地质雷达在宁夏南部山区隧道检测中的应用

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[摘 要] 本文主要介绍地质雷达在隧道雅损检测中的应用情况。我们采用五条测线进行检测，了解隧道衬砌厚度以及回填密实程度，依据设计图纸和技术规范对左右边墙、左右拱腰和拱顶的衬砌厚度、回填密实程度进行判定,有缺陷的地方进行处理，加强了隧道的工程质量管理，确保施工安全。
　　[关键词] 地质雷达 隧道检测 衬砌厚度
　　
　　1.前言
　　宁夏南部山区隧道是宁夏公路隧道的开始，其隧道检测任务由宁夏交通科研所承担，隧道衬砌是隧道施工的一个重要环节，以前隧道施工过程中，对于初衬厚度检测主要用凿孔法，对于二衬检测主要用钻芯取样法，均属于破坏性检测方法，其具有检测速度慢，成孔垂直度较难控制，且探杆感觉、卷尺量测受人为因素影响较大，同时破坏隧道防排水系统，影响隧道寿命，检测结果代表性差，难以全面反映隧道整体及各部位质量等缺点。而地质雷达检测技术采用了先进的连续透视扫描雅损探伤技术，探测精度比传统检测方法高，且又是连续扫描，可获得隧道探测的连续结果。这种检测手段目前在国内外得到了广泛应用，并取得了重要成果。
　　2.地质雷达的工作原理
　　地质雷达(Ground Penetrating Radar,简称GPR)是利用超高频电磁波探测地下介质分布的一种地球物理勘探仪器[1-5]。属于电磁波的范畴,它是利用电磁波在不同媒体中的传播与反射特性来进行探测的。地质雷达通过隧道表面向衬砌内部发射电磁波，电磁波遇到不同媒质的界面时会发生反射和透射，当反射波被返回衬砌表面后，又被地质雷达接收，此时便记录下了电磁波返回的时间。当发射和接收天线沿检测物表面逐点同步移动时，就能得到其内部介质的剖面图像。根据电磁波的旅行时间、幅度频率与波形变化情况，推断介质的内部结构及目标体的深度、形状特性参数。
　　地质雷达在勘查中的基本参数描述如下：
　　(1) 电磁脉冲波旅行时间
　　
　　式中：z―勘查目标体的埋深；x―发射、接收天线的距离（式中因z>x,故x可忽略）； v―电磁波在介质中的传播速度。
　　(2) 电磁波在介质中的传播速度
　　
　　式中：c―电磁波在真空中的传播速度（0.29919m/ns）；-介质的相对介电常数；-介质的相对磁导率（一般）
　　(3) 电磁波的反射系数
　　电磁波在介质传播过程中，当遇到相对介电常数明显变化的地质现象时，电磁波将产生反射及透射现象，其反射和透射能量的分配主要与异常变化界面的电磁波反射系数有关：
　　
　　式中：r - 界面电磁波反射系数；-第一层介质的相对介电常数；―第二层介质的相对介电常数。
　　(4) 地质雷达记录时间和勘查深度的关系
　　
　　3.地质雷达在隧道检测中应用时遇见的问题
　　由于地下介质相当于一个复杂的滤波器，介质对波的不同程度的吸收以及介质的不均匀性质，使得脉冲到达接收天线时，波幅减小，波形变得与原始发射波形有较大的差异。条件不好的情况下，地质雷达在接收有效信号的同时，也不可避免地接收到各种干扰信号。产生干扰信号的原因很多，隧道中常见的干扰有电缆、衬砌表面金属物体、天线耦合不好，地下异常的多次反射波等。对于以上情况图像的判识，需要经验，干扰波具有特殊形状，一般易于辨别和确认。
　　4.工程实例
　　4.1 工程概况
　　
　　福银高速公路横穿宁夏南北，响应西部大开发政策，带动宁夏经济的发展。受地势条件的影响，在宁夏南部山区必须涉及到地下工程。目前开工的隧道有三十里铺隧道、牛营子隧道、大湾隧道和什字隧道。四条隧道基本都位于I类、II类、III类围岩中，大部分围岩是由强风化性砂岩和泥岩及黄土覆盖层组成，局部地方有地下水的存在，地质条件较差，施工难度大。为了对隧道质量做有效的控制，我们宁夏交通科研所利用地质雷达技术对隧道的衬砌质量及其回填密实情况进行检测。
　　4.2 测线布置
