閆永峰

(新疆水利水電勘測設計研究院有限責任公司,新疆 昌吉 831100)

1 概述

隨著科學技術不斷發(fā)展發(fā)展，用于工程勘察的許多儀器越來越小型、輕便，圖像顯示也更加直觀。其中作為電磁波法中的探地雷達方法，由于其可以結合高頻電磁波進行快速無損傷探測而被廣泛應用[1]，在水利工程隧道襯砌脫空質量檢測就占據(jù)著重要地位。

在隧洞建設過程中掌握圍巖穩(wěn)定性及其前方地質實際狀況對于隧道安全建設具有重要意義[2]。特殊情況下有必要采用探地雷達對隧洞的其他建筑物特點進行一些更詳細更深入的檢查工作，例如圍巖的密實完整穩(wěn)固的情況、鋼拱架的布置情況、有無離析以及蜂窩麻面、襯砌鋼筋混凝土結構的勻稱一致性以及相對應的整體性以及襯砌合理厚度等等。

文章以西北某水利工程為例，該水利工程中水庫的修建主要由瀝青混凝土筑成墻壩為主體，同時有溢洪洞和沖砂洞等主要建筑物組成，還包含設置了發(fā)電引水系統(tǒng)以及供水管線等基礎設施。采用探地雷達對水庫樞紐工程發(fā)電引水系統(tǒng)上平洞段開展雷達測試工作，了解隧洞混凝土襯砌層后是否存在脫空[3]，圈定空洞的范圍及規(guī)模，為后期工程“查漏補缺”進行修復提供參考依據(jù)。

2 探地雷達檢測隧道襯砌脫空的基本原理

探地雷達方法是利用高頻無線電輻射相關儀器實現(xiàn)高頻無線電發(fā)射與收集[4-5]，高頻無線電通過發(fā)送天線直接射向地底介質表面，高頻無線電在經(jīng)過地底介質表面后反射，再由收集天線受到反映回去的無線電，從而實現(xiàn)監(jiān)測介質表面構造的目的(見圖1)。

圖1 探地雷達原理示意

自然界中每一類物體其自身的電磁特性都具有一定的差異性，即使本是同一種物質，其電磁特性也會因為其本身濕度的不同、自身空隙度、含雜質百分量的不同導致其電磁特性也具有一定的差異。電磁性質具有一定差異，其根本原因是介電常數(shù)的不同(見表1)。該種電磁性質的差異決定了在不同介質中，電磁波的傳播速度是不一樣的。高頻電磁波在地下介質內的傳播過程中，經(jīng)過不同的地下介質(如裂縫、不密實區(qū)、空洞、材質不同等)，電磁波將會發(fā)生反射，通過接收器會接收到反射回地面的電磁波。由于介質電磁性具有差異，接收的電磁波波形也會產(chǎn)生不同，從而可以根據(jù)波形趨勢的差異、電磁波強度的強弱等信息推斷地下介質的相對空間位置分布、結構差異、電性特征差異及幾何形態(tài)的不同。

表1 幾種介質的電磁特性參數(shù)

3 檢測儀器和檢測方法

3.1 檢測儀器

針對此次隧道襯砌的測試狀況，主要從清晰度、穿透力和安全穩(wěn)定性3大主要方面綜合考慮[6]，本次測試將采用SIR-30E地質雷達，該地質雷達由勞雷(北京)儀器有限公司所生產(chǎn)。工程主要目的是檢測圍巖和襯砌間是否存在空洞或空隙，因此，選擇天線參數(shù)為400M天線，因為400M天線其具有強的穿透特性，可以有效達到預期目的。時窗參數(shù)設置為20 ns，采樣點數(shù)設置為1 024點/道，介電常數(shù)為7。

數(shù)據(jù)的采集方式為采用連續(xù)測量方式進行。采集數(shù)據(jù)開始之前應當充分做好準備工作，保證采集工作的順利開展，用皮尺丈量隧洞指定樁號段并做好標記，調試雷達時間剖面上各測點的高度與隧洞里程數(shù)一致，同時為確保測量定位準確性防止測量定位產(chǎn)生偏離，應當在隧洞襯砌表層繪好里程標志。同時整合內業(yè)資源，標識里程樁號，根據(jù)標注和錄入的首末標識工作中間核查的里程數(shù)，在雷達時間剖面上標識里程樁號。

3.2 測線布置

對發(fā)電引水系統(tǒng)上平洞段指定位置進行檢測，沿隧道縱向布置3條測線，L1測線位于拱頂，L3右拱測線位于拱頂右側60°處，L5位于右拱腰線(見圖2)。

