探地雷达在隧道检测中的应用

梅本荣，蒋宣艳

(贵州省质安交通工程监控检测中心有限责任公司)

1 探地雷达的基础理论

1.1 基本原理

探地雷达的组成包括:主机、天线和配套软件等，其原理是:发射天线向探测方向发射高频脉冲电磁波，由于电磁波的传播特性，在其遇到界面或不均匀体时，部分电磁波会被反射回来，雷达主机通过同反射回来的反射波进行接收、分析，可达到探测地下的目的。但需要注意的是，电磁波的反射系数并不确定，根据介质的介电常数不同而不同，但在特定介质中的传播速度V是不变的，并且108m/s，V为电磁波在大气的传播速度;ε为相对介电常数)。由此可得出地质界面深度的计算公式(1)

式中:ΔT为地面和地下反射波的时间差。

1.2 探地雷达工作方法

探地雷达的现场工作方法通常采用剖面法和宽角法。

剖面法是发射天线和接收天线同步移动，每次的移动都以等值间距，记录点位于 T R中点，并且通过计算天线距，D为目标体的深度。

宽角法有两种移动方式，一是固定一个天线，移动另一个;两个天线由一个点向两侧反向移动。宽角法通过记录电磁波脉冲双程传播时间，传播速度较快的在图形中倾斜度较小，较平缓，传播速度较慢的倾斜度较大，较陡。

1.3 探地雷达数据处理方法

探地雷达的数据处理方法较多，有SEC增益、高通、小波变换处理、修饰性处理等。中低频雷达和高频雷达由于天线特性不同，抗干扰能力、信噪比也不相同，因此在实际探测工作中的数据处理方法，应根据实际工作情况进行选取。

2 工程应用分析

2.1 隧道掌子面前方地质情况预报

隧道挖掘过程中的人身伤亡、设备损坏等事故屡见不鲜，究其原因，大多是由于掌子面前地质情况不详，对不良地段的施工没有采取安全措施，不仅给施工带了损害，也给国家带了经济损失。因此在隧道施工中，对不良地质构造进行研究判断，对于安全施工、科学设计挖掘方案具有重要意义。隧道掌子面前方地质情况预报可分为中、长距离预报和短距离预报，中、长距离预报一般采用浅层地震方法，短距离预报呵采用探地雷达或声波探测。

地震方法的实施是在掌子面不同高程上水平布置几条地震测线，用石膏在掌子面上等距离粘接检波器，使用大锤在测线两侧激发地震波。

探地雷达方法的实施是在掌子面两侧洞壁及掌子面上水平布置雷达测线，使用100 MHz天线等距离点测采集。在K241+138～K241+063段有断层 3处(F115、F120、F135)，岩性异常带一处。综合解释所推断的位置为K241+115、K241+120、K241+135，岩性异常带位置为K241+068。挖掘证明，有断层2条(F115、F135)，出露桩号与推断位置相差1m左右，走向近EW，断距0.3m。岩性异常带为破碎带，宽度约10m，系由伟晶岩及角闪岩多次侵入造成。

2.2 隧道衬砌质量检测

隧道衬砌后质量问题受到多种因素影响，如:隧道衬砌混凝土厚度不能满足工程要求或隧道存在脱空等，地质雷达的高效、高分辨率的检测，可以有效地避免这些问题，为隧道的科学施工提供依据。

探地雷达法进行隧道衬砌质量检测的主要内容是混凝土密实性、脱空和衬砌厚度。检测中一般采用500 MHz或900 MHz高频天线，检测厚度可达几十厘米。测线一般布置在隧道的拱顶、拱腰及边墙三个部位，拱顶为隧道的正顶部附近，拱腰为隧道的起拱线以上1m左右，边墙为排水盖板以上1.5m左右。

隧道检测时雷达天线的快速运动往往形成天线贴壁不良，有较强的多次波出现，此外，隧道内电缆、钢管排架等对雷达数据有较大干扰，为了压制干扰，对隧道检测的探地雷达数据在解释前必需经过水平滤波、反褶积滤波和偏移滤波等数据处理，消除削面上的多次波和其他背景干扰波。

衬砌厚度评价，首先在探地雷达削面上确认出混凝出与岩石界而间的反射波同相轴，读取反射放双程旅行时间。按公式H=V×t/2计算出混凝上衬砌厚度:速度V可通过明洞地段标定:密实度的评价可根据探地雷达削面反射波振幅、相位和频率特征划分为密士和不密实两种类别.不密实的混凝土体在雷达削面上波形杂乱.同相轴错断:脱空体在雷达剖面上在混凝土与围岩交接面处反射波同相轴呈弧形，与相邻道之间发生错位，依此特征可计算出空洞的范围，由于爆破使围岩表面凹凸不平，因此在确定脱空时应对剖面上的异常加以细致的分析和确认。

广西省某公路隧道全长约1.6km，为了全面了解衬砌质量.在隧道既将贯通前开展厂探地雷达检测。检测的主要内容是混凝土衬砌厚度是否满足设计要求以及是否有较大脱空.检测中采用SIR-2型探地雷达，使用的雷达天线频率为500 MHz。开设的时窗为40 ns。测量点距为10cm:测量中以测量轮跟踪记录里程。

该隧道衬砌类型为:Sm3。设计衬砌厚度40cm;Sm4，设计衬砌厚度35cm;Sm5，设计衬砌厚度30cm。该区段衬砌类型Sm5。设汁衬砌厚度30cm。图中10ns附近起伏变化的同相轴为同岩界面反射波同相轴，图1为根据反射波双程走时计算出混凝土衬砌厚度解释曲线。

图1 K21+390K21+430区段边墙测线混凝土衬砌厚度解释曲线

数据解释时，取电磁波在混凝土中传播速度V=0.12m/ns，所检测的1.2km范围内，在隧道边墙和隧道拱腰处有100余点(处)，衬砌厚度小于设计要求，最大欠挖为了7～9cm，未见到大范同的脱空现象。

3 结语

(1)可准确预测隧道地质情况;(2)可检测出二次衬砌的厚度，衬砌混凝土的蜂窝异常和衬砌后空洞异常等情况，达到了预期的目的;(3)建议在施工处理后对异常区段进行复测，以了解实际处理效果。

[1] 李大心.探地雷达方法与应用[M].北京:地质出版社，1994.

[2] 谭春，王永，杨振涛.高频地质雷达在堤坝路面质量评价中的应用[J].上海地质，2007，(2).