地質(zhì)雷達技術(shù)用于公路隧道結(jié)構(gòu)檢測

1、地質(zhì)雷達技術(shù)用于公路隧道結(jié)構(gòu)檢測地質(zhì)雷達技術(shù)用于公路隧道結(jié)構(gòu)檢測地質(zhì)雷達技術(shù)在公路隧道工程中的應用實踐地質(zhì)雷達技術(shù)用于公路隧道結(jié)構(gòu)檢測王連成 涂耘 蔣樹屏( 重慶交通科研設計院，重慶400067)摘要 通過實際工程應用，介紹了地質(zhì)雷達的特點、原理和探測解析方法，其在隧道結(jié)構(gòu)檢測的應用證明了地質(zhì)雷達的實用性、先進性及其實際應用中的重要作用。關(guān)鍵詞地質(zhì)雷達，檢測，應用實踐分類號文獻標識碼文章編號The Application of the Geological Radar Technology In Highway TunnelStructureWang liancheng 1， Wang Yin

2、gfu 2 Jiang Shuping1 ， Zhang yongxing2( 1 Communication research and design institute of Chongqing ,Chongqing 400067 China )( 2 Civil engineering Department of ChongqingUniversity,Chongqing 400045 China )Abstract By The Application Of The Geological Radar Technology In Highway Tunnel ， The character

3、istic, theory and detection interpretation of Geological Radar was introduced. It s used in geological forecast of in the structural detection of the finished tunnel. It s verified practicability, advanced andimportance. Key words geologic radar ， detection ，面、鋼拱架分布情況、圍巖密實完整穩(wěn)定情況等。公路隧道工程數(shù)量、規(guī)模和埋深等在逐年增

4、大，施工過程中遇到的工程地質(zhì)條件也愈加復雜。盡管在設計之前都作了一定程度的詳細地質(zhì)勘察，但隧道實際開挖施工中，有許多條件與勘察設計時的認識是大不相同的。僅以斷層為例，實踐結(jié)果表明勘察設計階段地面測繪所查明的與圍巖穩(wěn)定性有關(guān)的大小斷層一般不足隧道地下開挖實際揭露的一半，這說明勘察設計階段地面地質(zhì)勘察工作不易滿足施工要求。這種情況下隧道施工過程中必然會出現(xiàn)預料不到的塌方、涌水和大變形、巖爆等事件，從而經(jīng)常不得不停止掘進加以處理。由此說明應該對公路隧道施工過程中圍巖的穩(wěn)定性狀況和掌子面前方的成災情況及時地進行超前預報。隧道竣工后，或出現(xiàn)開裂、漏水、變形等病害后，根據(jù)現(xiàn)行公路隧道養(yǎng)護技術(shù)規(guī)范的要求和隧

5、道本身結(jié)構(gòu)安全性評價的需要，不僅要進行隧道表面觀測和凈空斷面測量，必要時還采用地質(zhì)雷達進行深部的專項結(jié)構(gòu)檢測，如襯砌有效厚度、襯砌混凝土的均勻一致性與完整性、有無離析和蜂窩麻實踐表明地質(zhì)雷達技術(shù)能在隧道施工中作出詳細的超前地質(zhì)預報，在隧道工程檢測中準確探測襯砌混凝土、初期支護及圍巖狀況。2 地質(zhì)雷達發(fā)展應用現(xiàn)狀隨著時代的發(fā)展，用于巖土勘察的儀器和方法種類繁多，主要歸納為電磁波法和彈性波法，工程中較常使用的電磁波法為地質(zhì)雷達，彈性波法為TSP （隧道地震探測儀）。TSP適合遠距離較宏觀的地質(zhì)問題探測；而地質(zhì)雷達方法利用高頻電磁波（波長小，分辨率較高）進行較快速的無損傷探測，所以其較高頻段還適合于

6、隧道結(jié)構(gòu)檢測。目前，地質(zhì)雷達技術(shù)已發(fā)展到單點探測和連續(xù)探測實時自動成圖，國外的探地雷達主要為單脈沖雷達（發(fā)射信號為高壓窄脈沖），工作頻率為50MHz2GHz以美國GSSI公司生產(chǎn)的SIR系列和加拿大A-CUBE公司的EKK醞列產(chǎn)品為代表。在工程實際應用中，由于地層對電磁波的衰減和儀器對地下目標的分辨率均隨工作頻率升高而增地質(zhì)雷達技術(shù)在公路隧道工程中的應用實踐加，所以不同頻段適合不同探測要求（表1）。表 1 不同頻段的應用范圍頻 段 甚目 標 衰減大的介質(zhì)或者遠距離目標實用范圍詳勘 普查勘探檢測可以對隧道的掌子面前方、左右側(cè)墻和頂?shù)装宸较蛱綔y。3.2.2 探測解釋資料的解析依據(jù)波形特征判斷目標性

7、質(zhì)，還采用追蹤回波在橫向和縱向上的延續(xù)和變化，對應展現(xiàn)出地質(zhì)構(gòu)造在平面和剖面上的形態(tài)，尤其在地面進行大面積勘探時，小的孤立目標在平面上不易追蹤，這時可采用橫向衰減對比處理解釋方法，尋找幅度突變點，即目標所在的位置。通過大量工程探測實踐，行之有效的解釋方法有灰度法、變面積法（wiggle） 、單點波形法、橫向衰減對比法等。地下介質(zhì)的雷達波傳播速度的獲取方法有已知鉆孔探測法或已知目的層的探測法、CDP供中心點）法或直達波法、公式計算法或經(jīng)驗數(shù)據(jù)法。界面的性質(zhì)、形狀、尺寸和產(chǎn)狀也直接影響到回波的幅值和形狀。例如，在單波形或在 wiggle 方式下，相對于射入線處于一種理想產(chǎn)狀的平整斷層面（帶 ）的波

