探地雷达检测引水隧洞灌浆密实度可行性分析

杨 珍，程 琛，张俊杰，姜 升，魏明强

（西北民族大学，甘肃 兰州 730000）

1 概述

随着中国工农业的快速经济发展，用水量急剧增加，部分国家和地区水资源日益匾乏；水资源不足严重制约经济社会发展，故水资源匾乏问题亟待解决。面对水资源在分布上所存在的现状，我国综合考虑各种因素进行水资源优化配置，通过修建各种跨地域跨流域调水工程来解决水资源的区域性分布严重约束我国社会的发展问题。其中引水隧洞是引水工程的咽喉，也是引水线的重要组成部分。

待引水隧洞开挖完成，需进行衬砌支护，用料为混凝土，做法为混凝土支护及回填灌浆，待灌浆凝结之后，被裂隙切割的岩石，已经胶结，可提高围岩的整体性及其强度。但是由于灌浆施工是地下隐蔽工程，导致灌浆密实度的监测和控制一直是未解决的工程难题。目前，国内的监测主要是通过在灌浆时的人工观测，当灌浆时排气孔有浆流出来时即认为灌浆压力达到要求，灌浆密实；但被灌底层地质条件复杂、灌浆设备结构形式不一等因素的影响极易造成灌浆压力的变化，且人工控制存在盲目性和滞后性，造成灌浆压力不准确，产生工程质量问题。因此，对灌浆质量有效的检测成为当下灌浆领域急需解决的问题。

探地雷达是一种新型的无损检测设备，具有分辨率高、精度高、速度快、连续性好、携带方便等特点。它在工程上得到了迅速的推广，它在工程上得到了迅速的推广，现在，一个相对完整的测试系统已经形成，在理论上符合引水隧道灌浆密实度检测的要求。

2 探地雷达工作原理

2.1 探地雷达工作原理

探地雷达的原理是高频信号脉冲通过电磁波的反射技术原理。地质雷达分为两部分，分别是发射天线和接收装置。发射天线向介质中发射高频率的电磁波，电磁波的一部分在介质中折射，另一部分在介质中反射。接收控制装置进行接收反射的电磁波。电磁波在介质中传播时，遇到有电差的界面设计就会产生反射。所接收到的电磁波的波形，振幅强度和时间可以推断出目标体的空间位置，结构的形态。电磁波的脉冲走时（如图1所示）：

图1 地质雷达反射探测示意图

其中：x为固定长度，已知，单位：m；v为电磁波在介质中的传播速度m/ns可以利用现成的数据或者自行测定;z作为目标物体埋深的深度：单位：m。

在介质中探地雷达在探测速度如下：

其中：ε是介质的介电常数，c电磁波在空气中的传播速度。

常见的介电常数见表1。

表1 常见介电常数

电磁波的电场强度可以随着单位距离的衰减规律进行如下式：

βr为介质的吸收系数，它与介质的电性和频率有关，根据计算也可以写成：

趋服深度：

在发射的电磁波中，当能量一定时，探地雷达接收信号的能量强度也与目标物的形状、天线的增益等参量，相关探地雷达方程式如下:

Pr为接收功率，Pt为发射功率，Gt为发射天线增益，Gr为接收天线增益，λ0为发射波长，S为目标的雷达截面积，R为雷达与目标的距离，L01、L10分别表示发射天与地面的耦合系数和接收天线与地面的耦合系数，Ls表示整个过程中由于介质产生的损耗、α则表示地层的衰减因子。

3 探地雷达检测方式

3.1 剖面法

剖面法是探地雷达最常用的观测方法，可以提供需要快速测量结果的场合。?发射天线和接收天线按一定的测量距离点沿具有相同天线间距的测量区段移动，采集数据，得到整个测量区段的雷达记录。当发射和接收天线之间的距离是零，它被称为单天线形式；当发射天线和接收天线技术之间有一定的距离时，称为双天线设计形式。

