探地雷達在引水工程隧洞二襯回填灌漿質量檢測中的應用

唐嘉洪

（廣東省水利水電科學研究院，廣東 廣州 510635）

0 引言

探地雷達主要采用時間域脈沖雷達，通過將寬頻帶脈沖發射至地下介質內，并接收反射信號以達到探測地下介質的目的。隨著電子技術的快速發展，地震勘測技術日趨成熟，探地雷達檢測技術也取得突破性進展，相繼應用于中國水利、建筑、地礦、鐵道、環境勘察、地下水污染等領域，成效十分顯著。但是由于地下介質的復雜性、無規律性、非均質性等特征，探地雷達檢測過程和結果受到諸多因素的干擾和影響，為此必須從其工作原理出發，加強影響因素分析及過程控制，保證檢測結果的準確。

1 探地雷達工作原理

1.1 工作原理

探地雷達主要根據不同介質電磁屬性方面的差異，使雷達反射回波波長、波幅、波形等方面存在差異及變化，利用這種差異和變化對所檢測對象質量做出評價。在檢測過程中，主要通過雷達上的發射天線向待檢測介質內部發射高頻脈沖電磁波，電磁屬性經過缺陷區域時會發生變化，導致部分電磁波發生反射，接收天線接收到反射回波后便可判斷出缺陷所在區域、缺陷尺寸及類型。這一過程詳見圖1。

圖1 測量位置與所對應的探地雷達剖面記錄示意圖

式中：ε1、ε2—界面上下介質相對介電常數。

觀察式（1）可以看出，若介質中介電常數差異較大，則電磁波在抵達界面的同時必將發出反射回波信號；考慮到空氣、水分、混凝土、鋼筋等不同材料具有不同的介電常數，便能根據反射回波信號的變化探測出結構中存在的灌漿不密室、空洞、積水等缺陷。

1.2 探地雷達數據處理

在進行水利水電工程灌漿施工質量檢測時，注漿材料、鋼筋、混凝土形狀及尺寸等因素會對探地雷達圖像造成較大干擾，為此，必須應用Matlab軟件進行水利工程回填灌漿空洞數值模擬，輔助識別雷達剖面圖像特征，增強數據處理及解釋的準確性。

概括和體現宏觀電磁場變動趨勢規律的Maxwell旋度方程主要基于Yee氏網格進行差分方程推導，并得出顯式差分格式方程，該方程推算空間電磁場變化規律的依據主要是時間步長，且為達到分析過程的穩定及結果的準確，要求時間步長必須小于電磁波傳播所對應空間步長耗費的時間，若以上條件無法滿足，則必將造成電磁波傳播因果關系的破壞。

假設存在兩組不同類型的信號，一組為有效信號和干擾信號所組成的混合信號，另一組單純為干擾信號，將第一組信號和第二組信號相減所得出的信號為單純的有效信號。從理論上而言，在以上相減的過程中，如果兩個干擾信號振幅、頻率及變動方向完全相同，則相減后僅得出有效信號；如果兩個干擾信號變動方向不同但振幅、頻率完全一致，則相減后的信號中既包括有效信號，也包括干擾信號，并且有效信號將得到大大增強。

2 工程應用

2.1 工程概況

潮州市韓江鹿湖隧洞引水工程作為韓江榕江練江水系連通工程的重要組成部分，主要發揮著連通韓江與楓江的作用，引水線路長7.75 km，引水流量設計值為46.52 m3/s，屬于Ⅱ等大（2）型工程。根據設計圖紙，該引水隧洞總長度為7 707 m，隧洞內徑7.80 m，二襯與管片間盾構段及二襯與初支間鉆爆段二次襯砌混凝土厚度分別為45、50 cm。根據設計文件要求，采用探地雷達法進行該隧洞引水工程隧洞回填灌漿質量檢測，重點檢測二襯與初支間（鉆爆段）、二襯與管片間（盾構段）是否存在脫空現象。

