陶雄　王朝龍　李艷

（云南航天工程物探檢測股份有限公司　云南　昆明　650217）

隧道監(jiān)測中地質(zhì)雷達的應用分析

陶雄王朝龍李艷

（云南航天工程物探檢測股份有限公司云南昆明650217）

我國經(jīng)濟正在飛速發(fā)展，新建隧道工程越來越多，隧道開挖過程中，運用雷達能夠提前探測隧道內(nèi)部情況，提供準確的地質(zhì)資料，供設計師和施工人員及時調(diào)整施工方案，減少隧道挖掘中事故的發(fā)生。地質(zhì)雷達能夠廣泛應用到隧道地質(zhì)勘探中，主要是由于雷達能夠精確、快速的探測隧道前方地質(zhì)情況，能夠通過傳感系統(tǒng)傳輸?shù)綀D像上，使人們能夠直觀分析隧道前方的情況。

地質(zhì)雷達；超前地質(zhì)預報；電磁波；介電常數(shù)

地質(zhì)雷達是一種利用電磁波高效、便捷、直觀、準確的反應出隧道內(nèi)部情況的技術(shù)，被廣泛應用于隧道地質(zhì)勘察、巖土檢測等方面。近幾年地質(zhì)雷達的運用十分廣泛，在探測領域發(fā)展非常迅速。地質(zhì)雷達能夠?qū)σ呀ǔ苫蛘呓ㄔO中隧道情況進行質(zhì)量檢測，對隧道施工具有一定指導作用，質(zhì)量檢測人員可以通過地質(zhì)雷達對混凝土密實度、隧道斷面尺寸、鋼筋架結(jié)構(gòu)等方面進行檢測，預報施工質(zhì)量，指導以后施工方向，有力控制隧道工程質(zhì)量，保證使用安全性。

1　地質(zhì)雷達在隧道工程中提前預報的意義

我國處在經(jīng)濟高速發(fā)展的時期，每年有很多公路、鐵路都在建設中，國家對建設工程的投資巨大，目的是快速提高全國交通運輸能力，加快偏遠地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展。對于崇山峻嶺中修建公路工程，考驗著我國設計師和施工人員的技術(shù)，同時對施工設備的要求也越來越高。

1.1安全性

隧道施工過程中最大的障礙，就是難以勘察其地質(zhì)情況，設計師無法判斷地質(zhì)情況，設計出來的施工方案充滿不確定因素，而地質(zhì)雷達能夠解決這一難題。通過電磁波探測前方隧道中存在不良地質(zhì)因素，避免施工過程中遇到斷層、暗河造成人員傷亡，可以提高工程效率減少事故發(fā)生[1]。

1.2經(jīng)濟性

以往的勘探方式在可靠性和安全性上都難以滿足，地質(zhì)雷達的應用，簡化了地質(zhì)勘探步驟，減小隧道工程師的工作難度，對于施工企業(yè)在人力、物力、時間等各方面都能夠明顯減少消耗，將更多資源運用到更需要的地方。隨著科技的發(fā)展，地質(zhì)雷達技術(shù)的功能會越來越強大，大幅度降低工程造價，工作效率會大大提高。

2　地質(zhì)雷達技術(shù)應用現(xiàn)狀

地質(zhì)雷達作為高科技的產(chǎn)物，可以用于隧道工程、建筑工程、環(huán)境工程等地質(zhì)探測領域。地質(zhì)雷達適用于確定地下介質(zhì)分布的無損探測儀器，能夠通過電磁波脈沖對地下情況進行探測，在80年代的法國就已經(jīng)開始采用地質(zhì)雷達技術(shù)為隧道工程服務，發(fā)出的電磁脈沖通過地下介質(zhì)反射上來，由其接收，然后分析處理成圖像形式并顯示出來。我國的專家學者們也在進行雷達地質(zhì)勘探實驗，到90年代以后，一大批我國的地質(zhì)雷達研究工作者取得滿意的成果。

