連偉章

（甘肅省有色地質(zhì)調(diào)查院，甘肅 蘭州 730000）

1 探地雷達(dá)系統(tǒng)及工作原理

1.1 探地雷達(dá)系統(tǒng)介紹

目前，我國從國外進(jìn)口的雷達(dá)有：美國 GSSI的 SIR系列、意大利 IDS的RIS-2K/MF、加拿大Sensors&軟件的 EKKO、瑞典 MALA的 RAMAC/GPR等。文章著重對美國 GSSI公司研制的SIR-3000雷達(dá)進(jìn)行了詳細(xì)的分析和研究。SIR-3000型可攜帶式探地雷達(dá)主要包括3個部件：主機(jī)、控制顯示部件、天線。主機(jī)主要由電源、軟驅(qū)、復(fù)位開關(guān)、磁帶機(jī)、SCSI連接器、連接板等組成。控制顯示部分由顯示器和功能控制按鍵構(gòu)成，可對相關(guān)結(jié)果進(jìn)行實時監(jiān)控和計量。

1.2 探地雷達(dá)的工作原理

探地雷達(dá)法是利用地層中不同介質(zhì)的介電常數(shù)差異這一物理原理來實現(xiàn)的。在探地雷達(dá)工作的時候，雷達(dá)發(fā)出并接受高頻短脈沖電磁波（通常頻率為10～2 500 MHz），然后通過雷達(dá)系統(tǒng)所收到的從被檢測體內(nèi)部介質(zhì)所反射的電磁波的波形、振幅、頻率、相位等物理特性，對被檢測體的位置、埋藏深度、形狀、結(jié)構(gòu)、物質(zhì)特性等做出初步的判斷，然后再與有關(guān)被檢測體的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、文獻(xiàn)等進(jìn)行全面的分析與判斷。通過接收到的波形、振幅等數(shù)據(jù)，反演該介質(zhì)的結(jié)構(gòu)，并通過雙程旅行時間t，反演該介質(zhì)的厚度（D=vt/2，這里v=c/，c是電磁波在真空中傳播的0.3 m/ns，εr是相對介電常數(shù)）。在用探地雷達(dá)對隧道襯砌質(zhì)量進(jìn)行測量的過程中，將發(fā)射天線和接收天線緊密地貼在襯砌混凝土表面上，當(dāng)發(fā)射天線沿著被探測物表面運動的時候，就可以得到混凝土內(nèi)部介質(zhì)剖面的圖像。

2 隧道初期支護(hù)及檢測特點

2.1 不同圍巖條件下的初支設(shè)計

開挖隧道將使地層初始應(yīng)力失去平衡，圍巖應(yīng)力釋放，最終造成孔隙變形，變形過量將造成圍巖松動，甚至有可能造成隧道塌方。在隧道中，通常采用鋼筋或混凝土作為支撐物，以起到支撐物的作用，防止巖體變形。在隧道的初期支護(hù)中，最常用的就是錨桿、噴混、鋼拱架、鋼筋網(wǎng)等，鐵路隧道中常用的支護(hù)結(jié)構(gòu)，以雙線鐵路隧道250～350 km/h 為例，如表1所示。

表1 鐵路隧道常見初支結(jié)構(gòu)歸總表

2.2 初支檢測鋼拱架尺寸的歸總

預(yù)支檢驗包括噴射混凝土的厚度、鋼拱架的間距、噴射混凝土與圍巖的脫空等。由表1可知，對于圍巖較好的Ⅱ、Ⅲ級圍巖而言，在正常段噴混已經(jīng)達(dá)到了承載力的要求，因此可以不設(shè)置鋼拱架，鋼拱架的設(shè)置基本是在Ⅲ級偏壓及其以上圍巖段，而在隧道的形式和圍巖等級已經(jīng)確定的情況下，噴混的厚度可以由設(shè)計來控制。

