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地质雷达检测技术在某隧道工程中的应用研究
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【世界经济贸易地理论文】摘要：地质雷达类似于探空雷达,它是利用高频电磁波束的反射探测地下目的体。近年来,该技术已被广泛应用于工程地质调查、土木工程检测、矿产资源勘查、水文与生态环境调查、地质灾害预测、地下掩埋物的探测等众多领域,特别是在结构检测和灾害的预测方面发挥着越来越大的
摘要：地质雷达类似于探空雷达,它是利用高频电磁波束的反射探测地下目的体。近年来,该技术已被广泛应用于工程地质调查、土木工程检测、矿产资源勘查、水文与生态环境调查、地质灾害预测、地下掩埋物的探测等众多领域,特别是在结构检测和灾害的预测方面发挥着越来越大的作用。文章对地质雷达检测原理及在工程中的应用进行了论述。
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关键词：隧道工程；地质雷达；检测技术
1引言
近几年，随着我国的交通、水利建设的发展，公路、以及各种引水隧道的数量也迅猛增加，而在其建设过程中，所面临的质量问题也不容忽视。以前隧道开挖时主要采用直接爆破，常会出现超挖或欠挖情况，这样给隧道混凝土衬砌造成较大难度，往往在衬砌层内形成较大空洞或衬砌层厚度达不到设计要求。随着隧道施工工艺的变化，现在采用光面爆破技术，隧道开挖质量有着很大提高，但由于种种原因，竣工后的隧道仍或多或少存在质量问题。这就需要有一种与传统质量检测方法完全不同的检测手段，高效率、全方位地进行检测，为解决隧道安全隐患及时准确地提供数据资料。地质雷达方法以其经济、无损、快速而直观的特点成为浅部地球物理勘察最主要的工具之一。雷达波频率高、波长短、分辨率高、可实现连续性测量,是目前探测的首选方法之一。
2地质雷达的检测原理
地质雷达方法是一种用于确定地下介质分布的广谱(1MHz 一1GHz)电磁技术。可广泛地应用于浅层的混凝土结构、构造以及于浅层的地质结构、构造和岩性检测。它是利用超高频脉冲电磁波为震源，多以自激自收的形式，可采用连续、间断两种方式探测地下介质分布的一种地球物理勘探方法。具有快速、无损、连续检测、实时显示等特点。地质雷达检测原理是根据地质雷达这一超高频短脉冲(106 一109Hz)电磁波在结构介质中传播规律确定的。电磁波在介质中传播时，其路径、电磁场强度与波形将随所通过介质的电性质及几何形态而变化。因此，根据接收到波的旅行时间(亦称双程走时)、幅度与波形资料，可推断介质的结构。由于地质雷达的发射天线与接收天线之间距离很小，甚至合二为一。当被检结构倾角不大时，反射波的全部路径几乎是垂直平面的。因此，在测线不同位置上法线反射时间的变化就反映了被检结构的构造形态。地质雷达工作频率高，在工程及地质介质中以位移电流为主。因此，高频宽频带电磁波传播，实质上很少频散，速度基本上由介质的介电性质决定。因此，电磁波传播理论与弹性波的传播理论有许多类似地方。两者遵循同一形式的波动方程，只是波动方程中变量代表的物理意义不同。地质雷达检测理论是基于地质雷达这一超高频短脉冲(106 一109Hz)电磁波在结构介质中传播规律和波的合成原理确定的。任何脉冲电磁波都可以分解成不同频率的正弦电磁波。因此，正弦电磁波的传播特征是地质雷达的理论基础。雷达波在介质中的传播速度v 与介质的相对介电常数有关，雷达检测的探测效果主要取决于不同介质分界面的电性差异的大小，即介质层间介电常数差异越大，则探测效果越好，介质异常在雷达剖面上反映也就越明显，从而易于识别。
图1雷达探测原理示意图
2工程实例
某隧道通过范围属中下低山区，自然山体高陡，黄土峦及冲沟发育，山体自然坡度较陡，一般度数是40°～60°,全隧道位于半径R-1700m
的曲线上，隧道坡度为260m3‰的上坡和1751m7‰的下坡，隧道起迄里
程：DK479+830～DK481+841,全长2011m，为单线隧道。隧道进出口附近，交通较便利。