2.1襯砌背后空洞檢測

在隧道開挖以后發(fā)現(xiàn)前方有破碎層或者無法繼續(xù)施工的情況時，必須采取回填方式，而回填方式處理不當會造成襯砌背后空洞，影響隧道安全。采用地質(zhì)雷達技術(shù)，針對回填部分進行檢測，確定回填處理是否完善，及時采取補救措施，保證襯砌內(nèi)緣不會出現(xiàn)壓裂、掉塊等現(xiàn)象，保證隧道安全。

2.2層間脫空檢測

層間脫空是指，隧道頂部的混凝土存在自重影響，與周圍襯砌及圍巖的咬合度不夠，造成兩者之間產(chǎn)生空隙。雷達監(jiān)測技術(shù)針對這種情況進行探測，并將探測結(jié)果反映到圖像上。工程人員對隧道拱頂、拱腰處設置均勻測線，使雷達能夠?qū)娱g脫空地段進行掃描，即可讓施工人員進行精確定位檢修[2]。

2.3襯砌厚度檢測

襯砌厚度是決定隧道工程質(zhì)量的重要指標，雷達可以通過傳輸電磁波到隧道圍巖、初襯以及二襯，通過反射到表面的時間計算出襯砌厚度。目前，部分隧道工程采用檢測初襯和二襯之間的金屬反射片，通過反射片使雷達接受的電磁波信號更加精確，提高地質(zhì)雷達檢測的精確度。

2.4支護結(jié)構(gòu)質(zhì)量檢測

對支護結(jié)構(gòu)的檢測主要對其應受力、原材料質(zhì)量、結(jié)構(gòu)厚度和強度等方面。雷達通過接收鋼筋、型鋼拱架及二襯對接收的電磁波程度強弱，并進行數(shù)據(jù)分析得出有關支護結(jié)構(gòu)的信息。雷達還需要檢測襯砌內(nèi)鋼支撐結(jié)構(gòu)性能，檢查其是否滿足設計要求。

3　地質(zhì)雷達超前地質(zhì)預報的原理及發(fā)展

3.1地質(zhì)雷達系統(tǒng)的工作原理

地質(zhì)雷達是通過高頻電磁波探測地下介質(zhì)情況的檢測系統(tǒng)。通過自身發(fā)出電磁波和接受反射電磁波信號，分析回波能量，形成數(shù)據(jù)信息。介質(zhì)的差異會導致反射電磁波變化，所以對接收到的電磁信號進行基本分析，就可以推斷出目標地點的空間結(jié)構(gòu)。其公式表示為：

式中：h為地層的厚度；x為發(fā)射線和接收天線之問的距離；v為地層介質(zhì)的電磁波的傳播速度，其x、v和t為已知數(shù)據(jù)。

3.2電磁波的反射與折射

雷達在探測過程中會遇到不同的反射與折射，主要是因為其探測的介質(zhì)屬性不一致。通過不同介質(zhì)的反射定理，能夠?qū)λ淼乐胁涣纪馏w進行預測。

其反射系數(shù)為R，折射系數(shù)為T，a，b為介質(zhì)的介電常數(shù)：

通過公式可以看出介電常數(shù)的差異那個能夠影響探測系數(shù)。其差異越大，探測結(jié)果更加強清晰，這是地址雷達探測分析的基礎公式。

3.3探測方法

探測時將儀器緊貼于探測表面，然后發(fā)射探測信號，向巖土體內(nèi)部連續(xù)不斷的發(fā)射電磁波脈沖。直到電磁波遇到介質(zhì)干擾，就會將介質(zhì)性質(zhì)反射回地面，儀器的接收天線接收到反射信號后記錄，收到反射波時間和反射波振幅等數(shù)據(jù)變化。然后雷達內(nèi)部處理器將接收到的數(shù)據(jù)形成地質(zhì)探測時間剖面圖，通過坐標圖的橫軸和數(shù)軸，反應不同監(jiān)測點上雷達發(fā)出電磁波經(jīng)由介質(zhì)反射會接收器的雙程走向。能準確的反應監(jiān)測點前方物體的物理性質(zhì)和反射面的變化[3]。針對地形條件復雜的地方可以進行反復測量，通過多次探測數(shù)據(jù)分析監(jiān)測點的地質(zhì)條件。

3.4探測數(shù)據(jù)處理技術(shù)