目前，一般采用3～4根鋼筋的格構(gòu)式截面，4根鋼筋是比較普遍的。由于4號主筋架構(gòu)中的鋼筋均為統(tǒng)一規(guī)格，且抗彎與抗扭慣性均大于相同等質(zhì)等高的3根主筋，所以常被應(yīng)用與軟巖、土質(zhì)、砂質(zhì)地層的雙線隧道中。該技術(shù)主要用于鐵路、公路等工程，其拱寬b=170 mm。3條主筋是一個正三角形的形狀，它是由一個上部的兩條鋼筋和一個下部的一條鋼筋構(gòu)成的，上部的兩條鋼筋的截面面積的總和要盡可能的等于下部的總面積，一般在單線的隧道中使用，它的寬度為b=115 mm，其鋼筋的直徑不能小于22 mm。

型鋼是一種鋼拱，它的剛性、硬度、抗壓性都很好，可以承受很大的圍巖周應(yīng)力，所以它可以用來做臨時支護(hù)，也可以用來在混凝土中做永久襯砌。在支護(hù)結(jié)構(gòu)易失穩(wěn)、需立即受力的工程環(huán)境下，通常用于代替格網(wǎng)。然而，此類鋼支護(hù)與噴漿混凝土的粘結(jié)較差，在噴漿過程中往往會出現(xiàn)空隙，使噴漿混凝土不能粘結(jié)，甚至產(chǎn)生裂縫，造成襯砌失穩(wěn)。

3 初期支護(hù)鋼拱架雷達(dá)圖像

3.1 探地雷達(dá)探測技術(shù)的基本原理

探地雷達(dá)檢測是一種電磁技術(shù)，它通過高頻脈沖電磁波的反射來檢測地下目標(biāo)的分布及特性。地質(zhì)雷達(dá)是利用電磁信號對地物進(jìn)行探測的一種方法。按照電磁波原理，被檢媒質(zhì)的波阻η直接影響著電磁波的傳輸速率和傳輸效率，被檢媒質(zhì)的介電常數(shù)ε與被檢體的波阻η存在著某種邏輯上的聯(lián)系，也就是：η=1 /。波阻抗η和反射系數(shù)R之間的關(guān)系是這樣的：

在不同介質(zhì)中，反射系數(shù)R能直觀地反映出介質(zhì)的介電性差別。

3.2 鋼拱架雷達(dá)圖像

鋼拱架信號的形成其實是一個全反射的過程，當(dāng)電磁波傳播到介電常數(shù)接近無窮大的鋼筋表面時，必然會產(chǎn)生全反射，在地質(zhì)雷達(dá)圖像上產(chǎn)生的形狀為拋物線式的特征信號，它呈現(xiàn)出一種月牙狀，但是拋物線的頂點恰好在鋼拱架的外表面。因圍巖與噴射混凝土介電常數(shù)相差不大，難以確定其邊界，導(dǎo)致初支噴混厚度難以掌握；同時，初支噴混表面起伏不平，難以貼合地質(zhì)雷達(dá)天線，導(dǎo)致電磁輻射損耗大，數(shù)據(jù)采集質(zhì)量下降，難以對其內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行精確判定。隧道初支的施工順序是：開挖完畢后，先噴厚4 cm左右的混凝土，再豎起拱架，噴初支混凝土，封閉拱架。研究結(jié)果表明，地質(zhì)雷達(dá)資料獲取對鋼拱外表面具有較高的分辨率，即每個異常信號（拋物線型）的頂點，每個隧道的拱形尺寸都已確定。圍巖等級的不同，只能使每個拱之間的間隔變小，從而使支護(hù)得到強(qiáng)化。

4 項目概況

西藏地區(qū)的一條隧道，是一條長1 115.5 m的雙洞單向行車隧道，其所穿越的山地屬于中、高山區(qū)。該地區(qū)的地形相對比較復(fù)雜，斜坡的傾角在30°～40°，斜坡也比較陡峭。海拔3 700～4 600 m。隧道入口處的蓋土坡坡度較小，坡度25°～30°，主要由四疊統(tǒng)崩坡堆積而成，巖性以砂質(zhì)黏土為主，表面植被較少。因淺表層以碎石土為主，容易發(fā)生水力沖刷和局部滑坡，邊坡受到擾動后容易發(fā)生滑動，表面巖石較為破碎，出現(xiàn)零星的崩塌和掉塊。在斜坡的斜坡上，有大量的巖石從斜坡上掉落下來，最大的巖石顆粒直徑在1.5 m左右，因此，必須在入口處采取一定的保護(hù)措施。隧道出口處的地貌斜率在30°左右，以暴露的巖石為主，上覆以第四系薄層殘留坡積層為主，巖石破碎度高，整體穩(wěn)定。