2．1 现场检测及使用设备
（1）地质雷达(GPR)现场检测及使用设备地质雷达检测的现场工作必须根据所要研究的介质特性、工程要求等来现场布置测线、标注标尺，采用合适的观测方式、正确选择测量参数以保证记录质量。目前，常用的双天线地质雷达检测方式主要有两种：剖面法和宽角法。剖面法这是发射天线(T)和接收天线(R)以固定间隔距离沿线同步移动的一种检测方式。发射天线和接收天线同时移动一次便获得一个记录。当发射天线与接收天线同步沿测线移动时，就可以得到由一个个记录组成的探地雷达时间剖面像。横坐标为天线在衬砌表面测线上的位置，纵坐标为雷达脉冲从发射天线出发经衬砌底部界面反射回到接收天线的双程走时。这种记录能准确地反映出正对测线下方衬砌表面下各个反射面的起伏变化。地质雷达检测隧道衬砌质量是利用隧道衬砌内部构造及围岩的不同电性差异来实现的。由于衬砌内部构造及围岩是固、液、气三相多孔状混合体材料构成，不同材质间的接触面及同一种材质内部不连续面都是良好的雷达波反射界面。当雷达波向下传播经过这些界面时，都会发生不同程度的反射、折射和散射，产生不同程度的波能吸收和衰减，集中反映在波形和波阻特征变化上。分析研究接收回波的特征差异，就可以揭示衬砌内部构造及围岩结构特征及病害缺陷。实测时将雷达天线紧贴于衬砌表面，沿测线连续滑动，采用打标方式进行定位，雷达主机实时记录每个测点的时间、深度和振幅值，构成连续雷达剖面。当介质的波速已知时，根据所探测到的双程旅行时，就可以求得目标体的位置和埋深。本次隧道衬砌检测采用美国?GSSI 公司生产的SIR-2000 型便携式地质雷达，是目前世界上先进的瞬态无载波脉冲雷达，不仅系统的数字化程度高，而且探测范围广、分辨率高、透深能力强，并具有实时数据处理和成像能力，还可进行连续透视扫描，配置浅、中、深全套屏蔽和非屏蔽天线，可应用于混凝土测厚和缺陷检测、钢筋透视、地质调查、空洞和裂隙的确定等。本次检测所配天线为：400MHz 整体式屏蔽天线。
2．2 数据处理与资料分析
地质雷达检测隧道衬砌质量的记录数据，在现场回放检查合格后按对应文件转存到计算机上，通过外业实测资料经室内数据处理软件的处理、分析，计算出衬砌厚度、确定衬砌背后的回填密实度和衬砌内部钢架分布情况。数据及资料的处理，首先是将记录数据转换成标尺图像，通过对图像及资料的对比分析，找出被检目标的异常位置和层面，确定数据处理、分析的主要工作内容；二是应用数据处理软件处理、分析异常处的相位特征、频率特征等参数，评定异常位置的性质和特点。
2．3 判释与推定
（1）衬砌背后回填密实度的主要判定应符合下列要求：
① 密实：信号幅度较弱，甚至没有界面反射信号；
② 不密实：衬砌界面的强反射信号同相轴呈绕射弧形，且不连续较
分散；
③ 空洞：衬砌界面的强反射信强，三振相明显，在其下部仍有强反
射界面信号，两组信号时程差较大。
（2）衬砌内部钢筋、钢架位置分布的主要判定应符合下列要求：
① 钢筋：连续的小双曲线形强反射信号；
② 钢架：分散的月牙形强反射信号。
3检测结论
通过对隧道DK481+510～DK481+837 进行了检测，检测5 条测线，总测线长327 米。地质雷达检测以中华人民共和国家行业标准TB10223-2004 \ J341-2004 《隧道衬砌质量无损检测规程》、《隧道工程施工验收质量验收标准》及设计要求为依据，检测结论如下：
1）该隧道衬砌厚度检测点数的合格率均大于90%，符合规范要求；
2）该隧道钢架数量符合《隧道工程施工验收质量验收标准》的要求，其中DK481+726-DK481+760 钢架分布不均匀，其余里程段钢架分布均匀；
3）该隧道衬砌背后回填密实度的检测点数相对误差小于10%，符合规范要求。
3结束语
利用地质雷达进行无损检测是地球物理探测技术中的一种方法，并在隧道质量的检测中受到广泛重视。文章结合某隧道质量检测中的工程实例，阐述了地质雷达技术在隧道质量检测方面的应用特征及效果。
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