探地雷達檢測技術在隧道初期支護檢測中的應用

連偉章

（甘肅省有色地質調查院，甘肅 蘭州 730000）

1 探地雷達系統及工作原理

1.1 探地雷達系統介紹

目前，我國從國外進口的雷達有：美國 GSSI的 SIR系列、意大利 IDS的RIS-2K/MF、加拿大Sensors&軟件的 EKKO、瑞典 MALA的 RAMAC/GPR等。文章著重對美國 GSSI公司研制的SIR-3000雷達進行了詳細的分析和研究。SIR-3000型可攜帶式探地雷達主要包括3個部件：主機、控制顯示部件、天線。主機主要由電源、軟驅、復位開關、磁帶機、SCSI連接器、連接板等組成。控制顯示部分由顯示器和功能控制按鍵構成，可對相關結果進行實時監控和計量。

1.2 探地雷達的工作原理

探地雷達法是利用地層中不同介質的介電常數差異這一物理原理來實現的。在探地雷達工作的時候，雷達發出并接受高頻短脈沖電磁波（通常頻率為10～2 500 MHz），然后通過雷達系統所收到的從被檢測體內部介質所反射的電磁波的波形、振幅、頻率、相位等物理特性，對被檢測體的位置、埋藏深度、形狀、結構、物質特性等做出初步的判斷，然后再與有關被檢測體的基礎數據、文獻等進行全面的分析與判斷。通過接收到的波形、振幅等數據，反演該介質的結構，并通過雙程旅行時間t，反演該介質的厚度（D=vt/2，這里v=c/，c是電磁波在真空中傳播的0.3 m/ns，εr是相對介電常數）。在用探地雷達對隧道襯砌質量進行測量的過程中，將發射天線和接收天線緊密地貼在襯砌混凝土表面上，當發射天線沿著被探測物表面運動的時候，就可以得到混凝土內部介質剖面的圖像。

2 隧道初期支護及檢測特點

2.1 不同圍巖條件下的初支設計

開挖隧道將使地層初始應力失去平衡，圍巖應力釋放，最終造成孔隙變形，變形過量將造成圍巖松動，甚至有可能造成隧道塌方。在隧道中，通常采用鋼筋或混凝土作為支撐物，以起到支撐物的作用，防止巖體變形。在隧道的初期支護中，最常用的就是錨桿、噴混、鋼拱架、鋼筋網等，鐵路隧道中常用的支護結構，以雙線鐵路隧道250～350 km/h 為例，如表1所示。

表1 鐵路隧道常見初支結構歸總表

2.2 初支檢測鋼拱架尺寸的歸總

預支檢驗包括噴射混凝土的厚度、鋼拱架的間距、噴射混凝土與圍巖的脫空等。由表1可知，對于圍巖較好的Ⅱ、Ⅲ級圍巖而言，在正常段噴混已經達到了承載力的要求，因此可以不設置鋼拱架，鋼拱架的設置基本是在Ⅲ級偏壓及其以上圍巖段，而在隧道的形式和圍巖等級已經確定的情況下，噴混的厚度可以由設計來控制。

目前，一般采用3～4根鋼筋的格構式截面，4根鋼筋是比較普遍的。由于4號主筋架構中的鋼筋均為統一規格，且抗彎與抗扭慣性均大于相同等質等高的3根主筋，所以常被應用與軟巖、土質、砂質地層的雙線隧道中。該技術主要用于鐵路、公路等工程，其拱寬b=170 mm。3條主筋是一個正三角形的形狀，它是由一個上部的兩條鋼筋和一個下部的一條鋼筋構成的，上部的兩條鋼筋的截面面積的總和要盡可能的等于下部的總面積，一般在單線的隧道中使用，它的寬度為b=115 mm，其鋼筋的直徑不能小于22 mm。

型鋼是一種鋼拱，它的剛性、硬度、抗壓性都很好，可以承受很大的圍巖周應力，所以它可以用來做臨時支護，也可以用來在混凝土中做永久襯砌。在支護結構易失穩、需立即受力的工程環境下，通常用于代替格網。然而，此類鋼支護與噴漿混凝土的粘結較差，在噴漿過程中往往會出現空隙，使噴漿混凝土不能粘結，甚至產生裂縫，造成襯砌失穩。

