一難題。通過電磁波探測前方隧道中存在不良地質因素，避免施工過程中遇到斷層、暗河造成人員傷亡，可以提高工程效率減少事故發生[1]。

1.2經濟性

以往的勘探方式在可靠性和安全性上都難以滿足，地質雷達的應用，簡化了地質勘探步驟，減小隧道工程師的工作難度，對于施工企業在人力、物力、時間等各方面都能夠明顯減少消耗，將更多資源運用到更需要的地方。隨著科技的發展，地質雷達技術的功能會越來越強大，大幅度降低工程造價，工作效率會大大提高。

2　地質雷達技術應用現狀

地質雷達作為高科技的產物，可以用于隧道工程、建筑工程、環境工程等地質探測領域。地質雷達適用于確定地下介質分布的無損探測儀器，能夠通過電磁波脈沖對地下情況進行探測，在80年代的法國就已經開始采用地質雷達技術為隧道工程服務，發出的電磁脈沖通過地下介質反射上來，由其接收，然后分析處理成圖像形式并顯示出來。我國的專家學者們也在進行雷達地質勘探實驗，到90年代以后，一大批我國的地質雷達研究工作者取得滿意的成果。

2.1襯砌背后空洞檢測

在隧道開挖以后發現前方有破碎層或者無法繼續施工的情況時，必須采取回填方式，而回填方式處理不當會造成襯砌背后空洞，影響隧道安全。采用地質雷達技術，針對回填部分進行檢測，確定回填處理是否完善，及時采取補救措施，保證襯砌內緣不會出現壓裂、掉塊等現象，保證隧道安全。

2.2層間脫空檢測

層間脫空是指，隧道頂部的混凝土存在自重影響，與周圍襯砌及圍巖的咬合度不夠，造成兩者之間產生空隙。雷達監測技術針對這種情況進行探測，并將探測結果反映到圖像上。工程人員對隧道拱頂、拱腰處設置均勻測線，使雷達能夠對層間脫空地段進行掃描，即可讓施工人員進行精確定位檢修[2]。

2.3襯砌厚度檢測

襯砌厚度是決定隧道工程質量的重要指標，雷達可以通過傳輸電磁波到隧道圍巖、初襯以及二襯，通過反射到表面的時間計算出襯砌厚度。目前，部分隧道工程采用檢測初襯和二襯之間的金屬反射片，通過反射片使雷達接受的電磁波信號更加精確，提高地質雷達檢測的精確度。

2.4支護結構質量檢測

對支護結構的檢測主要對其應受力、原材料質量、結構厚度和強度等方面。雷達通過接收鋼筋、型鋼拱架及二襯對接收的電磁波程度強弱，并進行數據分析得出有關支護結構的信息。雷達還需要檢測襯砌內鋼支撐結構性能，檢查其是否滿足設計要求。

3　地質雷達超前地質預報的原理及發展

3.1地質雷達系統的工作原理

地質雷達是通過高頻電磁波探測地下介質情況的檢測系統。通過自身發出電磁波和接受反射電磁波信號，分析回波能量，形成數據信息。介質的差異會導致反射電磁波變化，所以對接收到的電磁信號進行基本分析，就可以推斷出目標地點的空間結構。其公式表示為：

式中：h為地層的厚度；x為發射線和接收天線之問的距離；v為地層介質的電磁波的傳播速度，其x、v和t為已知數據。

3.2電磁波的反射與折射

雷達在探測過程中會遇到不同的反射與折射，主要是因為其探測的介質屬性不一致。通過不同介質的反射定理，能夠對隧道中不良土體進行預測。

其反射系數為R，折射系數為T，a，b為介質的介電常數：

通過公式可以看出介電常數的差異那個能夠影響探測系數。其差異越大，探測結果更加強清晰，這是地址雷達探測分析的基礎公式。

3.3探測方法

探測時將儀器緊貼于探測表面，然后發射探測信號，向巖土體內部連續不斷的發射電磁波脈沖。直到電磁波遇到介質干擾，就會將介質性質反射回地面，儀器的接收天線接收到反射信號后記錄，收到反射波時間和反射波振幅等數據變化。然后雷達內部處理器將接收到的數據形成地質探測時間剖面圖，通過坐標圖的橫軸和數軸，反應不同監測點上雷達發出電磁波經由介質反射會接收器的雙程走向。能準確的反應監測點前方物體的物理性質和反射面的變化[3]。針對地形條件復雜的地方可以進行反復測量，通過多次探測數據分析監測點的地質條件。