2.2 探地雷達檢測

2.2.1 檢測方法

采用美國GSSI公司研發的信噪比高、測量速度快、可連接使用多種頻率天線的SIR-20型探地雷達檢測系統，該設備設計增益范圍-20～+100 dB可調，數據采集率800線/s，數據輸出格式為8位/16位可選。該檢測系統主要由微型計算機控制，能夠實現實測剖面數據的實時顯示、記錄與分析，并能與微機工作站聯網后實時傳輸數據，并主要在工作站完成數據后處理。將通過探地雷達所收集到的原始數據全部輸入計算機處理系統后，經由RADAN后處理軟件對初始數據展開分析、濾波處理以及振幅均衡消散處理后，形成地質解釋用剖面，從而得出最終檢測結果。

根據檢測方案，各檢測洞段現場檢測測線均順洞軸線方向布置，同時沿洞室拱頂60°范圍內平行設置三條探地雷達測線，分別位于拱頂以及左、右拱處，具體見圖2。

圖2 探地雷達檢測測線布置截面圖

該引水隧洞二襯回填灌漿施工質量檢測主要委托項目所在省某物探技術開發工程公司實施，為100%第三方檢測，檢測范圍為引水隧洞主洞K0+069～K7+707洞段。結合委托要求，檢測方及時安排專業技術人員進場開展檢測工作，于2021年3月22日至4月19日實施全線初檢，共檢測隧洞里程數和剖面總長度分別為7 519、22 557 m；2021年4月28日至4月30日主要針對初檢中所查出的脫空缺陷由施工單位實施補注漿處理后展開復檢，復檢隧洞里程1 000 m，探地雷達測線工作量共為3 000 m。初檢和復檢共完成檢測剖面長度25 557 m。初檢和復檢完成工作量情況具體見表1和表2。

表1 引水工程主洞探地雷達法初次檢測工作量統計表

表2 引水工程主洞探地雷達法復檢工作量統計表

2.2.2 檢測結果

根據探地雷達時間剖面，本次檢測數據分辨率和信噪比均較高。結合同類型工程檢測實踐，應按以下原則進行此次探地雷達檢測成果解釋：二襯與初支之間的脫空異常使得兩者界面反射波振幅顯著增強，隨著脫空體厚度的增大，反射波振幅持續增強；嚴重脫空區域實測剖面對應部位存在數次反射；無脫空部位各層位界面反射波表現為同相軸連續特征，振幅變化小。檢測深度內電磁波波速均值達到0.12 m/ns。根據對檢測結果的對比分析，在無病害體發育部位，探地雷達反射波信號頻率并不發生明顯波動，振幅強度也基本一致。

根據受托方檢測單位所出具的報告，此次對韓江鹿湖隧洞引水工程隧洞二襯拱頂回填灌漿質量所實施的探地雷達檢測范圍幾乎覆蓋整條隧洞，僅局部地段因渣料堆積、電纜干擾等原因，不具備測試條件而未能檢測。此次檢測隧洞主洞里程7 519 m，初檢和復檢共完成檢測剖面長度25 557 m。檢測結果如下：①初檢確定出的脫空發育洞段為鉆爆段：0+260～0+360段、1+070～1+160段、2+560～2+610段；盾構段：5+370～5+450段、5+740～6+420段。②施工單位將上述脫空發育洞段補灌漿處理后，檢測單位又于2021年4月28日至4月30日對脫空發育洞段展開復檢，根據復檢結果，初檢過程中所查出的脫空洞段已不存在脫空異常。

3 結論

綜上所述，探地雷達屬于無損原位測傷技術，具有快捷、準確、安全、高效等優勢，應用領域也在持續拓寬。探地雷達抗電磁干擾能力強，適用于各種噪聲、輻射及污染環境，探測深度和分辨率與相關規范所規定的標準值十分接近，只需在探測現場按要求施測，便能直接得到實時剖面記錄，通過相關數據后處理軟件進行數據存儲、處理，以上全過程均可由便攜式微機實施控制，工效高。但是，電磁波在探測介質中傳播存在消耗性以及介質的非均質性，測試結果缺乏地質解釋模型而主要憑借人工研判，為保證測試結果的準確，最好結合使用其他物探技術，綜合探測。