林 義

(1.西南交通大學(xué)，四川 成都 610031;2.中鐵西北院科學(xué)研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000)

地質(zhì)雷達(dá)是一種寬帶高頻電磁波信號(hào)探測(cè)方法，它可以對(duì)短距離內(nèi)(20 m～30 m)的地質(zhì)異常(地層巖性界面、巖溶、較大節(jié)理、軟弱夾層、富水帶等)進(jìn)行探測(cè)，地質(zhì)雷達(dá)由發(fā)射天線將高頻(40 MHz～1 500 MHz)的電磁波以寬帶短脈沖形式向隧道掌子面發(fā)出，電磁波在介質(zhì)中傳播時(shí)遇到存在電性差異的目標(biāo)體，如空洞、裂隙、巖溶等時(shí)會(huì)產(chǎn)生回波，然后由接收天線接收。用相應(yīng)雷達(dá)資料處理軟件對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采集的地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可得到各測(cè)線的成果圖，然后根據(jù)雷達(dá)波形、電磁場(chǎng)強(qiáng)度、振幅和雙程走時(shí)等參數(shù)，可以推斷掌子面前方的地質(zhì)構(gòu)造及目標(biāo)體的位置、深度和幾何形態(tài)。

李晉平等［1］針對(duì)鐵路隧道施工中可能出現(xiàn)的質(zhì)量問題，利用地質(zhì)雷達(dá)對(duì)鐵路隧道的工程質(zhì)量進(jìn)行了檢測(cè)工作，并針對(duì)鐵路隧道，給出了地質(zhì)雷達(dá)在無損檢測(cè)應(yīng)用中的工作方法，包括測(cè)線裝置、采集參數(shù)設(shè)定、現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)和后期資料處理解釋等;郭亮等［2］基于地質(zhì)雷達(dá)的測(cè)試原理，進(jìn)行地質(zhì)雷達(dá)用于探測(cè)圍巖松動(dòng)圈的可行性分析，并用地質(zhì)雷達(dá)對(duì)偏壓隧道進(jìn)行實(shí)測(cè)，研究結(jié)果驗(yàn)證了地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)圍巖松動(dòng)圈的可行性;劉孝明等［3］采用地質(zhì)雷達(dá)對(duì)雙連拱隧道初次襯砌中的質(zhì)量進(jìn)行了檢測(cè)，證明隧道襯砌的雷達(dá)檢測(cè)不僅可以對(duì)施工質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)控，而且還為工程隱患的排除提供準(zhǔn)確可靠的消息;王振宇等［4］采用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行更精確的短期預(yù)報(bào)，依據(jù)雷達(dá)反射波的振幅、相位及頻率等變化探測(cè)斷層和地下水的賦存的情況，對(duì)于大范圍的不良地質(zhì)體，采取連續(xù)跟蹤預(yù)報(bào)的策略，通過多次預(yù)報(bào)成果的驗(yàn)證及反饋顯著提高預(yù)報(bào)的可靠性，該綜合超前預(yù)報(bào)方法在隧道穿越斷層和涌水段施工中取得滿意的效果;許有俊等［5］采用地質(zhì)雷達(dá)對(duì)公路隧道的襯砌質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)，根據(jù)雷達(dá)判釋結(jié)果集數(shù)理統(tǒng)計(jì)結(jié)果，表明隧道襯砌厚度相對(duì)比較均勻。張正國等［6］針對(duì)達(dá)成鐵路部分隧道邊墻及拱頂背后不同程度存在空洞的情況，為消除安全隱患，應(yīng)用地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)新技術(shù)，對(duì)重點(diǎn)隧道進(jìn)行了無損檢測(cè)。本文采用地質(zhì)雷達(dá)對(duì)拱頂?shù)拿軐?shí)程度進(jìn)行了檢測(cè)，證明隧道局部存在空洞反應(yīng)。

1 工程概況

隧道所處屬于前丘陵區(qū)，地勢(shì)東高西低，地形逐漸變緩，溝梁相間，沖溝發(fā)育，相對(duì)高差120 m～150 m，根據(jù)地面調(diào)查及鉆孔揭示，隧道進(jìn)出口均位于全～強(qiáng)風(fēng)化云母石英片巖中，洞身主要通過云母石英片巖，淺埋地段上部覆蓋洪積膨脹土、細(xì)角礫土，山梁上部覆蓋第四系中更新統(tǒng)膨脹土。

2 野外數(shù)據(jù)采集

為了對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)的采集工作，因此采用加密的觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，其測(cè)線系統(tǒng)如圖1所示。數(shù)據(jù)采集時(shí)，為滿足探測(cè)深度和精度的要求，用天線采集數(shù)據(jù)時(shí)，時(shí)窗設(shè)置為200 ns，采樣率為1 024樣點(diǎn)數(shù)/掃描，采用連續(xù)測(cè)量方式進(jìn)行測(cè)量。

