地質(zhì)雷達檢測在隧道工程中的應(yīng)用實踐

袁亮

摘 要 地質(zhì)雷達檢測技術(shù)是勘探淺層的關(guān)鍵手段。這項技術(shù)對目標(biāo)持續(xù)、高效、無損的檢測，進一步得到動態(tài)監(jiān)測圖像，并開展實時分析，獲得準(zhǔn)確的檢測結(jié)果。由于地質(zhì)雷達檢測技術(shù)穩(wěn)定、精度高及準(zhǔn)確，因此在隧道工程中廣泛應(yīng)用。故在隧道工程中合理應(yīng)用地質(zhì)雷達檢測技術(shù)，提高了檢測效率，本文系統(tǒng)討論了地質(zhì)雷達檢測技術(shù)的相關(guān)情況。

關(guān)鍵詞 地質(zhì)雷達檢測;隧道;應(yīng)用

1地質(zhì)雷達的原理與功能

1.1 基本原理

地質(zhì)雷達技術(shù)主要借助電磁波原理，全面了解無線電波檢測介質(zhì)的分布特點，對地下界面與肉眼不可見的目標(biāo)實行掃描。地質(zhì)雷達是一種電磁技術(shù)，有效確定目標(biāo)的形態(tài)與位置。電磁波的傳播由典型介質(zhì)特征決定，介質(zhì)的導(dǎo)電率與常數(shù)均體現(xiàn)出導(dǎo)電性，其中電磁波的穿透性被導(dǎo)電率影響，導(dǎo)電率既定時，介質(zhì)常數(shù)影響物體內(nèi)傳播電磁波的速率。不同的地質(zhì)形成不一樣的電性。因此，電性不同的地質(zhì)更容易發(fā)生反射。

1.2 地質(zhì)雷達的應(yīng)用功能

（1）隧道超前地質(zhì)預(yù)報。隧道施工的地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜多變，故要準(zhǔn)確了解隧道開挖面的水文地質(zhì)特點，系統(tǒng)收集地質(zhì)資料為隧道施工做準(zhǔn)備，不斷改進施工工藝，避免發(fā)生嚴(yán)重的地質(zhì)災(zāi)害。地質(zhì)雷達隧道超前預(yù)報是指不同介質(zhì)傳播電磁波的速度，通過地質(zhì)界面反射判斷掌子面前圍巖地質(zhì)情況和富水特征，對不良地質(zhì)、突水突泥和斷層破碎帶的位置和規(guī)模科學(xué)預(yù)測。

（2）隧道初支與二襯檢測。在襯砌項目的施工中，受力點集中在噴錨初期支護，二次模筑混凝土襯砌具有防水和存儲的作用。故而要對支護噴射混凝土層厚度綜合分析。目前，檢測隧道襯砌的過程中極少涉及噴層厚度的內(nèi)容，無形增加了檢測難度。我國的技術(shù)人員主要采取穩(wěn)態(tài)面波法、超聲波法和鉆孔取芯法解決檢測隧道襯砌存在的質(zhì)量問題，這三種方法自身也出現(xiàn)一定的缺陷，鉆孔取芯法有較強的破壞性且以點概面，超聲波與穩(wěn)態(tài)面波法不具備較高的檢測效率，容易中途停止測量。探地雷達是現(xiàn)代地球物理勘探領(lǐng)域內(nèi)全新的技術(shù)成果，它不只保證了測量的連續(xù)性，還減輕了破壞程度，屬于一種高級的檢測技術(shù)[1]。

2地質(zhì)雷達工作步驟

（1）準(zhǔn)備工作。隧道檢測之前利用地質(zhì)雷達技術(shù)準(zhǔn)備相關(guān)的施工材料。首先嚴(yán)格校準(zhǔn)，保證地質(zhì)雷達正常開展工作;其次，確定天線及掌握被檢介質(zhì)的實際速度;第三，消除外部因素的干擾，避免對地質(zhì)雷達電磁波正常傳播造成影響;第四，為檢測提供必要的輔助工具，如檢測車和焊制工具等，在檢測過程中提高地質(zhì)雷達天線的穩(wěn)定性，檢測中貼近天線和檢測面;第五，對檢測對象的樁號準(zhǔn)確標(biāo)記，避免檢測對象的位置發(fā)生改變。

（2）布置測線。地質(zhì)雷達檢測中天線移動的軌跡是測線。根據(jù)要求布置測線，通常包括三線、五線和七線的布置方法。

（3）采集檢測數(shù)據(jù)。設(shè)計地質(zhì)雷達參數(shù)。按文件與施工特點決定檢測深度，選擇適合的天線，一般超前預(yù)報對應(yīng)的屏蔽天線小于100Hz，襯砌對應(yīng)的屏蔽天線為900Hz，二襯對應(yīng)的屏蔽天線為400Hz，路面對應(yīng)的屏蔽天線在11500～5000Hz之間，參考檢測深度選擇相應(yīng)的天線和時窗。