圖2 雷達測試示意圖及現(xiàn)場示意

3.3 數(shù)據(jù)處理流程

探地雷達資料分析與解釋首先需要進行預處理，并且對處理后的數(shù)據(jù)進行分析和解釋，實現(xiàn)探地雷達數(shù)據(jù)分析與解釋首先對數(shù)據(jù)進行采集，確保采集到數(shù)據(jù)的準確性后進行數(shù)據(jù)傳輸，將得到的數(shù)據(jù)進行文件分類編輯后進行數(shù)據(jù)的預處理，對于數(shù)據(jù)預處理，簡單得出零線設定、各種濾波、偏移以及各種變換，在以預處理后的數(shù)據(jù)進行分層處理與預期效果對比是否達到設計要求，而在分層處理后得到的數(shù)據(jù)后可計算出介質的介電常數(shù)，從而計算出電磁波在介質中的傳播速度，以此對不同介質進行參數(shù)分析判斷是否達到預期的處理效果。如果與預期的設計要求誤差過大處理效果不理想，則應對預處理得到的數(shù)據(jù)再次進行校正來減小誤差，隨即對校正后的數(shù)據(jù)重新進行分層處理得出相關參數(shù)。分層處理后的數(shù)據(jù)及相關參數(shù)如果達到預期處理效果后即可進行圖形分析編輯，將分析編輯得到的圖形再加以修飾注釋后即可輸出結果(見圖3)。

圖3 探地雷達數(shù)據(jù)處理流程示意

數(shù)據(jù)處理分析主要是為了壓制規(guī)則及避免不可控制因素引起隨機干擾，從而達到使反射波盡可能以高的分辨率顯示在探地雷達圖像剖面上。探地雷達所接收的是來自地下不同電性界面的反射波，其正確解釋取決于檢測參數(shù)選擇合理、數(shù)據(jù)處理得當、模擬實驗類比和讀圖經(jīng)驗等因素[7]。

數(shù)據(jù)處理工作主要使用的軟件為工程Radan 7專用軟件，其處理工作內容主要包括距離歸一化、確定速度和水平、垂直濾波。

1) 距離歸一化

因為在實際探測過程中不可能保證天線移動速度進行勻速掃描，不勻速掃描導致探地雷達天線在工作中每米掃描的線數(shù)不同，為減少該誤差對探測工作的影響，使用標記功能首先測算出天線移動的距離，一般情況是每2 m進行1次標記，數(shù)據(jù)在后期處理中可以先選擇每米掃描數(shù)，在該段距離內補充或刪掉部分掃描線，使得測線內的掃描線條數(shù)相同均勻，以此來減少掃描時的誤差。

2) 確定波速

3) 水平和垂直濾波

雷達資料中水準信號的發(fā)育現(xiàn)象往往發(fā)生在雷達設備本身，通常條件下水平信號是很難避免的，在一些實際案例中一般會將天線對著天空，但接收器依舊會接收記錄到反射波，可見該方法并不有效，從而可以得出該反射波并不是來自天空，而是由控制器、數(shù)據(jù)線、天線的相互作用而形成的。水平濾波是因為水平波的特點是時間相等，在濾波這一過程中，一般消除水平波的方法是將相鄰的一定數(shù)量的掃描線求平均與個別掃描線相比較。在水平濾波中，選擇的掃描行數(shù)通常和水準濾波器作用成負相關,一般條件下表現(xiàn)在選擇的掃描行數(shù)越大,對水準濾波器作用也越小，因此，消除水平信號的作用就更顯著。同時水平濾波掃描線并不能選取的太少，否則就很容易由于濾去水平信號的作用過于明顯，而產(chǎn)生濾去的緩變界面。所以，在采用水平濾波時，應注意依據(jù)對象情況不斷的加以調節(jié)，以保證水平濾波效果最佳[8]。垂直濾波的主要目的是為了減少雜散波對所接受電磁波的影響，與水平濾波不同，其雜散波并不是由天線本身所產(chǎn)生的，而是直接來自于外源，其頻段范圍也不在雷達天線所選擇的頻段之內。在一般情況下使用垂直濾波主要是為分辨不同的地質體，并且選擇不同的頻段。但是此時垂直濾波由于是一個特殊變換，會對處理結果產(chǎn)生一些影響，最常見的情形就是會產(chǎn)生很大的失真，而且一般頻段范圍越窄失真就越大，所以需要在使用中特別需要注意選擇方式和參數(shù)。但在通常情況中濾波處理改善效應并不明顯，因為雷達天線的發(fā)送和接收都設置好了帶寬，而雷達信號本身也已過了濾波。

