隧道拱顶空洞的雷达探测研究

林 义

(1.西南交通大学，四川 成都 610031;2.中铁西北院科学研究院有限公司，甘肃 兰州 730000)

地质雷达是一种宽带高频电磁波信号探测方法，它可以对短距离内(20 m～30 m)的地质异常(地层岩性界面、岩溶、较大节理、软弱夹层、富水带等)进行探测，地质雷达由发射天线将高频(40 MHz～1 500 MHz)的电磁波以宽带短脉冲形式向隧道掌子面发出，电磁波在介质中传播时遇到存在电性差异的目标体，如空洞、裂隙、岩溶等时会产生回波，然后由接收天线接收。用相应雷达资料处理软件对现场采集的地质雷达数据进行处理，可得到各测线的成果图，然后根据雷达波形、电磁场强度、振幅和双程走时等参数，可以推断掌子面前方的地质构造及目标体的位置、深度和几何形态。

李晋平等［1］针对铁路隧道施工中可能出现的质量问题，利用地质雷达对铁路隧道的工程质量进行了检测工作，并针对铁路隧道，给出了地质雷达在无损检测应用中的工作方法，包括测线装置、采集参数设定、现场检测和后期资料处理解释等;郭亮等［2］基于地质雷达的测试原理，进行地质雷达用于探测围岩松动圈的可行性分析，并用地质雷达对偏压隧道进行实测，研究结果验证了地质雷达探测围岩松动圈的可行性;刘孝明等［3］采用地质雷达对双连拱隧道初次衬砌中的质量进行了检测，证明隧道衬砌的雷达检测不仅可以对施工质量进行监控，而且还为工程隐患的排除提供准确可靠的消息;王振宇等［4］采用地质雷达进行更精确的短期预报，依据雷达反射波的振幅、相位及频率等变化探测断层和地下水的赋存的情况，对于大范围的不良地质体，采取连续跟踪预报的策略，通过多次预报成果的验证及反馈显著提高预报的可靠性，该综合超前预报方法在隧道穿越断层和涌水段施工中取得满意的效果;许有俊等［5］采用地质雷达对公路隧道的衬砌质量进行检测，根据雷达判释结果集数理统计结果，表明隧道衬砌厚度相对比较均匀。张正国等［6］针对达成铁路部分隧道边墙及拱顶背后不同程度存在空洞的情况，为消除安全隐患，应用地质雷达探测新技术，对重点隧道进行了无损检测。本文采用地质雷达对拱顶的密实程度进行了检测，证明隧道局部存在空洞反应。

1 工程概况

隧道所处属于前丘陵区，地势东高西低，地形逐渐变缓，沟梁相间，冲沟发育，相对高差120 m～150 m，根据地面调查及钻孔揭示，隧道进出口均位于全～强风化云母石英片岩中，洞身主要通过云母石英片岩，浅埋地段上部覆盖洪积膨胀土、细角砾土，山梁上部覆盖第四系中更新统膨胀土。

2 野外数据采集

为了对数据进行详细的采集工作，因此采用加密的观测系统设计，其测线系统如图1所示。数据采集时，为满足探测深度和精度的要求，用天线采集数据时，时窗设置为200 ns，采样率为1 024样点数/扫描，采用连续测量方式进行测量。

图1 测线系统雷达探测示意图

3 数据处理

采集的数据采用“GresWin2”软件包对地质雷达原始数据进行处理。预报目的是为了确定拱顶是否存在空洞，实测范围约为10×11个平方。处理流程为:数据传输→文件编辑→数字滤波→零点归位→偏移处理→能量均衡→时深转换→文件注释→输出雷达时间(或深度)剖面图。将雷达时间(或深度)剖面图作为资料解释的基本图件。主要过程:

1)距离归一化:在应用探地雷达进行连续探测时，雷达天线匀速移动。

2)确定波速:波速计算可通过以下公式进行:

其中，v为介质中电磁波波速;c为真空中电磁波波速;s为相对介电常数。

3)水平和垂直滤波:水平波在地质雷达资料中特别发育，它是雷达采集系统本身产生的。主要来自于控制器、数据线、天线的相互作用，是难以避免的。水平滤波主要是利用水平波具有时间相等这一特性。在滤波过程中，求相邻的一定数量的扫描线的平均值，然后与个别扫描线相比较来消除水平波。

垂直滤波主要是利用频谱特征的不同来消除杂散波，这些杂散波是由外部环境引起的，频率不在雷达天线频带内。通常采用带通滤波，高通滤波，低通滤波，小波变换等方法。

4 结语

本次探测的深度为自仰拱表面往上约为6 m。

1)检测表明测线1的空洞反应较小，主要表现在拱顶处，大小约为1 m。测线2至测线4雷达空洞反应表现为破碎零散状分布，仰拱右侧约1 m，左侧约有1.5 m。

2)中间部分岩体较为破碎，在该范围内存在小范围空洞，空洞大小约为3×2.5左右(注意:并非空洞大小是3×2.5)，深度自拱顶表面1 m开始，约3 m～4 m结束，且空洞呈破碎零散状分布。

由于现场地质条件影响，以及操作仪器时产生的误差，且场地内干扰因素很多，尤其是拱腰测线上下附近均存在如照明线等干扰，使检测结果受到干扰，给解释工作带来很大的困难，同时也会给资料解释带来相应的误差，利用地质雷达检测隧道衬砌质量关键在于图像的解释，应当尽量消除干扰，并根据雷达探测结果，辅以相应的地质资料，做出相应的施工处理。

［1］李晋平，邵丕彦，谷 牧.地质雷达在铁路隧道工程质量检测中的应用［J］.中国铁道科学，2006，27(2)：56-59.

［2］郭 亮，李俊才，张志铖，等.地质雷达探测偏压隧道围岩松动圈的研究与应用［J］.岩石力学与工程学报，2011，30(S1)：3009-3015.

［3］刘孝明，何富勇，申玉生，等.地质雷达在双连拱隧道初次衬砌中的质量检测与分析［J］.公路交通技术，2005，50(4)：147-150.

［4］王振宇，程围峰，刘 越，等.基于掌子面编录和地质雷达的综合超前预报技术［J］.岩石力学与工程学报，2010，29(S2)：3549-3557.

［5］许有俊，陶连金，孙玉辉，等.地质雷达在公路隧道衬砌质量检测中的应用［J］.公路交通科技(应用技术版)，2009，60(12)：150-152.

［6］张正国.探地雷达新技术在隧道病害无损检测中的应用［J］.成都大学学报(自然科学版)，2003，22(4)：6-10.