地質(zhì)雷達探測發(fā)出的電磁波波長都是由人為控制，電磁波在傳遞過程中，其能量會衰減，反射過程中電磁波能量均被介質(zhì)吸收。而且地下未知物質(zhì)的性質(zhì)施工人員不得而知，這些因素都會造成放射數(shù)據(jù)失去精確性，所以探測儀對數(shù)據(jù)的處理技術(shù)需要達到使用要求。

3.4.1數(shù)字濾波

雷達監(jiān)測過程中，通常使用髖頻帶記錄數(shù)據(jù)，目的是保證反射數(shù)據(jù)的真實性，同時還可以記錄傳輸過程中產(chǎn)生干擾的電磁波種類。所以數(shù)字濾波技術(shù)是用來壓制不同介質(zhì)產(chǎn)生的干擾波，具有良好的效果[4]。

數(shù)字濾波是通過數(shù)學計算方式對離散數(shù)據(jù)進行過濾，保證雷達最高精確度，采樣間隔必須滿足數(shù)學定律：

3.4.2反濾技術(shù)

雷達探測發(fā)出脈沖形狀的理想狀態(tài)是一個見脈沖，由于現(xiàn)實條件限制，導致實際變成具有一定時間延續(xù)的波形b。根據(jù)有關計算式反應得出：

一般情況下反射波的延續(xù)周期為10～20ns，間隔不大的情況下，中間細微的差別很難在圖像中反應出來。

3.5未來發(fā)展前景

我國已經(jīng)在隧道預測地質(zhì)雷達探測方面有一定的成果，但是還存在需要完善的地方。比如，針對隧道環(huán)境較差的地方，提高雷達抗干擾能力，降噪能力加強，識別雷達圖中異常點。深入探討雷達數(shù)據(jù)處理技術(shù)中的缺陷，提高反射回波的分析能力，對于巖體不良地質(zhì)較多的地段進一步完善，此外對系統(tǒng)的穩(wěn)定性還需要在實際工作中不斷驗證[5]。

4　結(jié)束語

綜上所述，隧道中地質(zhì)雷達這一新科技手段能夠提高隧道工程師的工作效率。其優(yōu)勢和特點都十分明顯，操作簡單、分辨率高、屏蔽效果好，所呈現(xiàn)的圖像直觀便于分析，能夠快速了解地質(zhì)情況，及時解決問題。在隧道勘察工作中起到積極的指導作用，同時能夠?qū)λ淼拦こ痰馁|(zhì)量進行檢測。對于隧道工程具有重大意義，所以地質(zhì)雷達的應用很大程度上提高施工質(zhì)量。同時通過采取該手段進行檢測可以及時發(fā)現(xiàn)問題、及時處理問題。在對保證隧道施工質(zhì)量控制起到有效的監(jiān)督作用.對后續(xù)施工起到警示作用。確保隧道的施工質(zhì)量。

[1]張晨.隧道二次襯砌檢測中地質(zhì)雷達數(shù)據(jù)處理方法研究[J].華中科技大學，2009，25（10）：76.

[2]李磊，陳光榮，楊燕偉，等.基于TRT6000彈性波反射法、地質(zhì)雷達法、地質(zhì)編錄的隧道綜合超前預報技術(shù)研究[A].//2011年全國大壩安全監(jiān)測技術(shù)與應用學術(shù)交流會論文集[C].2011：91～96.

[3]YUJun，喻軍，LIUSongyu等.地質(zhì)雷達在隧道地質(zhì)超前預報中的應用研究[J].第六屆江蘇省巖土力學與工程，2009，24（5）：74～78.

[4]袁地鏡，王磊，李亞林等.地質(zhì)雷達在薛城隧道地質(zhì)超前預報中的應用[J].山西建筑，2010，36（27）：309～311.

[5]魯光銀，韓旭里，朱自強，等.綜合探測技術(shù)在公路隧道泥涌災害治理中的應用[J].防災減災工程學報，2009，25（3）：239～243.

U453.3

A

1673-0038（2015）25-0272-02

2015-6-4

陶雄（1985-），男，云南宣威人，助理工程師，本科，從事工程檢測工作。

王朝龍（1986-），男，云南保山人，助理工程師，本科，從事工程檢測工作。