5 檢測原理

5.1 基本原理

在探地雷達(dá)的檢測過程中，主體部分向外輻射出一種高頻率的電磁波。電磁波通過地下媒質(zhì)時，將被不同的電參數(shù)反射，根據(jù)其振幅、相位、頻率等波動特性，可以有效地獲取探測點的空間位置和幾何信息。探地雷達(dá)反射波形表現(xiàn)為：①目標(biāo)介質(zhì)疏松、組分不均勻時，電磁散射，反射界面不連續(xù)，成像混亂，沒有清晰的同相軸線。反之，反射波同相軸線是連續(xù)的。②在有空位的情況下，反射波形成的波寬度、幅度都會增大。③當(dāng)靶體兩邊介質(zhì)的介電常數(shù)相差較大時，所產(chǎn)生的反射力也較大；反之亦然，電磁波所反射的能量較小。④電波與被測物體的電阻率降低，其相對介電常數(shù)差增大，無線信號的衰落也隨之增強(qiáng)，并且在同相軸上的振幅也隨之增大；相反，在同相軸上的幅度很小。

5.2 前期準(zhǔn)備工作

（1）在測試之前，必須到支護(hù)處進(jìn)行測試，了解施工情況，并做好相應(yīng)的工作記錄。對隧道的寬度和高度、混凝土的齡期、隧道路面的清潔程度進(jìn)行了詳細(xì)的測量；確定在探測目標(biāo)附近有無 EMI干擾源，會避免影響探地雷達(dá)；通過對車行橫洞、人行橫洞、鋼索位置的調(diào)查，對隧底水浸段的調(diào)查，對襯砌表面濕潤或有冷凝水滴的情況進(jìn)行調(diào)查，并對病害發(fā)生的位置及種類進(jìn)行調(diào)查。

（2）搜集隧道工程地質(zhì)資料、施工計劃、設(shè)計變更、施工記錄，掌握隧道襯砌的設(shè)計與施工狀況，弄清被測對象的深度、幾何形狀、電性等，便于選取合適的探查參數(shù)，確保在現(xiàn)場得到全面而有效的資料。

（3）在實地考察的基礎(chǔ)上，結(jié)合已有的數(shù)據(jù)信息，選取適當(dāng)?shù)奶綔y方法、數(shù)據(jù)采集方式、測線布局，并制定出一套科學(xué)的、切實可行的探測方案。

（4）在測試之前，要做好隧道內(nèi)的里程標(biāo)定，并要對設(shè)備進(jìn)行徹底的檢查，以防止現(xiàn)場測試時由于設(shè)備的原因而導(dǎo)致測試中斷。

5.3 采集參數(shù)的設(shè)置

應(yīng)用地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)進(jìn)行巷道初期支護(hù)時，通常采用0.05～5 m的有效檢測深度，以保證反射信號清晰、分辨率高。由于地處高海拔山區(qū)，其后方發(fā)育有淺層、薄夾層等復(fù)雜結(jié)構(gòu)，其探測深度一般在10～50 cm。在野外試驗中，選用900 MHz、400 MHz兩種帶屏蔽的中頻天線，分別以自取樣、連續(xù)取樣等方式進(jìn)行試驗。為確保探地雷達(dá)具有足夠的探測深度，并能有效采集到全部目標(biāo)的回波信息，探地雷達(dá)數(shù)據(jù)中的雙向傳播時間，必須根據(jù)各層的最大探測量和平均傳播速度來確定。該方法將單路傳輸時間設(shè)定在15～200 ms，采樣點數(shù)為1 024。

5.4 介質(zhì)參數(shù)的標(biāo)定

測試前，在現(xiàn)場對原隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行校準(zhǔn)，每個隧道至少校準(zhǔn)一個位置，測試至少重復(fù)三次。這些平均值就是原有巷道支撐物的介質(zhì)介電常數(shù)或者是等效電磁場波速度。在實際工程中，通常采用隧道洞口、行人或車輛通道等具有一定襯砌厚度，并且厚度不小于15 cm的區(qū)域進(jìn)行相對介電常數(shù)的校正。在測地雷達(dá)校準(zhǔn)點，經(jīng)預(yù)處理后，其反射界面應(yīng)清晰而精確。