3.2 宽角法

宽角法可以求出地下介质的雷达波的传播速度。当接收（发射）天线可以在地上某点不动，发射（接收）天线按等间隔沿测线移动并采集信息数据，这种方法称为宽角法。如图2所示。

图2 宽角法（共中心点法）观测方式

3.3 多次覆盖法

由于电磁波容易受介质的影响，可以在接收（发射）位置不断改变天线距，多次测量，进行全方面的覆盖，得到准确的数据。

4 探地雷达较以往检测技术的优势

4.1 探地雷达的主要技术特点

1）探地雷达是一种无损检测技术，可以安全地应用于各种工程项目中，对工作现场的观测条件也有宽松的要求[2]；

2）抗电磁干扰，可以在各种噪声环境下工作，较少受环境干扰;

3）高分辨率、高效率，多数探测深度均能满足工作要求，可现场提供雷达图像；

4）数据采集、记录、存储和处理均能由微机控制，方便携带和操作。

4.2 探地雷达主要优势

相对于土木工程中常用的超声法、回弹法、取芯法等无损或微损检测技术，雷达法具有以下独特的技术优势[4]：

使用不同频率的天线，可以实现不同的深度范围从几厘米到十几平方米，完全满足引水隧道灌浆深度要求；

通过改变天线的中心频率和频带宽度，可以检测出不同的分辨率；探地雷达能进行非接触式扫描检测，不仅检测速度快，而且大面积快速连续；能穿透介质缝隙检测内部质量，能检测装饰层的结构或构件；能检测内部钢筋等金属的分布物体，以及介质中的空腔、裂纹、水等非金属物体的差异；

雷达检测结果可以是二维切片图像信息或3D立体显示，检测研究结果直观清晰。

4.3 雷达探测的典型图像

通过查阅资料，得到一系列探地雷达典型波形特征[4]：

当混凝土达到密实时，其中的信号幅值较弱，甚至没有界面反射信号；

当混凝土不密实时，界面有与绕射弧相轴相同的强反射信号，反射信号不连续且分散；

在腔体情况下，界面反射信号强，振动相位明显，下部仍有强反射界面信号，两组信号时差较大；

探测到的钢筋是会在进行图像中呈现出一个连续的小双曲线强反射控制信号，在雷达图像上反映出其特有的月牙形态。

拱顶探测图像：隧道拱顶与岩层分界面应按规范设置最小安全距离，但事实上隧道拱顶会随时间增长而呈现下沉的趋势，出现起伏（如图3所示），且容易出现空洞现象。

图3 拱顶起伏图

雷达检测空洞现象：空洞的存在大大增加施工难度，其形成原因复杂、类型不一，有实体空洞、虚体空洞、虚实混合空洞；容易诱发工程事故，造成安全隐患；所以雷达监测并判断出空洞显得尤为重要，如图4所示。

图4 围岩裂隙探测图像

根据对溶洞及地下水的雷达探测图像，部分隧道穿越石灰岩等易侵蚀岩石，围岩中存在溶洞，存在安全隐患。地下水常沿岩体的节理裂隙向隧道涌去。水对雷达波有很强的反射，具有很强的反射特性。

5 探地雷达隧道地质超前预报

为了保证隧道施工中人员的安全与施工的效率，探索施工环境的工作会从施工开始一直到结束。当地质雷达发射机发射出的超高频电磁波信号传递到目标体中，电磁波在遇到破碎、洞穴、水等介质会发生反射回来然后被接收天线接收。技术人员可以根据图像上所显示的电磁波波形、走势、频率等图像特征来推测所探测目标物体的结构、存在形态。地质雷达在本实验中主要用于测定目标体是否有空洞、灌浆密实程度、目标体是否充水等缺陷情况。下面将对各类缺陷情况逐一分析：

5.1 空洞识别

空气的相对介电常数ε=1，与脱空区介质的介电常数相差较大，造成雷达反射波同相轴不连续，反射波能量较强，回波振幅也比较明显，且波形呈现典型的双曲线形态，根据雷达剖面图的相关特征，即可大致确定空洞的位置及大小，如图5所示。