8、形一般比較尖細，含水裂隙帶或斷層破碎帶的波形稍寬一些；空洞或者溶洞的波形鈍而寬緩，邊緣往往不規(guī)則，在灰度圖方式下，例如相對于介質(zhì)中的波長較大的空洞，由于空氣中的波速較快，相對于周圍介質(zhì)的旅行時間較短，其反射波的正負波上凸彎曲，近似于拋物線，頂端位于洞中心。無論上述哪種方式，物理性質(zhì)相同的反射波會形成一套特征相似的波形組合。因 此，可根據(jù)波形特點、組合特征及其差別，必要時輔助以不同的處理方法來解釋反射目標。（ 30300MHz）特高頻微波段（0.33GHz）衰減小的介質(zhì)（小、針對性的國產(chǎn)KDL系列地質(zhì)雷達，針對地下工程的超前預報特點，采用的是脈沖調(diào)制式，既具 有較大的探測距離又兼顧有較高的分辨率

9、，工作頻率在160220MHz探測距離能達到4060m能較好地適應超前地質(zhì)預報和部分工程檢測。3 地質(zhì)雷達探測原理和方法3.1 地質(zhì)雷達方程地質(zhì)雷達作為一種電磁波探測技術(shù)，遵循幾何光學原理。它是根據(jù)回波的單程旅行時間和電磁波在相應介質(zhì)中的傳播速度確定目標距離，并通過綜合分析判斷目標性質(zhì)的。在介質(zhì)中傳播的電磁波，其路徑與電磁場強度隨所通過的介質(zhì)的電性、幾何形態(tài)及尺寸等不同而變化，因此所接收的反射回波的幅度、形狀及在橫向上的展布特征也隨之變化。因而， 目標性質(zhì)的判斷，正是根據(jù)這一特點結(jié)合地質(zhì)知識進行的。根據(jù)經(jīng)典對空雷達方程1 導出的地質(zhì)雷達方程PtG2Q）u - -4 a RPr=e3424 地質(zhì)

10、雷達在隧道檢測中的應用地質(zhì)雷達作為一種高分辨率的非破壞性探測技術(shù)在隧道工程檢測中具有廣泛的用途。在隧道結(jié)構(gòu)檢測中能檢測影響隧道穩(wěn)定的有關(guān)參數(shù)。表 2 地質(zhì)雷達在隧道工程檢測中定量指標和定性指標Pr 接收機接收到的功率（VV ; Pt 發(fā)射機發(fā)射功率（W ; R 天線到目標的距 離（M）; G 天線增益（dB） ; Q目標截面積（m2 ; f 雷達中心工作頻率（Hz）; y界面功率反射系數(shù)；a 介質(zhì)的電場衰減系數(shù)（dB/m） ; u 介質(zhì)的雷達波傳播速度（m/s）。3.2地質(zhì)雷達的探測和解析方法3.2.1 探測布置地質(zhì)雷達的探測布置較靈活，按照實際情況布置測點、測線和網(wǎng)格。測點間距由勘察程度決定

11、。地質(zhì)雷達技術(shù)在公路隧道工程中的應用實踐注： *為定量指標，其它為定性指標或半定量指標隨著大量隧道的不斷建成，部分隧道已進入病害高發(fā)期和養(yǎng)護高峰期，如襯砌開裂、滲漏水、甚至掉塊坍塌。為了有的放矢地進行整治，采用無損傷探測是非常必要的，地質(zhì)雷達在工程檢測中就能達到事半功倍的效果。實際隧道工程檢測中采用美國 GSSI公司生產(chǎn) 的SIR-2000 （3000）型地質(zhì)雷達。采用 工作頻率為400MHz （900MHZ天線，該儀器分辨率高，較適合工程檢測的要求。實際檢測中一般布置五條測線（如圖2） 1 拱頂測線，位于隧道橫斷面的拱頂中心；2 左拱腰測線；3 右拱腰測線；4 左邊墻測線；5 右邊墻測線。圖

12、 2 隧道地質(zhì)雷達檢測縱測線布置圖圖 3 拱頂附近混凝土隧道檢測結(jié)果及相關(guān)描述如下：圖 4 邊墻錨桿位置探測圖 5 拱頂圍巖空洞圖 6 側(cè)墻鋼拱架分布圖圖 7 隧道路面損壞情況地質(zhì)雷達技術(shù)在公路隧道工程中的應用實踐圖 8 施工縫探測圖圖 10 混凝土離析、蜂窩狀帶圖 11 雙層配筋位置探測圖 12 襯砌裂縫通過工程實踐證明：（ 1）應用地質(zhì)雷達在地質(zhì)超前預報中可以準確地探測預報隧道施工中的危害工程施工安全的相關(guān)地質(zhì)災害。（ 2）較高頻段的地質(zhì)雷達適合于進行公路隧道結(jié)構(gòu)無損傷檢測，其精度可以滿足該要求，能探測隧道結(jié)構(gòu)的襯砌厚度、混凝土離析、蜂窩狀，其它結(jié)構(gòu)的不完整等工程缺陷、鋼拱架、鋼筋網(wǎng)等。（ 3）地質(zhì)雷達還能準確地探測到結(jié)構(gòu)附近圍巖空洞的位置和大小，填充的密實度等。（ 4）地質(zhì)雷達能探測出隧道結(jié)構(gòu)中的主要施工缺陷，為病害隧道的整治提供可靠的依據(jù)，能大大提高工作效率，節(jié)省費用。參考文獻1