地質雷達在礦山隧道襯砌質量檢測中的應用

蔣嬋君，韋明新，王海燕

（桂林理工大學博文管理學院，廣西 桂林 541004）

近年來，隨著我國交通、水利、礦山工程建設等大型基礎工程施工力度不斷加大的情況下,礦山隧道施工活動也越來越多[1]。混凝土襯砌是礦山隧道的主要承載結構，也是其防水的重要工程，其施工質量的好壞對礦山隧道的長期穩定、使用功能的正常發揮具有很大的影響。礦山隧道混凝土襯砌常見的質量問題有：襯砌厚度不達標、塌方回填不密實、空洞未注漿處理、襯砌與圍巖之間有脫空、金屬架支撐數量不足等。

選用合適的礦山隧道質量檢測方法找出安全隱患就顯得非常重要，傳統的破損檢測弊端太多，不僅容易造成新的缺陷，而且很難對礦山隧道襯砌質量做出完整有效、廣泛和快速的檢測[2]。

而地質雷達是礦山隧道襯砌無損質量檢測中發展最為速和效果最顯著的方法之一。

地質雷達方法運用電磁波進行地表淺層探測，可以實時成像方便當場分析和判斷探測深度，直觀快捷的解釋圖形信息，擁有方便快捷、可重復檢測、無損、準確率高、樣點分布密、工作效率高等特點，使其在礦山隧道工程質量檢測中可以廣泛應用[3,4]。

1 地質雷達工作原理

地質雷達利用超高頻電磁波探測地下介質分布，它的基本原理是：發射機通過發射天線發射超高頻脈沖電磁波訊號，當訊號在巖層中遇到探測目標時，會產生一個反射訊號；反射訊號通過接收天線輸入到接收機，放大后由示波器顯示出來；根據接收到的反射訊號，可探測地下地層結構和埋藏的目標體，如圖1所示。

圖1 地質雷達原理圖

（上圖為電磁波遇到地下物體后的反射示意圖，下圖為地質雷達記錄）

2 應用實例

2.1 工程概況

此次研究區域位于滇西南，受構造作用沿線山脈大體呈南北走向，地表溝谷縱橫、地形起伏大，且斷層分布密集。本次檢測目的是探測初期支護和二次襯砌質量。

2.2 儀器

本次檢測使用雷達為美國GSSI的SIR-4000型號雷達，因為檢測深度在1m以內，故而選用400MHz中心頻率的天線[5]。

2.3 確定襯砌混凝土中電磁波的波速

電磁波速是時深轉換不可缺少的參數。因為礦山隧道襯砌的用料及施工情況不同，在襯砌中電磁波的傳播速度會產生一定的變化，所以地質雷達檢測礦山隧道襯砌質量時通常要在現場實測電磁波速[6]。

電磁波在襯砌中的速度可用理論公式(1)求出：

其中，c為空氣中電磁波的傳播速度，εr為襯砌的相對介電常數。相對介電常數εr可以查表或根據以往檢測數據得到。

2.4 地質雷達探測結果

圖2為礦山隧道襯砌貼合緊密的地質雷達記錄，屬于符合規范的施工。

圖3為襯砌中金屬支撐結構的地質雷達記錄：每個雙曲線代表一個支撐物，下圖為兩層支撐架的信號圖，第二層金屬支撐架的信號受第一層金屬支撐架的信號的影響。

圖4為金屬支撐拱形架的地質雷達記錄：與普通金屬架不同的是，拱形架比普通金屬架的半徑粗，相隔的距離也比普通金屬架要長，可以明顯的區分普通金屬架與拱形金屬架的信號。

圖2 礦山隧道襯砌密實

圖3 襯砌中的金屬支撐結構

圖4 金屬支撐拱形架

圖5 金屬支撐架缺失

圖5為拱頂段金屬支撐架缺失地質雷達記錄：在192670處深度約0.2m處，由金屬支撐架引起的雙曲線信號之間相隔約80cm，而設計支撐架相距25cm，說明拱頂段此處金屬支撐架的缺失。

圖6為拱頂段二襯與初襯之間脫空的地質雷達記錄：在193983～193987，深度約0.16m～045m處，出現了兩個振幅較大的界面反射信號，可以判斷該處是由于二襯與初襯之間未緊合而出現的兩個分界面，屬于存在比較大的缺陷。由于缺陷下方可模糊的看見由于缺陷存在而產生的多次反射波，在比較深的位置，空隙中不斷反射的反射波能量被消耗的太多，看到的信號模糊。

圖6 二襯與初襯之間脫空

圖7 金屬支撐架處脫空

圖7為拱頂段金屬支撐架處脫空的地質雷達記錄：在192487～192490處深0.12m～0.4m處有明顯的脫空信號，電磁波在由脫空產生的空隙穿過時能量大幅度衰減，導致該段在脫空處以后的信號都被影響，金屬支撐架應反射的信號被干擾到模糊不清，可以判斷該處為較大的缺陷。

圖8為拱頂段襯砌欠厚的地質雷達記錄：在193065～193070處，襯砌分界線均在0.30m以下，而襯砌設計厚度應在30cm以上，故推斷此處襯砌欠厚，缺欠厚度0cm～13cm。

圖8 襯砌欠厚信號

3 結論

地質雷達對礦山隧道襯砌的無損檢測以測線成果圖的形式直觀地反映出礦山隧道噴層厚度、金屬架支撐分布、襯砌密實、襯砌脫空、襯砌欠厚等不同情況，對礦山隧道襯砌質量監控起到了很好的作用，且具有無損、準確率高、樣點分布密、工作效率高等特點，使其在礦山隧道工程質量檢測中被廣泛地應用。