地質(zhì)雷達檢測在隧道工程中的應(yīng)用

王菲

山東魁元工程質(zhì)量檢測有限公司 山東濟南 250031

二十世紀(jì)以來，我國鐵路行業(yè)的快速發(fā)展，隨著鐵路網(wǎng)路越來越發(fā)達，鐵路隧道存在的質(zhì)量風(fēng)險也越來越高，我們需要及時地發(fā)現(xiàn)并處理。在西南地區(qū)橋隧比較高，隧道也成為高速鐵路建設(shè)中最重要的一環(huán)，但目前，由于設(shè)計、施工工藝、地質(zhì)條件等因素，國內(nèi)在建或已建成的鐵路隧道都存在不同種類的質(zhì)量缺陷，如襯砌、仰拱的空洞、厚度不足、不密實等[1]。

1 地質(zhì)雷達法

地質(zhì)雷達是一種廣泛運用于實際生產(chǎn)中的地質(zhì)測量技術(shù)，它通過發(fā)射不同頻率的電磁波并接收其反射回波，通過對反射回波的時間和信號的強弱來推測地下地質(zhì)體的分布及變化情況。當(dāng)發(fā)出的高頻電磁波在介質(zhì)中傳播，遇到具有電性差異的介質(zhì)交界面或地質(zhì)異常體時，電磁波發(fā)生折射和反射，通過接收反射信號到達雷達天線的時間和信號強弱以及專業(yè)的數(shù)據(jù)處理與分析后，推測地下介質(zhì)或不良地質(zhì)體的分布與變化情況。在隧道短距離超前地質(zhì)預(yù)報中，地質(zhì)雷達具有體積小、集成度高、操作方便、測量時間短、預(yù)報準(zhǔn)確度高等優(yōu)點，它對山嶺隧道施工中遇到的溶洞、構(gòu)造破碎帶、節(jié)理密集帶、軟弱夾層以及巖層地下水發(fā)育情況等地質(zhì)問題都具有良好的預(yù)報作用。雷達反射波一般以脈沖波形形式記錄，由于介質(zhì)的不均勻性及介質(zhì)的介電常數(shù)差異，電磁波在介質(zhì)中傳播時能量會出現(xiàn)不同程度的衰減和受其他信號干擾，造成反射波形與原始發(fā)射波形有明顯的差異，影響實測數(shù)據(jù)。為了提高分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，需適當(dāng)處理原始數(shù)據(jù)，壓制干擾信號，改善其信噪比，進而獲得可以真實反映隧道前方實際地質(zhì)情況的雷達圖像[2]。

2 檢測工作

測線布置：在鐵路隧道襯砌地質(zhì)雷達檢測中一般布置5條測線，分別為拱頂、左右拱腰、左邊邊墻。檢測設(shè)備：美國勞雷公司生產(chǎn)的SIR-4000型便攜式地質(zhì)雷達及900MHz、400MHz、200MHz、100MHz屏蔽天線。數(shù)據(jù)分析：采用地質(zhì)雷達專用分析軟件：RADAN軟件，通過導(dǎo)入數(shù)據(jù)，距離歸一化，零點去除，數(shù)字濾波，里程樁號輸入，介電常數(shù)分析，偏移，目標(biāo)體識別等步驟，綜合分析，判斷出質(zhì)量缺陷。

3 具體應(yīng)用

本文研究對象為在建雙向四車道高速公路，隧道為分離式隧道，設(shè)計行車時速為80公里，左幅隧道起終點樁號為ZK23+759-ZK28+225，長度為4466m，最大埋深約451m，右幅隧道起終點樁號為YK23+760-YK28+275，長度4515m，最大埋深455m。隧址區(qū)上覆第四系土層（Qel+dl）分布零星，厚度不大，有碎屑地段的粉質(zhì)黏土以及可溶巖地段的黏土。

3.1 地質(zhì)雷達在隧道襯砌的厚度方面探測分析

地質(zhì)雷達對襯砌厚度的識別是通過電磁波在傳播過程中，由一種介質(zhì)進入到另一種介質(zhì)時，介質(zhì)的介電常數(shù)發(fā)生變化才能接收到反射信號。反射信號的強度主要取決于上下介質(zhì)的介電常數(shù)差值，介電常數(shù)差值越大，反射信號越強；介電常數(shù)無差異，則不發(fā)生反射。

3.2 雷達數(shù)據(jù)處理與解釋成圖

地質(zhì)雷達數(shù)據(jù)處理包括預(yù)處理（標(biāo)記和樁號校正等）和后處理分析，其目的在于壓制規(guī)則和隨機干擾，以盡可能高的分辨率在探地雷達圖像剖面上顯示反射波，突出有用的異常信息（包括電磁波速度，振幅和波形等）來幫助解釋。從地質(zhì)雷達數(shù)據(jù)處理的原理中我們可以將地質(zhì)雷達的數(shù)據(jù)處理分為以下幾步：①預(yù)處理；②振幅恢復(fù)；③去噪；④反褶積；⑤偏移成像；⑥復(fù)信號分析等步驟。在檢測過程中由于現(xiàn)場條件的影響，儀器接收到的信號會受到周圍環(huán)境的干擾。本次檢測受到的干擾主要有地質(zhì)雷達測線附近地面存在孤立的物體，如路燈金屬桿、架空電線、注漿機械設(shè)備（如鉆機、電纜、挖掘機等）；在檢測過程中車流十分密集的干擾等。初始剖面由于干擾因素較強，不能精確判斷出細小的管道等地下隱伏物體，因此，必須對采集到的數(shù)據(jù)資料進行分析處理之后才能對道路實際情況做出分析判斷。

3.3 探測成果

該次預(yù)報雷達探測深度為30m（YK24+922-YK24+952），從雷達成果圖中得出：掌子面前方0-8m及8-30m左側(cè)前方雷達波以中頻反射信號為主，局部為中高頻信號，同相軸較為連續(xù)，振幅一般。推測對應(yīng)區(qū)段圍巖完整性較差，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，溶蝕稍發(fā)育。掌子面右側(cè)前方8-30m雷達波以中低頻反射信號為主，反射波形較雜亂，整體振幅較高且多次震蕩，能量團分布均勻性較差，同相軸出現(xiàn)異常且局部呈弧形發(fā)展。推測對應(yīng)區(qū)段圍巖破碎，溶蝕發(fā)育，存在與隧道軸線方向近一致的充填式溶洞[3]。

4 結(jié)語

應(yīng)用地質(zhì)雷達進行隧道質(zhì)量檢測，應(yīng)根據(jù)需要檢測目標(biāo)體的特性，檢測的深度，設(shè)計參數(shù)，選擇適宜頻率的屏蔽天線，設(shè)置適宜的時窗、掃描速度，現(xiàn)場檢測時注意天線與被測物貼合度，已提高檢測質(zhì)量，避免誤判漏判。在襯砌厚度判讀前，需對襯砌介電常數(shù)進行準(zhǔn)確標(biāo)定，找準(zhǔn)雷達圖譜分中襯砌分界面，已提高厚度判讀精度。應(yīng)用地質(zhì)雷達對鐵路隧道進行雷達檢測，通過檢測、數(shù)據(jù)處理、圖譜識別能較好地識別出襯砌空洞，襯砌厚度不足、襯砌不密實等影響隧道運營安全的質(zhì)量缺陷。