李超

摘要：本文針對(duì)隧道工程中易出現(xiàn)襯砌厚度不夠、襯砌與圍巖間存在脫空區(qū)、塌方回填不實(shí)以致影響隧道穩(wěn)定性的問(wèn)題，探討了基于地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)的檢測(cè)方法，論文首先探討了地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)的基本原理，進(jìn)而詳細(xì)分析了數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理、資料解譯的具體實(shí)施策略，相信對(duì)從事相關(guān)工作的同行能有所裨益。

關(guān)鍵詞：隧道工程檢測(cè)地質(zhì)雷達(dá)

中圖分類(lèi)號(hào)：U456 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）07（b）-0000-00

我國(guó)是一個(gè)地域遼闊，多山的國(guó)家，交通運(yùn)輸發(fā)展很快，新修建的公路為縮短建設(shè)里程、改善線(xiàn)路走向及保護(hù)環(huán)境將大量修建隧道，以改變那種逢山繞著走、坡陡、曲線(xiàn)半徑小的現(xiàn)象。隧道工程既能保證行車(chē)安全又可防止滑坡、泥石流及提高行車(chē)速度和安全的可靠性，還能與周?chē)h(huán)境協(xié)調(diào)，保證自然景觀的完善。修建隧道作為公路施工中的重點(diǎn)環(huán)節(jié)，加強(qiáng)質(zhì)量檢測(cè)具有重要的意義，但由于隧道支護(hù)質(zhì)量較難檢測(cè)，易給通車(chē)后的營(yíng)運(yùn)和安全遺留下隱患。隧道常見(jiàn)的問(wèn)題有襯砌厚度不夠、襯砌與圍巖間存在脫空區(qū)、塌方回填不實(shí)等。由于以上問(wèn)題的存在，降低了襯砌的承壓力，嚴(yán)重影響隧道的穩(wěn)定，甚至可造成拱部坍塌。如果對(duì)以上問(wèn)題能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，采取適當(dāng)?shù)募庸檀胧?，可將施工中存在的質(zhì)量隱患排除在正常營(yíng)運(yùn)之前，確保以后隧道的正常使用。地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)是近年來(lái)應(yīng)用于淺層探測(cè)的一項(xiàng)新技術(shù)，其特點(diǎn)是快速、無(wú)損、連續(xù)檢測(cè)，并以實(shí)時(shí)成像的方式顯示探測(cè)結(jié)果，分析、解釋直觀方便。加上其探測(cè)精度高、樣點(diǎn)密、工作效率高等優(yōu)勢(shì)而倍受青睞。使用地質(zhì)雷達(dá)對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)是物探領(lǐng)域發(fā)展較為迅速、效果較為顯著的方法之一。

1 地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)的基本原理

地質(zhì)雷達(dá)設(shè)備由兩個(gè)主要部分組成，即控制主機(jī)和天線(xiàn)。主機(jī)提供控制信號(hào)，由天線(xiàn)發(fā)射、接收超高頻電磁波。電磁波從天線(xiàn)發(fā)出，在襯砌和圍巖內(nèi)傳播，遇到襯砌邊界、內(nèi)部裂縫、空洞和圍巖及圍巖內(nèi)界面等都會(huì)發(fā)生反射，這些反射的電磁波又傳回天線(xiàn)，天線(xiàn)接收到這些反射信號(hào)，把它傳到主機(jī)，主機(jī)對(duì)這些反射信號(hào)進(jìn)行全時(shí)程數(shù)字化記錄，存儲(chǔ)并顯示出來(lái)。反射界面距離越遠(yuǎn)，反射信號(hào)往返所需時(shí)間越長(zhǎng)；反射界面越平整、面積越大和兩側(cè)的物性差異越大，反射的信號(hào)越強(qiáng)。通過(guò)記錄到的反射波的走時(shí)和強(qiáng)度數(shù)據(jù)，可以判定反射界面的位置和兩側(cè)介質(zhì)的性質(zhì)，從中得到襯砌厚度、劈裂、空洞的位置和形態(tài)、圍巖結(jié)構(gòu)狀態(tài)等參數(shù)，達(dá)到高分辨無(wú)損檢測(cè)的目的。

從該方法的原理中可以看出，要從反射信號(hào)的走時(shí)換算到空間位置，需要了解混凝土和圍巖介質(zhì)的電磁波速度，它影響到測(cè)量深度的換算精度?？諝庵须姶挪ㄋ偈?.3 m/ns，一般干燥巖石為0.11 m/ns左右，水是自然界中電磁波速最低的物質(zhì)，為空氣的1/9，約為0.033 m/ns，在混凝土中的電磁波波速為0.12 m/ns。其反射和工作原理示意圖如圖1所示。

