地質雷達檢測在隧道工程中的應用

王菲

山東魁元工程質量檢測有限公司 山東濟南 250031

二十世紀以來，我國鐵路行業的快速發展，隨著鐵路網路越來越發達，鐵路隧道存在的質量風險也越來越高，我們需要及時地發現并處理。在西南地區橋隧比較高，隧道也成為高速鐵路建設中最重要的一環，但目前，由于設計、施工工藝、地質條件等因素，國內在建或已建成的鐵路隧道都存在不同種類的質量缺陷，如襯砌、仰拱的空洞、厚度不足、不密實等[1]。

1 地質雷達法

地質雷達是一種廣泛運用于實際生產中的地質測量技術，它通過發射不同頻率的電磁波并接收其反射回波，通過對反射回波的時間和信號的強弱來推測地下地質體的分布及變化情況。當發出的高頻電磁波在介質中傳播，遇到具有電性差異的介質交界面或地質異常體時，電磁波發生折射和反射，通過接收反射信號到達雷達天線的時間和信號強弱以及專業的數據處理與分析后，推測地下介質或不良地質體的分布與變化情況。在隧道短距離超前地質預報中，地質雷達具有體積小、集成度高、操作方便、測量時間短、預報準確度高等優點，它對山嶺隧道施工中遇到的溶洞、構造破碎帶、節理密集帶、軟弱夾層以及巖層地下水發育情況等地質問題都具有良好的預報作用。雷達反射波一般以脈沖波形形式記錄，由于介質的不均勻性及介質的介電常數差異，電磁波在介質中傳播時能量會出現不同程度的衰減和受其他信號干擾，造成反射波形與原始發射波形有明顯的差異，影響實測數據。為了提高分析結果的準確性，需適當處理原始數據，壓制干擾信號，改善其信噪比，進而獲得可以真實反映隧道前方實際地質情況的雷達圖像[2]。

2 檢測工作

測線布置：在鐵路隧道襯砌地質雷達檢測中一般布置5條測線，分別為拱頂、左右拱腰、左邊邊墻。檢測設備：美國勞雷公司生產的SIR-4000型便攜式地質雷達及900MHz、400MHz、200MHz、100MHz屏蔽天線。數據分析：采用地質雷達專用分析軟件：RADAN軟件，通過導入數據，距離歸一化，零點去除，數字濾波，里程樁號輸入，介電常數分析，偏移，目標體識別等步驟，綜合分析，判斷出質量缺陷。

3 具體應用

本文研究對象為在建雙向四車道高速公路，隧道為分離式隧道，設計行車時速為80公里，左幅隧道起終點樁號為ZK23+759-ZK28+225，長度為4466m，最大埋深約451m，右幅隧道起終點樁號為YK23+760-YK28+275，長度4515m，最大埋深455m。隧址區上覆第四系土層（Qel+dl）分布零星，厚度不大，有碎屑地段的粉質黏土以及可溶巖地段的黏土。

3.1 地質雷達在隧道襯砌的厚度方面探測分析

地質雷達對襯砌厚度的識別是通過電磁波在傳播過程中，由一種介質進入到另一種介質時，介質的介電常數發生變化才能接收到反射信號。反射信號的強度主要取決于上下介質的介電常數差值，介電常數差值越大，反射信號越強；介電常數無差異，則不發生反射。

3.2 雷達數據處理與解釋成圖

地質雷達數據處理包括預處理（標記和樁號校正等）和后處理分析，其目的在于壓制規則和隨機干擾，以盡可能高的分辨率在探地雷達圖像剖面上顯示反射波，突出有用的異常信息（包括電磁波速度，振幅和波形等）來幫助解釋。從地質雷達數據處理的原理中我們可以將地質雷達的數據處理分為以下幾步：①預處理；②振幅恢復；③去噪；④反褶積；⑤偏移成像；⑥復信號分析等步驟。在檢測過程中由于現場條件的影響，儀器接收到的信號會受到周圍環境的干擾。本次檢測受到的干擾主要有地質雷達測線附近地面存在孤立的物體，如路燈金屬桿、架空電線、注漿機械設備（如鉆機、電纜、挖掘機等）；在檢測過程中車流十分密集的干擾等。初始剖面由于干擾因素較強，不能精確判斷出細小的管道等地下隱伏物體，因此，必須對采集到的數據資料進行分析處理之后才能對道路實際情況做出分析判斷。

3.3 探測成果

該次預報雷達探測深度為30m（YK24+922-YK24+952），從雷達成果圖中得出：掌子面前方0-8m及8-30m左側前方雷達波以中頻反射信號為主，局部為中高頻信號，同相軸較為連續，振幅一般。推測對應區段圍巖完整性較差，節理裂隙發育，巖體破碎，溶蝕稍發育。掌子面右側前方8-30m雷達波以中低頻反射信號為主，反射波形較雜亂，整體振幅較高且多次震蕩，能量團分布均勻性較差，同相軸出現異常且局部呈弧形發展。推測對應區段圍巖破碎，溶蝕發育，存在與隧道軸線方向近一致的充填式溶洞[3]。

4 結語

應用地質雷達進行隧道質量檢測，應根據需要檢測目標體的特性，檢測的深度，設計參數，選擇適宜頻率的屏蔽天線，設置適宜的時窗、掃描速度，現場檢測時注意天線與被測物貼合度，已提高檢測質量，避免誤判漏判。在襯砌厚度判讀前，需對襯砌介電常數進行準確標定，找準雷達圖譜分中襯砌分界面，已提高厚度判讀精度。應用地質雷達對鐵路隧道進行雷達檢測，通過檢測、數據處理、圖譜識別能較好地識別出襯砌空洞，襯砌厚度不足、襯砌不密實等影響隧道運營安全的質量缺陷。