3.4探測數據處理技術

地質雷達探測發出的電磁波波長都是由人為控制，電磁波在傳遞過程中，其能量會衰減，反射過程中電磁波能量均被介質吸收。而且地下未知物質的性質施工人員不得而知，這些因素都會造成放射數據失去精確性，所以探測儀對數據的處理技術需要達到使用要求。

3.4.1數字濾波

雷達監測過程中，通常使用髖頻帶記錄數據，目的是保證反射數據的真實性，同時還可以記錄傳輸過程中產生干擾的電磁波種類。所以數字濾波技術是用來壓制不同介質產生的干擾波，具有良好的效果[4]。

數字濾波是通過數學計算方式對離散數據進行過濾，保證雷達最高精確度，采樣間隔必須滿足數學定律：

3.4.2反濾技術

雷達探測發出脈沖形狀的理想狀態是一個見脈沖，由于現實條件限制，導致實際變成具有一定時間延續的波形b。根據有關計算式反應得出：

一般情況下反射波的延續周期為10～20ns，間隔不大的情況下，中間細微的差別很難在圖像中反應出來。

3.5未來發展前景

我國已經在隧道預測地質雷達探測方面有一定的成果，但是還存在需要完善的地方。比如，針對隧道環境較差的地方，提高雷達抗干擾能力，降噪能力加強，識別雷達圖中異常點。深入探討雷達數據處理技術中的缺陷，提高反射回波的分析能力，對于巖體不良地質較多的地段進一步完善，此外對系統的穩定性還需要在實際工作中不斷驗證[5]。

4　結束語

綜上所述，隧道中地質雷達這一新科技手段能夠提高隧道工程師的工作效率。其優勢和特點都十分明顯，操作簡單、分辨率高、屏蔽效果好，所呈現的圖像直觀便于分析，能夠快速了解地質情況，及時解決問題。在隧道勘察工作中起到積極的指導作用，同時能夠對隧道工程的質量進行檢測。對于隧道工程具有重大意義，所以地質雷達的應用很大程度上提高施工質量。同時通過采取該手段進行檢測可以及時發現問題、及時處理問題。在對保證隧道施工質量控制起到有效的監督作用.對后續施工起到警示作用。確保隧道的施工質量。

[1]張晨.隧道二次襯砌檢測中地質雷達數據處理方法研究[J].華中科技大學，2009，25（10）：76.

[2]李磊，陳光榮，楊燕偉，等.基于TRT6000彈性波反射法、地質雷達法、地質編錄的隧道綜合超前預報技術研究[A].//2011年全國大壩安全監測技術與應用學術交流會論文集[C].2011：91～96.

[3]YUJun，喻軍，LIUSongyu等.地質雷達在隧道地質超前預報中的應用研究[J].第六屆江蘇省巖土力學與工程，2009，24（5）：74～78.

[4]袁地鏡，王磊，李亞林等.地質雷達在薛城隧道地質超前預報中的應用[J].山西建筑，2010，36（27）：309～311.

[5]魯光銀，韓旭里，朱自強，等.綜合探測技術在公路隧道泥涌災害治理中的應用[J].防災減災工程學報，2009，25（3）：239～243.

U453.3

A

1673-0038（2015）25-0272-02

2015-6-4

陶雄（1985-），男，云南宣威人，助理工程師，本科，從事工程檢測工作。

王朝龍（1986-），男，云南保山人，助理工程師，本科，從事工程檢測工作。