圖1 電磁波遇到地下物體后的反射示意圖

理論研究與試件的模擬試驗(yàn)證明，雷達(dá)電磁波在物體或介質(zhì)中的傳播速度隨介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)的增加而降低。介質(zhì)的介電常數(shù)不僅與介質(zhì)本身的性質(zhì)有關(guān)，而且還與介質(zhì)中的含水率有關(guān)，如果襯砌孔隙較多，又充有水，那么波速會(huì)顯著降低。物性的差異反映到波速的不同，同時(shí)也影響到反射信號(hào)強(qiáng)度的不同。在野外工作條件下，巖石、土和混凝土等工程介質(zhì)之間都有物性差異，之間的界面都能形成反射，它們的介電常數(shù)差異不大，界面反射信號(hào)雖不太強(qiáng)，但地質(zhì)雷達(dá)有足夠高的靈敏度將它們辨別出來(lái)。巖石、土、混凝土等工程介質(zhì)與水、空氣、金屬之間的電磁性質(zhì)的差異極大，界面反射信號(hào)很強(qiáng)，極易識(shí)別。在隧道襯砌檢測(cè)中金屬構(gòu)件、飽水帶、空洞乃至劈裂空隙反映更加明顯。

2 數(shù)據(jù)的采集

當(dāng)使用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，發(fā)射和接收天線(xiàn)與隧道襯砌表面密貼，沿測(cè)線(xiàn)滑動(dòng)，由雷達(dá)儀主機(jī)高發(fā)射雷達(dá)脈沖，進(jìn)行快速連續(xù)采集。雷達(dá)每秒發(fā)射64個(gè)脈沖，每米測(cè)線(xiàn)約有測(cè)點(diǎn)40個(gè)～60個(gè)。雷達(dá)時(shí)間剖面上各測(cè)點(diǎn)的位置和隧道里程相聯(lián)系。為保證點(diǎn)位的準(zhǔn)確，在隧道壁上每5 m做一標(biāo)志，標(biāo)上里程。當(dāng)天線(xiàn)對(duì)齊某一標(biāo)記時(shí)，由儀器操作員向儀器輸入信號(hào)，在雷達(dá)記錄中每5 m做一小標(biāo)記，50 m或100 m的整數(shù)樁號(hào)打一個(gè)大標(biāo)記。內(nèi)業(yè)整理資料時(shí)，根據(jù)標(biāo)記和記錄的首、末標(biāo)及工作中間核查的里程，在雷達(dá)的時(shí)間剖面圖上標(biāo)明里程樁號(hào)。選擇900 MHz和500 MHz天線(xiàn)，其他參數(shù)為：1）采集方式：連續(xù)測(cè)量；2）掃描點(diǎn)數(shù)：512；3）增益方式：自動(dòng)；4）900 MHz天線(xiàn)的時(shí)間窗（記錄長(zhǎng)度）為15 ns，500 MHz天線(xiàn)的時(shí)間窗為50 ns。

3 數(shù)據(jù)的處理與資料解釋

雷達(dá)探測(cè)透視掃描的所有記錄數(shù)據(jù)，在現(xiàn)場(chǎng)回放并轉(zhuǎn)儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)硬盤(pán)上，室內(nèi)工作使用電腦進(jìn)行分析處理。數(shù)據(jù)與資料的處理基本可分為兩個(gè)階段：

（1）將記錄數(shù)據(jù)圖像回放顯示，通過(guò)分析，確認(rèn)標(biāo)志層與異常，確定突出異常的相關(guān)處理參數(shù)和使用程序；

（2）用雷達(dá)專(zhuān)用軟件進(jìn)行正式處理。探地雷達(dá)所接收的是來(lái)自地下不同電性界面的反射波，電性界面包括了地質(zhì)層界面和有限目的體的界面。探地雷達(dá)透視掃描提供的二維彩色圖像，由16種色彩組成，不同色彩反映的是電磁波反射強(qiáng)弱的變化，即反映了不同介質(zhì)的電性差異。探地雷達(dá)掃描圖像的正確解釋是建立在探測(cè)參數(shù)選置合適，數(shù)據(jù)處理得當(dāng)，有足夠的模擬試驗(yàn)對(duì)比以及閱圖經(jīng)驗(yàn)豐富等基礎(chǔ)之上。依據(jù)雷達(dá)圖像中的相位、頻率、幅值及形態(tài)等特征的不同，對(duì)雷達(dá)剖面逐一進(jìn)行了分析判別；并將不同地段的時(shí)間剖面和已知資料及鉆孔資料相對(duì)比，找出了不同界面及不同地質(zhì)現(xiàn)象的反射波形特征，對(duì)混凝土厚度、襯砌周?chē)缮?、圍巖松動(dòng)帶和基巖裂隙帶等進(jìn)行了解釋。

4結(jié)語(yǔ)

地質(zhì)雷達(dá)在隧道襯砌檢測(cè)過(guò)程中，能有效地探測(cè)到襯砌厚度、脫空區(qū)范圍、襯砌開(kāi)裂、襯砌外圍擊巖富水等數(shù)據(jù)，對(duì)施工方采取加固措施消除隱患提供科學(xué)準(zhǔn)確的依據(jù)，將隱患排除在隧道投入使用之前，對(duì)隧道的安全使用和正常營(yíng)運(yùn)起到了重要作用。隨著地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)技術(shù)的不斷完善和發(fā)展，地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)技術(shù)必將成為隧道施工質(zhì)量安全保證的必不可少的重要環(huán)節(jié)。

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