圖1 測(cè)線系統(tǒng)雷達(dá)探測(cè)示意圖

3 數(shù)據(jù)處理

采集的數(shù)據(jù)采用“GresWin2”軟件包對(duì)地質(zhì)雷達(dá)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。預(yù)報(bào)目的是為了確定拱頂是否存在空洞，實(shí)測(cè)范圍約為10×11個(gè)平方。處理流程為:數(shù)據(jù)傳輸→文件編輯→數(shù)字濾波→零點(diǎn)歸位→偏移處理→能量均衡→時(shí)深轉(zhuǎn)換→文件注釋→輸出雷達(dá)時(shí)間(或深度)剖面圖。將雷達(dá)時(shí)間(或深度)剖面圖作為資料解釋的基本圖件。主要過程:

1)距離歸一化:在應(yīng)用探地雷達(dá)進(jìn)行連續(xù)探測(cè)時(shí)，雷達(dá)天線勻速移動(dòng)。

2)確定波速:波速計(jì)算可通過以下公式進(jìn)行:

其中，v為介質(zhì)中電磁波波速;c為真空中電磁波波速;s為相對(duì)介電常數(shù)。

3)水平和垂直濾波:水平波在地質(zhì)雷達(dá)資料中特別發(fā)育，它是雷達(dá)采集系統(tǒng)本身產(chǎn)生的。主要來自于控制器、數(shù)據(jù)線、天線的相互作用，是難以避免的。水平濾波主要是利用水平波具有時(shí)間相等這一特性。在濾波過程中，求相鄰的一定數(shù)量的掃描線的平均值，然后與個(gè)別掃描線相比較來消除水平波。

垂直濾波主要是利用頻譜特征的不同來消除雜散波，這些雜散波是由外部環(huán)境引起的，頻率不在雷達(dá)天線頻帶內(nèi)。通常采用帶通濾波，高通濾波，低通濾波，小波變換等方法。

4 結(jié)語

本次探測(cè)的深度為自仰拱表面往上約為6 m。

1)檢測(cè)表明測(cè)線1的空洞反應(yīng)較小，主要表現(xiàn)在拱頂處，大小約為1 m。測(cè)線2至測(cè)線4雷達(dá)空洞反應(yīng)表現(xiàn)為破碎零散狀分布，仰拱右側(cè)約1 m，左側(cè)約有1.5 m。

2)中間部分巖體較為破碎，在該范圍內(nèi)存在小范圍空洞，空洞大小約為3×2.5左右(注意:并非空洞大小是3×2.5)，深度自拱頂表面1 m開始，約3 m～4 m結(jié)束，且空洞呈破碎零散狀分布。

由于現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件影響，以及操作儀器時(shí)產(chǎn)生的誤差，且場(chǎng)地內(nèi)干擾因素很多，尤其是拱腰測(cè)線上下附近均存在如照明線等干擾，使檢測(cè)結(jié)果受到干擾，給解釋工作帶來很大的困難，同時(shí)也會(huì)給資料解釋帶來相應(yīng)的誤差，利用地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)隧道襯砌質(zhì)量關(guān)鍵在于圖像的解釋，應(yīng)當(dāng)盡量消除干擾，并根據(jù)雷達(dá)探測(cè)結(jié)果，輔以相應(yīng)的地質(zhì)資料，做出相應(yīng)的施工處理。

［1］李晉平，邵丕彥，谷 牧.地質(zhì)雷達(dá)在鐵路隧道工程質(zhì)量檢測(cè)中的應(yīng)用［J］.中國鐵道科學(xué)，2006，27(2)：56-59.

［2］郭 亮，李俊才，張志鋮，等.地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)偏壓隧道圍巖松動(dòng)圈的研究與應(yīng)用［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2011，30(S1)：3009-3015.

［3］劉孝明，何富勇，申玉生，等.地質(zhì)雷達(dá)在雙連拱隧道初次襯砌中的質(zhì)量檢測(cè)與分析［J］.公路交通技術(shù)，2005，50(4)：147-150.

［4］王振宇，程圍峰，劉 越，等.基于掌子面編錄和地質(zhì)雷達(dá)的綜合超前預(yù)報(bào)技術(shù)［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2010，29(S2)：3549-3557.

［5］許有俊，陶連金，孫玉輝，等.地質(zhì)雷達(dá)在公路隧道襯砌質(zhì)量檢測(cè)中的應(yīng)用［J］.公路交通科技(應(yīng)用技術(shù)版)，2009，60(12)：150-152.

［6］張正國.探地雷達(dá)新技術(shù)在隧道病害無損檢測(cè)中的應(yīng)用［J］.成都大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2003，22(4)：6-10.