混凝土密實性也對電性具有很大影響，混凝土密實電性差異很小，從而反射界面不明顯，致使電磁波反射信號幅度通常很微弱，甚至沒有界面反射功能；混凝土的不密實電性變化大，通常只在襯砌表面上出現(xiàn)較強反射信號，同時在反射波的同向軸形成繞射弧形，但分布并不連續(xù)，也比較離散[9-10]。在出現(xiàn)孔洞時會在襯砌表面出現(xiàn)強烈的反射信號，三振變相明顯，同時在孔洞下面也出現(xiàn)了強烈的反射界面信號，2個信號時程相差很大。鋼架在雷達圖像上，呈分散的月牙形強反射信號；鋼筋或鋼筋網(wǎng)則形成連續(xù)的小雙曲線形反射信號。

4 檢測結果分析與驗證

通過對L1、L3及L5線探地雷達探測結果進行分析，有效圈定異常位置，并進行鉆探驗證，查明了局部脫空或巖體局部不密實，為工程后期“查缺補漏”提供了依據(jù)。

發(fā)電引水系統(tǒng)上平洞段拱頂L1測線雷達測試成果圖像顯示，深度標尺0.40～0.44 m處反射界面為混凝土襯砌層底界面雷達反映，其中剖面樁號0+244.5 m(見圖4)、0+281.6 m(見圖5)深度標尺在0.45～0.6 m范圍內存在強反射相位，推測存在局部脫空或巖體局部不密實，其余測試段反射波形清晰、層位明顯，推測襯砌混凝土內部密實性較好；現(xiàn)場對其異常樁號段進行打孔驗證(見圖6a、圖7a)，結果顯示存在局部脫空(見圖6b、圖7b)，與探地雷達推測結果吻合。

圖4 拱頂L1測線(225～250 m)雷達測試成果示意

圖5 拱頂L1測線(275～300 m)雷達測試成果示意

圖6 拱頂(0+244.5 m)孔外觀(a)及芯樣外觀(b)示意

圖7 頂拱(0+281.6 m)孔外觀(a)及芯樣外觀(b)示意

發(fā)電引水系統(tǒng)上平洞段右拱L3雷達測試成果圖像顯示，在25～50 m深度標尺為0.35～60 m處的白藍、藍紫色強反射相位為鋼筋網(wǎng)的雷達圖像反應(見圖8)，其中剖面樁號在25～50 m(見圖8)深度標尺為0.4～0.5 m、在300～325 m(見圖9)深度標尺為0.4～0.55 m范圍內存在強反射相位，推測存在局部脫空或巖體局部不密實，其余測試段反射波形清晰、層位明顯，推測襯砌混凝土內部密實性較好；現(xiàn)場對其異常樁號段0+39.1 m(見圖10a)和0+310.0 m處進行打孔驗證(見圖11a)，結果顯示存在局部脫空(見圖10b、圖11b)，與探地雷達推測結果吻合。

圖8 右拱L3測線(25～50)雷達測試成果示意

圖9 右拱L3測線(300～325)雷達測試成果示意

圖10 右拱(0+39.1)孔外觀(a)及芯樣外觀(b)示意

圖11 右拱(0+310)孔外觀(a)及芯樣外觀(b)示意

發(fā)電引水系統(tǒng)上平洞段右腰線L5測線雷達測試成果圖像顯示，在25～50 m時間標尺深度標尺為0.17～0.25 m處的藍紫色強反射相位為鋼筋網(wǎng)的雷達圖像反應，其中剖面樁號在0+27.3 m深度標尺為0.55～0.70 m范圍內存在強反射相位(見圖12)，推測存在局部脫空或巖體局部不密實，其余測試段其下雷達反射波同相軸連續(xù)性好，無明顯的反射相位，未見脫空，現(xiàn)場對其異常樁號段0+27.3 m進行打孔驗證(見圖13a)，結果顯示存在局部脫空(見圖13b)，與探地雷達推測結果吻合。

圖12 右腰線L5測線(25～50)雷達測試成果示意

圖13 右腰線(0+27.3)孔外觀(a)及芯樣外觀(b)示意

5 結語

1) 探地雷達技術由于其具有高效、快速、無損等優(yōu)點，同時實時成像顯示地下結構剖面，探測結果清晰，便于分析，判讀直觀，廣泛被用于隧道襯砌脫空質量檢測。

2) 通過對水利工程隧道開展L1、L3及L5探地雷達剖面測量工作，結果顯示，隧道部分位置存在強反射相位，推測襯砌存在脫空，后經(jīng)鉆探驗證，與探地雷達推測結果一致，認為探地雷達技術在隧道襯砌脫空質量檢測有效。