地质雷达在矿山隧道衬砌质量检测中的应用

蒋婵君，韦明新，王海燕

（桂林理工大学博文管理学院，广西 桂林 541004）

近年来，随着我国交通、水利、矿山工程建设等大型基础工程施工力度不断加大的情况下,矿山隧道施工活动也越来越多[1]。混凝土衬砌是矿山隧道的主要承载结构，也是其防水的重要工程，其施工质量的好坏对矿山隧道的长期稳定、使用功能的正常发挥具有很大的影响。矿山隧道混凝土衬砌常见的质量问题有：衬砌厚度不达标、塌方回填不密实、空洞未注浆处理、衬砌与围岩之间有脱空、金属架支撑数量不足等。

选用合适的矿山隧道质量检测方法找出安全隐患就显得非常重要，传统的破损检测弊端太多，不仅容易造成新的缺陷，而且很难对矿山隧道衬砌质量做出完整有效、广泛和快速的检测[2]。

而地质雷达是矿山隧道衬砌无损质量检测中发展最为速和效果最显著的方法之一。

地质雷达方法运用电磁波进行地表浅层探测，可以实时成像方便当场分析和判断探测深度，直观快捷的解释图形信息，拥有方便快捷、可重复检测、无损、准确率高、样点分布密、工作效率高等特点，使其在矿山隧道工程质量检测中可以广泛应用[3,4]。

1 地质雷达工作原理

地质雷达利用超高频电磁波探测地下介质分布，它的基本原理是：发射机通过发射天线发射超高频脉冲电磁波讯号，当讯号在岩层中遇到探测目标时，会产生一个反射讯号；反射讯号通过接收天线输入到接收机，放大后由示波器显示出来；根据接收到的反射讯号，可探测地下地层结构和埋藏的目标体，如图1所示。

图1 地质雷达原理图

（上图为电磁波遇到地下物体后的反射示意图，下图为地质雷达记录）

2 应用实例

2.1 工程概况

此次研究区域位于滇西南，受构造作用沿线山脉大体呈南北走向，地表沟谷纵横、地形起伏大，且断层分布密集。本次检测目的是探测初期支护和二次衬砌质量。

2.2 仪器

本次检测使用雷达为美国GSSI的SIR-4000型号雷达，因为检测深度在1m以内，故而选用400MHz中心频率的天线[5]。

2.3 确定衬砌混凝土中电磁波的波速

电磁波速是时深转换不可缺少的参数。因为矿山隧道衬砌的用料及施工情况不同，在衬砌中电磁波的传播速度会产生一定的变化，所以地质雷达检测矿山隧道衬砌质量时通常要在现场实测电磁波速[6]。

电磁波在衬砌中的速度可用理论公式(1)求出：

其中，c为空气中电磁波的传播速度，εr为衬砌的相对介电常数。相对介电常数εr可以查表或根据以往检测数据得到。

2.4 地质雷达探测结果

图2为矿山隧道衬砌贴合紧密的地质雷达记录，属于符合规范的施工。

图3为衬砌中金属支撑结构的地质雷达记录：每个双曲线代表一个支撑物，下图为两层支撑架的信号图，第二层金属支撑架的信号受第一层金属支撑架的信号的影响。

图4为金属支撑拱形架的地质雷达记录：与普通金属架不同的是，拱形架比普通金属架的半径粗，相隔的距离也比普通金属架要长，可以明显的区分普通金属架与拱形金属架的信号。

图2 矿山隧道衬砌密实

图3 衬砌中的金属支撑结构

图4 金属支撑拱形架

图5 金属支撑架缺失

图5为拱顶段金属支撑架缺失地质雷达记录：在192670处深度约0.2m处，由金属支撑架引起的双曲线信号之间相隔约80cm，而设计支撑架相距25cm，说明拱顶段此处金属支撑架的缺失。

图6为拱顶段二衬与初衬之间脱空的地质雷达记录：在193983～193987，深度约0.16m～045m处，出现了两个振幅较大的界面反射信号，可以判断该处是由于二衬与初衬之间未紧合而出现的两个分界面，属于存在比较大的缺陷。由于缺陷下方可模糊的看见由于缺陷存在而产生的多次反射波，在比较深的位置，空隙中不断反射的反射波能量被消耗的太多，看到的信号模糊。

图6 二衬与初衬之间脱空

图7 金属支撑架处脱空

图7为拱顶段金属支撑架处脱空的地质雷达记录：在192487～192490处深0.12m～0.4m处有明显的脱空信号，电磁波在由脱空产生的空隙穿过时能量大幅度衰减，导致该段在脱空处以后的信号都被影响，金属支撑架应反射的信号被干扰到模糊不清，可以判断该处为较大的缺陷。

图8为拱顶段衬砌欠厚的地质雷达记录：在193065～193070处，衬砌分界线均在0.30m以下，而衬砌设计厚度应在30cm以上，故推断此处衬砌欠厚，缺欠厚度0cm～13cm。

图8 衬砌欠厚信号

3 结论

地质雷达对矿山隧道衬砌的无损检测以测线成果图的形式直观地反映出矿山隧道喷层厚度、金属架支撑分布、衬砌密实、衬砌脱空、衬砌欠厚等不同情况，对矿山隧道衬砌质量监控起到了很好的作用，且具有无损、准确率高、样点分布密、工作效率高等特点，使其在矿山隧道工程质量检测中被广泛地应用。