3 初期支護鋼拱架雷達圖像

3.1 探地雷達探測技術的基本原理

探地雷達檢測是一種電磁技術，它通過高頻脈沖電磁波的反射來檢測地下目標的分布及特性。地質雷達是利用電磁信號對地物進行探測的一種方法。按照電磁波原理，被檢媒質的波阻η直接影響著電磁波的傳輸速率和傳輸效率，被檢媒質的介電常數ε與被檢體的波阻η存在著某種邏輯上的聯系，也就是：η=1 /。波阻抗η和反射系數R之間的關系是這樣的：

在不同介質中，反射系數R能直觀地反映出介質的介電性差別。

3.2 鋼拱架雷達圖像

鋼拱架信號的形成其實是一個全反射的過程，當電磁波傳播到介電常數接近無窮大的鋼筋表面時，必然會產生全反射，在地質雷達圖像上產生的形狀為拋物線式的特征信號，它呈現出一種月牙狀，但是拋物線的頂點恰好在鋼拱架的外表面。因圍巖與噴射混凝土介電常數相差不大，難以確定其邊界，導致初支噴混厚度難以掌握；同時，初支噴混表面起伏不平，難以貼合地質雷達天線，導致電磁輻射損耗大，數據采集質量下降，難以對其內部結構進行精確判定。隧道初支的施工順序是：開挖完畢后，先噴厚4 cm左右的混凝土，再豎起拱架，噴初支混凝土，封閉拱架。研究結果表明，地質雷達資料獲取對鋼拱外表面具有較高的分辨率，即每個異常信號（拋物線型）的頂點，每個隧道的拱形尺寸都已確定。圍巖等級的不同，只能使每個拱之間的間隔變小，從而使支護得到強化。

4 項目概況

西藏地區的一條隧道，是一條長1 115.5 m的雙洞單向行車隧道，其所穿越的山地屬于中、高山區。該地區的地形相對比較復雜，斜坡的傾角在30°～40°，斜坡也比較陡峭。海拔3 700～4 600 m。隧道入口處的蓋土坡坡度較小，坡度25°～30°，主要由四疊統崩坡堆積而成，巖性以砂質黏土為主，表面植被較少。因淺表層以碎石土為主，容易發生水力沖刷和局部滑坡，邊坡受到擾動后容易發生滑動，表面巖石較為破碎，出現零星的崩塌和掉塊。在斜坡的斜坡上，有大量的巖石從斜坡上掉落下來，最大的巖石顆粒直徑在1.5 m左右，因此，必須在入口處采取一定的保護措施。隧道出口處的地貌斜率在30°左右，以暴露的巖石為主，上覆以第四系薄層殘留坡積層為主，巖石破碎度高，整體穩定。

5 檢測原理

5.1 基本原理

在探地雷達的檢測過程中，主體部分向外輻射出一種高頻率的電磁波。電磁波通過地下媒質時，將被不同的電參數反射，根據其振幅、相位、頻率等波動特性，可以有效地獲取探測點的空間位置和幾何信息。探地雷達反射波形表現為：①目標介質疏松、組分不均勻時，電磁散射，反射界面不連續，成像混亂，沒有清晰的同相軸線。反之，反射波同相軸線是連續的。②在有空位的情況下，反射波形成的波寬度、幅度都會增大。③當靶體兩邊介質的介電常數相差較大時，所產生的反射力也較大；反之亦然，電磁波所反射的能量較小。④電波與被測物體的電阻率降低，其相對介電常數差增大，無線信號的衰落也隨之增強，并且在同相軸上的振幅也隨之增大；相反，在同相軸上的幅度很小。

5.2 前期準備工作

（1）在測試之前，必須到支護處進行測試，了解施工情況，并做好相應的工作記錄。對隧道的寬度和高度、混凝土的齡期、隧道路面的清潔程度進行了詳細的測量；確定在探測目標附近有無 EMI干擾源，會避免影響探地雷達；通過對車行橫洞、人行橫洞、鋼索位置的調查，對隧底水浸段的調查，對襯砌表面濕潤或有冷凝水滴的情況進行調查，并對病害發生的位置及種類進行調查。

（2）搜集隧道工程地質資料、施工計劃、設計變更、施工記錄，掌握隧道襯砌的設計與施工狀況，弄清被測對象的深度、幾何形狀、電性等，便于選取合適的探查參數，確保在現場得到全面而有效的資料。