　　为了较全面的控制隧道质量，在所检测的段落内沿隧道轴线方向布置了5条测线，对隧道衬砌质量进行较有效的监控。横断面测线布置具体见图1。
　　4.3 地质雷达图像的采集
　　在此检测过程中我们采用的是800MHZ的天线，重2. kg，便于携带，它主要用于浅层高分辨率探测，探测深度2～3.5 米，适合于隧道的衬砌检测。在初衬检测过程中，由于表面较粗糙距离采集难以实现，轮子出现不转的现象，数据采集不完整。因此我们采用时间采集法，在采集的过程中，根据现场桩号每5m打一个标记。采集完后再将时间采集文件改成距离采集文件，结合5m标记确定缺陷的具体位置。二衬检测过程中我们采用的是距离采集法，由于天线沿隧道纵向移动时，其测线不是真正意义上的直线，有时是蛇形状式前进，所以我们每10m打一个标记，便于记录里程与实际里程核对。
　　对电磁波波速的估计是很重要的，它是进行准确时深转换的基础，对于确定反射体的深度至关重要，测量中要给予特别的关注。可以有不同方法估算电磁波速：
　　(1) 根据地层类型和含水情况使用参考速度值；
　　(2) 利用已知埋深物体的反射走时求波速；
　　(3) 利用一个孤立反射体，其垂直反射走时T1，偏移观测走时T2，偏移距x，计算深度H和波速V：
　　
　　
　　4.4 地质雷达数据的分析
　　4.4.1 干扰信号的识别
　　地质雷达图像的识别是检测过程中较关键的一步，地质雷达在接收有效信号的同时，不可避免地接收到各种干扰信号。在分析图像时必须有区别干扰信号和缺陷信号的能力，对隧道中常见的干扰（如：电缆、衬砌表面金属物体、天线耦合不好，地下异常的多次波等）信号有所认识，有利于准确的判断其缺陷的情况。
　　4.4.2 衬砌背后回填情况的判识
　　（1）衬砌背后空洞的判识
　　空洞是指隧道衬砌背后没有全部回填，衬砌与围岩间空气存在区域。由于空气与混凝土的介电常数差异较大，衬砌与围岩之间有明显的空隙，地质雷达图像中就会表现为衬砌界面反射信号增强，如果空洞较大，还会在界面信号下方产生绕射信号。
　　（2）衬砌背后回填密实的判识
　　回填密实是指衬砌与围岩密贴、雅间隙。由于衬砌混凝土与围岩的介电常数差异较小，如果衬砌密贴，地质雷达图像中就会表现为振幅较弱的界面反射信号或没有界面反射信号。若衬砌背后绝大部分回填密实，只有局部存在空隙，地质雷达大部分图像与回填密实图像的征状相同，只有局部衬砌界面呈强反射信号。
　　5.结论
　　在宁夏南部山区的四个隧道中使用地质雷达对其衬砌进行雅损检测,检测内容主要为隧道衬砌混凝土密实性、脱空及厚度等，对于提高隧道施工质量具有极大的促进作用。衬砌混凝土与围岩之间存在着物性差异，而缺陷部位衬砌混凝土被水或空气充填与密实的混凝土的物性差异较大。因此,采用地质雷达法对隧道衬砌混凝土质量进行检测是可行的。通过长期检测得知，隧道衬砌的薄弱环节是拱顶的混凝土施工，尤其是人力施工时，更要注意拱顶的衬砌厚度和衬砌背后回填密实情况，在施工中要注意加强这个环节的管理。雷达检测不仅用于隧道中，对于公路路基、水利水电工程的大坝、交通洞、引水隧道、地下管线、地基加固效果检测、岩溶、滑坡、探测和维护古建筑物结构及进行考古研究等方面也同样可以应用。
　　参考文献：
　　[1]李大心.探地雷达方法与应用[M].地质出版社,1994.
　　[2]徐宏武,邵雁,邓春为.探地雷达技术及探测的应用[J].岩土工程技术,2005,19(4):191-194.
　　[3]黄秀成,秦之富,朱如荣等.公路隧道地质雷达地质预报方法探讨[J].公路交通技术,2004,(5):101-111.
　　[4]白冰,周健.探地雷达测试技术发展概况及其应用现状[J].岩体力学与工程学报,2001,20(4):521-531.
　　[5]刘敦文.地下岩体工程灾害隐患雷达探测与控制研究[D].中南大学,2001.
               
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