地質(zhì)雷達使用點測法與連續(xù)測法搜集數(shù)據(jù)。點測法是對相同檢測點不斷疊加，表現(xiàn)出精測的特性，但不能實現(xiàn)連續(xù)操作;連續(xù)測法是在天線移動中不間斷成像，但精度不佳;超前預(yù)報通常選擇點測法，或結(jié)合點測法和連續(xù)測法。

地質(zhì)雷達的檢測數(shù)據(jù)和檢測長度是正比關(guān)系，要想保證檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性，應(yīng)統(tǒng)一檢測成像與檢測位置。檢測操作人員結(jié)合檢測過程決定停止或恢復(fù)檢測，盡量避免出現(xiàn)一些次要的數(shù)據(jù)，降低其影響結(jié)果的程度。

（4）數(shù)據(jù)分析。結(jié)束現(xiàn)場檢測后，全面分析檢測數(shù)據(jù)，對襯砌厚度精確計算，進一步形成客觀的結(jié)果。

（5）數(shù)據(jù)應(yīng)用。地質(zhì)雷達探測結(jié)束后，向工地傳輸測試的結(jié)果，安排各項施工工作，施工方及時核對探測的數(shù)據(jù)，如發(fā)現(xiàn)施工問題，按檢測結(jié)果實行調(diào)整，保證施工的安全[2]。

3地質(zhì)雷達檢測在隧道工程中的應(yīng)用實踐

某隧道工程位于丘陵地帶，地勢體現(xiàn)出起伏的特點，進洞口的坡度保持在20°～25°之間，比較穩(wěn)定，洞身海拔最高達500m，寬度狹窄，但整體發(fā)育較好，在縱深向出現(xiàn)了割裂。區(qū)域表層是粉質(zhì)黏土成分，形成適中的強度和壓縮性，完整性不足，巖體相對破損，降低了強度，各個層次出現(xiàn)互層問題，開挖后應(yīng)立刻支護，有效預(yù)防坍塌。

（1）檢測內(nèi)容。檢測過程中，要精確掌握不良地質(zhì)與掌子面的位置、寬度與性質(zhì)等，了解隧道受影響的長度。在比較復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境內(nèi)，重點把握開挖面地質(zhì)水文特征，總結(jié)和整理地質(zhì)材料，從而對施工技術(shù)合理調(diào)整，減少地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的次數(shù)。檢測選擇地質(zhì)雷達技術(shù)，實現(xiàn)了超前預(yù)報地質(zhì)情況，定位斷層破碎帶在不良地質(zhì)的具體方位。從而更好開展施工。項目施工最初階段，通過噴錨處理支護，繼續(xù)開展二次模筑混凝土襯砌施工，避免結(jié)構(gòu)不完全受力。在襯砌檢測中，主要考察初期支護混凝土層的施工厚度，襯砌質(zhì)量滿足設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。利用傳統(tǒng)的施工方法，容易造成一定破壞，降低施工效率，無法檢測完整的結(jié)構(gòu)。利用地質(zhì)雷達技術(shù)對結(jié)構(gòu)不間斷檢測，彰顯了無損檢測的功能，是工程檢測最理想的方法之一。二次襯砌檢測中，有必要綜合控制襯砌與二次襯砌的密實性，及其分布在脫空區(qū)的特征，以耦合方式檢查襯砌層和圍巖，了解鋼筋的分布數(shù)量。

（2）檢測方法。①檢測準(zhǔn)備。地質(zhì)雷達檢測之前，做好相關(guān)的準(zhǔn)備工作，正確應(yīng)用設(shè)備，合理分布測線。建議使用美國SIR3000型探地雷達設(shè)備，以高精度技術(shù)持續(xù)測量與存儲數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確標(biāo)記測線樁號。根據(jù)檢測的深度選擇天線的使用規(guī)格，還可以通過增加頻率降低深度，從而增強分辨率。利用400～900Hz天線檢測初期支護表面，使用200～400Hz天線檢測二次襯砌隧道結(jié)構(gòu)，對隧道測線合理布置，沿隧道縱向?qū)嵤┎季€。②數(shù)據(jù)采集。將天線與探測目標(biāo)表面貼合后使用地質(zhì)雷達技術(shù)檢測，沿測線緩速滑動，利用主機傳遞高度脈沖，迅速采集數(shù)據(jù)。采集數(shù)據(jù)時需對相關(guān)的參數(shù)科學(xué)設(shè)置，保證清晰成像，使檢測結(jié)果符合實際情況。在現(xiàn)場檢測中，客觀判斷各個參數(shù)，根據(jù)檢測深度與介質(zhì)速度，對時窗長度估計。檢測之前，選擇不間斷掃描探測方法，通過透視探測方法對結(jié)構(gòu)實現(xiàn)檢測。選擇濾波器時，可選擇自動式，若還有其他的要求，則結(jié)合手動式應(yīng)用。在調(diào)校過程中分別選擇高通和低通兩種方式。針對400Hz天線，以1/4中心頻率設(shè)計高通截止頻率。如低通頻率應(yīng)達到800Hz。當(dāng)成像比較模糊時，利用濾波器處理帶有噪點和干擾信號的檢測結(jié)果。