（3）在實地考察的基礎上，結合已有的數據信息，選取適當的探測方法、數據采集方式、測線布局，并制定出一套科學的、切實可行的探測方案。

（4）在測試之前，要做好隧道內的里程標定，并要對設備進行徹底的檢查，以防止現場測試時由于設備的原因而導致測試中斷。

5.3 采集參數的設置

應用地質雷達技術進行巷道初期支護時，通常采用0.05～5 m的有效檢測深度，以保證反射信號清晰、分辨率高。由于地處高海拔山區，其后方發育有淺層、薄夾層等復雜結構，其探測深度一般在10～50 cm。在野外試驗中，選用900 MHz、400 MHz兩種帶屏蔽的中頻天線，分別以自取樣、連續取樣等方式進行試驗。為確保探地雷達具有足夠的探測深度，并能有效采集到全部目標的回波信息，探地雷達數據中的雙向傳播時間，必須根據各層的最大探測量和平均傳播速度來確定。該方法將單路傳輸時間設定在15～200 ms，采樣點數為1 024。

5.4 介質參數的標定

測試前，在現場對原隧道支護結構進行校準，每個隧道至少校準一個位置，測試至少重復三次。這些平均值就是原有巷道支撐物的介質介電常數或者是等效電磁場波速度。在實際工程中，通常采用隧道洞口、行人或車輛通道等具有一定襯砌厚度，并且厚度不小于15 cm的區域進行相對介電常數的校正。在測地雷達校準點，經預處理后，其反射界面應清晰而精確。

5.5 測線布設

《公路工程質量檢驗評定標準》（JTG F80/1-2017）的有關規定，對隧道初支護體進行探地雷達檢查時，探地雷達檢查布線應遵循“以縱為主、以橫為輔”主要的布局方式。在縱向上，一般設置5條測線，為拱頂、左拱腰、右拱腰、左墻、右墻各1條測線。測線的設置為：①隧道初始支護結構的側向監測以點測為主；②在初支護體后方的孔隙探測之前，在巷道側壁上，以5 m為間隔標注里程數；③在隧道拱頂、拱腰段的檢測中，利用一臺小吊車或在一輛貨車上搭建一個工作平臺，使其在被檢測方向上以相同速度行駛。

5.6 檢測成果解譯

對于現場采集到的資料必須通過地面雷達后處理軟件進行數據的處理，這些數據有：零點修正、方位漂移、橫向濾波、縱向濾波等。礦山測繪的結果體現了隧道原有的支撐條件和圍巖的電性分布。為了將這些信息轉化成實際的地質分布，需要把勘察資料、隧道設計資料以及工程圖等資料有機聯系在一起，才能得到完整的隧道初始支撐及周圍環境。首先，通過對所獲得的地震資料進行影像處理，確定標志層與靶區，進而研究靶區的幅值、相位和頻率特征，以達到靶區檢測的目的。其次，運用專門的計算機程序，對地質雷達圖像中的空洞和疏松情況，以及鋼拱架布置位置及數量、基坑初始支護的厚度等情況進行識別和處理。

6 結果分析

6.1 數據采集

在探測過程中，要注意測量點的起點、方向及標記間隔，同時標記出可能影響地質雷達信號的物體（如滲水、鐵架等）及其所在的方位。對雷達縱向測線進行連續、高精度的掃描，要求每秒40道以上的掃描速率。在此基礎上，選取左拱腰、拱頂、右拱腰3個測線，利用TAR數據后處理與分析軟件，獲得隧道初始支護結構中3個測線的TAR數據。

6.2 測定結果

對隧道初期支護體的TAR剖面進行了分析，結果表明，在隧道的左腰、右腰和拱頂等部位，沒有出現明顯的脫空和壓實度不高的質量問題。另外，由探地雷達剖面中的鋼拱架位置標識可以看出，5 m范圍內存在10根鋼管，即雙拱之間的真實距離為0.5 m，與設計間距是一致的，初步確定鋼拱間距滿足設計要求。根據檢測，發現隧道左側梁初期支護結構厚度平均值為29.18 cm、拱頂為29.32 cm、右拱腰為29.53 cm，都超過了原設計厚度26 cm。

7 結語

綜上所述，探地雷達技術已成為一種有效的監測手段，能夠為隧道施工質量的監控提供有力的保證。在對隧道施工工藝進行檢驗的基礎上，還應結合當地的具體情況，運用探地雷達技術，確保隧道施工工藝的質量。