图5 空洞异常雷达图像

5.2 灌浆密实程度分析

浆液质量，灌浆压力等因素都会对灌浆质量产生较大影响。当灌浆质量良好时，浆液会充分地与凹陷，裂缝接触，完美地融合到空隙中，成为密实，均匀的整体。这时，由于浆液的介电常数与被灌浆介质的差值相对于与空气，水的较小，雷达反射波会较小，图像相对平稳。反之，在各种不良操作与不良条件的影响下，被灌浆介质的缺陷未完全被消除，反射波会变得格外强烈，并且十分混乱。波形图变化较为明显。

6 探地雷达的应用

探地雷达由于其优秀的工作性能在工程、社会、生产等各个领域广泛应用。

在20世纪初，有关于将电磁波应用到对远距离金属物体探测的技术手段在德国便出现过，这在科学史上被认为是有关于雷达探测技术方面的最早期的应用。并且在这项技术手段出现的六年之后就有两位相关领域的教授以专利形式提出将这项技术手段用于地质探测。

自20世纪70年代以来，探地雷达已被大规模使用。工程领域方面对探地雷达的应用不仅仅局限于冰层、岩盐矿等弱好介质，更是扩展到了采石场、淡水地区、沙漠地区、煤矿井地区甚至是人造材料、混凝土钢筋、埋设物深度等方面的探测，涉及领域十分广泛到20世纪80年代末的时候，较为成熟的雷达探测技术出现在西方发达国家并被应用于公路探测和检测等工程领域。在我国技术人员刚开始接触地质雷达的时候普遍都先利用探地雷达检测有缺陷的混凝土试块，然后由此得出探地雷达的检测效果，而得到的结果也都令人称心，在此之后谈得雷达被我国工程技术人员大规模的应用到道路病害检测当中去。这标志着探地雷达在我国得到认可并被应用到工程领域的开端。

20世纪末，吉林省率先利用探地雷达对多段高速公路进行了检测，随后河北省也使用探地雷达对多段公路的厚度进行了检测。由此开始，探地雷达在我国基建工程中的应用越发广泛。在过去的十年中，随着信息时代的到来和科学技术，电子技术，信息技术，材料技术的发展和应用的发展，这不仅使得探地雷达本身的质量和性能得到加强，更为重要的是探地雷达的应用技术已经越来越成熟并被国内的技术人员接纳与使用，也说明了探地雷达在工程技术领域和各种方法检测研究领域被广泛应用，现场检测如图6所示。

图6 现场检测

在进行探测的时候。地质雷达上进行接收信息和采集数据的电磁波发射和接收装置会对地下不同种物质所发出的电磁波进行信息采集，并在采集软件上显示出所得到的图像，以便检测人员进行判断。

7 结论

1）探地雷达在工程、社会、生产等领域应用广泛，但对于引水隧洞灌浆密实度检测并没有达成共识。国内多数仍采取人工观测的方式，由于其盲目性和滞后性容易造成许多不可避免的误差，从而造成检测结果的不准确。因此，应尽快确定出一种可行、便捷、高准确率的检测方式以适应工程发展需求；

2）利用探地雷达进行引水隧洞灌浆密实度检测时，首先要收集好相关被检测隧道的基本资料以及隧道的设计参数，其要选择合适频率的天线并进行参数的设置；最后虽然探地雷达对现场要求较为宽松，但依然要在采集原始数据前做好现场准备工作，例如里程标记、检测车搭设与调试等，以确保采集原始数据的质量；

3）探地雷达能真实反映工程项目的空洞和缺陷，能快速地找出工程项目可能存在的安全质量隐患，而且其既具有分辨率高、准确率高的优点，还能在探测时做到快速、连续以及无损探测，满足检测引水隧洞灌浆密实度的需求，依照其二维切片图像和二维立体图像的反应可以看出，检测结果反映清晰直观，能明确反映质量隐患，可作为引水隧道灌浆密实度检测是重要手段。