5.5 測線布設(shè)

《公路工程質(zhì)量檢驗評定標(biāo)準(zhǔn)》（JTG F80/1-2017）的有關(guān)規(guī)定，對隧道初支護(hù)體進(jìn)行探地雷達(dá)檢查時，探地雷達(dá)檢查布線應(yīng)遵循“以縱為主、以橫為輔”主要的布局方式。在縱向上，一般設(shè)置5條測線，為拱頂、左拱腰、右拱腰、左墻、右墻各1條測線。測線的設(shè)置為：①隧道初始支護(hù)結(jié)構(gòu)的側(cè)向監(jiān)測以點測為主；②在初支護(hù)體后方的孔隙探測之前，在巷道側(cè)壁上，以5 m為間隔標(biāo)注里程數(shù)；③在隧道拱頂、拱腰段的檢測中，利用一臺小吊車或在一輛貨車上搭建一個工作平臺，使其在被檢測方向上以相同速度行駛。

5.6 檢測成果解譯

對于現(xiàn)場采集到的資料必須通過地面雷達(dá)后處理軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理，這些數(shù)據(jù)有：零點修正、方位漂移、橫向濾波、縱向濾波等。礦山測繪的結(jié)果體現(xiàn)了隧道原有的支撐條件和圍巖的電性分布。為了將這些信息轉(zhuǎn)化成實際的地質(zhì)分布，需要把勘察資料、隧道設(shè)計資料以及工程圖等資料有機(jī)聯(lián)系在一起，才能得到完整的隧道初始支撐及周圍環(huán)境。首先，通過對所獲得的地震資料進(jìn)行影像處理，確定標(biāo)志層與靶區(qū)，進(jìn)而研究靶區(qū)的幅值、相位和頻率特征，以達(dá)到靶區(qū)檢測的目的。其次，運用專門的計算機(jī)程序，對地質(zhì)雷達(dá)圖像中的空洞和疏松情況，以及鋼拱架布置位置及數(shù)量、基坑初始支護(hù)的厚度等情況進(jìn)行識別和處理。

6 結(jié)果分析

6.1 數(shù)據(jù)采集

在探測過程中，要注意測量點的起點、方向及標(biāo)記間隔，同時標(biāo)記出可能影響地質(zhì)雷達(dá)信號的物體（如滲水、鐵架等）及其所在的方位。對雷達(dá)縱向測線進(jìn)行連續(xù)、高精度的掃描，要求每秒40道以上的掃描速率。在此基礎(chǔ)上，選取左拱腰、拱頂、右拱腰3個測線，利用TAR數(shù)據(jù)后處理與分析軟件，獲得隧道初始支護(hù)結(jié)構(gòu)中3個測線的TAR數(shù)據(jù)。

6.2 測定結(jié)果

對隧道初期支護(hù)體的TAR剖面進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，在隧道的左腰、右腰和拱頂?shù)炔课?，沒有出現(xiàn)明顯的脫空和壓實度不高的質(zhì)量問題。另外，由探地雷達(dá)剖面中的鋼拱架位置標(biāo)識可以看出，5 m范圍內(nèi)存在10根鋼管，即雙拱之間的真實距離為0.5 m，與設(shè)計間距是一致的，初步確定鋼拱間距滿足設(shè)計要求。根據(jù)檢測，發(fā)現(xiàn)隧道左側(cè)梁初期支護(hù)結(jié)構(gòu)厚度平均值為29.18 cm、拱頂為29.32 cm、右拱腰為29.53 cm，都超過了原設(shè)計厚度26 cm。

7 結(jié)語

綜上所述，探地雷達(dá)技術(shù)已成為一種有效的監(jiān)測手段，能夠為隧道施工質(zhì)量的監(jiān)控提供有力的保證。在對隧道施工工藝進(jìn)行檢驗的基礎(chǔ)上，還應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)氐木唧w情況，運用探地雷達(dá)技術(shù)，確保隧道施工工藝的質(zhì)量。