在高通與低通之間實現(xiàn)轉(zhuǎn)化。濾波器功能增強時，信號易丟失，威脅了檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性，需要由反向?qū)嵭姓{(diào)節(jié)，增加信號的強度。采取手動方式調(diào)整增益，在頂端位置對直達波調(diào)校，不斷優(yōu)化反射波的位置，使回波圖更加完整。以預(yù)處理方式獲取數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)的標(biāo)題與內(nèi)容綜合檢驗，之后以濾波分析濾除噪聲信號，保存有價值的信號。

（3）圖像分析。使用REFLEXW7.0軟件繪制地質(zhì)雷達波形圖。以最大分辨率在地質(zhì)雷達剖面圖上顯示反射波，分析圖像時需借助使磁波振幅、波形等參數(shù)。當(dāng)振幅較強時，介質(zhì)形成差異化的電磁學(xué)性質(zhì)，根據(jù)振幅對介質(zhì)屬性客觀評判。介電常數(shù)與傳播數(shù)值呈反比關(guān)系。若是負(fù)的反射波系數(shù)，則振幅的方向正相反，因此對截面兩側(cè)分布的介質(zhì)屬性自行判斷。通過分析襯砌結(jié)構(gòu)厚度可知，襯砌結(jié)構(gòu)的介質(zhì)電常數(shù)不同于初期支護、圍巖等，前者的反射截面包含反射信號，可獲得真實的襯砌厚度。物質(zhì)表面通過幾何反射波的高低頻率有效區(qū)別。不同介質(zhì)的結(jié)構(gòu)有不同的特點。比如巖層與混凝土的結(jié)構(gòu)相對均勻，而反射波很少，且反射波容易出現(xiàn)在缺陷位置，巖層的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，易產(chǎn)生頻率較高的干涉。根據(jù)同相軸科學(xué)分析地質(zhì)雷達圖。按照同相軸的特點，全面解析界面。由于邊緣反射效應(yīng)的影響，導(dǎo)致邊緣形態(tài)與同相軸的區(qū)別顯著，有必要聯(lián)系同相軸的方向、時間和強弱等展開研究。當(dāng)混凝土脫空時，襯砌結(jié)構(gòu)與圍巖、空氣介質(zhì)等的性質(zhì)不同，造成上下層的反射信號顯著，反射同相軸不斷增加能量。結(jié)合時間因素，了解脫空區(qū)域電磁波的區(qū)域時間。

（4）檢測結(jié)果。檢測區(qū)域電磁波信號連續(xù)的同相軸，局部區(qū)域分布呈斷續(xù)特點。而中-低頻率的反射信號形成較強的振幅和低頻振蕩;傾斜貫穿的裂縫出現(xiàn)在斷掌面前50ns，體現(xiàn)出較強的富水性，160ns區(qū)域的深含水問題比較嚴(yán)重，直接威脅了巖層的穩(wěn)定性。

選擇數(shù)值為20cm的S4支護。圍巖與二次襯砌混凝土結(jié)構(gòu)的介質(zhì)參數(shù)較大，電磁波在界面?zhèn)鞑r形成了反射信號。準(zhǔn)確控制檢測內(nèi)的鋼筋數(shù)量，檢測長度12.5m，距離25cm，實際檢測距離25cm，數(shù)據(jù)符合設(shè)計要求。由圖像分析，曲線變化規(guī)律決定了鋼筋分布的位置。經(jīng)科學(xué)判斷，開挖掌子面不存在欠挖或超挖的問題，有效預(yù)防了圍巖和襯砌結(jié)構(gòu)產(chǎn)生孔洞[3]。

4結(jié)束語

綜合分析，地質(zhì)雷達檢測技術(shù)廣泛應(yīng)用在隧道工程檢測中，首先要科學(xué)選擇設(shè)備與檢測參數(shù)，系統(tǒng)分析檢測結(jié)果，精確了解隧道施工中存在的質(zhì)量問題，為施工提供參考，提高隧道工程檢測的精確性。

參考文獻

[1] 張明臣，魏燧，蔣斌松.地質(zhì)雷達在寒區(qū)隧道襯砌質(zhì)量檢測中的應(yīng)用研究[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2018（1）：187-191，201.

[2] 黃勝舉.地質(zhì)雷達在鐵路隧道仰拱質(zhì)量檢測中的應(yīng)用與探討[J].科技資訊，2018（26）：35-36.

[3] 李可丁.地質(zhì)雷達技術(shù)在巖溶隧道超前地質(zhì)預(yù)報中的應(yīng)用[J].中國科技縱橫，2018（22）：114-115.