地质雷达检测在隧道工程中的应用

王菲

山东魁元工程质量检测有限公司 山东济南 250031

二十世纪以来，我国铁路行业的快速发展，随着铁路网路越来越发达，铁路隧道存在的质量风险也越来越高，我们需要及时地发现并处理。在西南地区桥隧比较高，隧道也成为高速铁路建设中最重要的一环，但目前，由于设计、施工工艺、地质条件等因素，国内在建或已建成的铁路隧道都存在不同种类的质量缺陷，如衬砌、仰拱的空洞、厚度不足、不密实等[1]。

1 地质雷达法

地质雷达是一种广泛运用于实际生产中的地质测量技术，它通过发射不同频率的电磁波并接收其反射回波，通过对反射回波的时间和信号的强弱来推测地下地质体的分布及变化情况。当发出的高频电磁波在介质中传播，遇到具有电性差异的介质交界面或地质异常体时，电磁波发生折射和反射，通过接收反射信号到达雷达天线的时间和信号强弱以及专业的数据处理与分析后，推测地下介质或不良地质体的分布与变化情况。在隧道短距离超前地质预报中，地质雷达具有体积小、集成度高、操作方便、测量时间短、预报准确度高等优点，它对山岭隧道施工中遇到的溶洞、构造破碎带、节理密集带、软弱夹层以及岩层地下水发育情况等地质问题都具有良好的预报作用。雷达反射波一般以脉冲波形形式记录，由于介质的不均匀性及介质的介电常数差异，电磁波在介质中传播时能量会出现不同程度的衰减和受其他信号干扰，造成反射波形与原始发射波形有明显的差异，影响实测数据。为了提高分析结果的准确性，需适当处理原始数据，压制干扰信号，改善其信噪比，进而获得可以真实反映隧道前方实际地质情况的雷达图像[2]。

2 检测工作

测线布置：在铁路隧道衬砌地质雷达检测中一般布置5条测线，分别为拱顶、左右拱腰、左边边墙。检测设备：美国劳雷公司生产的SIR-4000型便携式地质雷达及900MHz、400MHz、200MHz、100MHz屏蔽天线。数据分析：采用地质雷达专用分析软件：RADAN软件，通过导入数据，距离归一化，零点去除，数字滤波，里程桩号输入，介电常数分析，偏移，目标体识别等步骤，综合分析，判断出质量缺陷。

3 具体应用

本文研究对象为在建双向四车道高速公路，隧道为分离式隧道，设计行车时速为80公里，左幅隧道起终点桩号为ZK23+759-ZK28+225，长度为4466m，最大埋深约451m，右幅隧道起终点桩号为YK23+760-YK28+275，长度4515m，最大埋深455m。隧址区上覆第四系土层（Qel+dl）分布零星，厚度不大，有碎屑地段的粉质黏土以及可溶岩地段的黏土。

3.1 地质雷达在隧道衬砌的厚度方面探测分析

地质雷达对衬砌厚度的识别是通过电磁波在传播过程中，由一种介质进入到另一种介质时，介质的介电常数发生变化才能接收到反射信号。反射信号的强度主要取决于上下介质的介电常数差值，介电常数差值越大，反射信号越强；介电常数无差异，则不发生反射。

3.2 雷达数据处理与解释成图

地质雷达数据处理包括预处理（标记和桩号校正等）和后处理分析，其目的在于压制规则和随机干扰，以尽可能高的分辨率在探地雷达图像剖面上显示反射波，突出有用的异常信息（包括电磁波速度，振幅和波形等）来帮助解释。从地质雷达数据处理的原理中我们可以将地质雷达的数据处理分为以下几步：①预处理；②振幅恢复；③去噪；④反褶积；⑤偏移成像；⑥复信号分析等步骤。在检测过程中由于现场条件的影响，仪器接收到的信号会受到周围环境的干扰。本次检测受到的干扰主要有地质雷达测线附近地面存在孤立的物体，如路灯金属杆、架空电线、注浆机械设备（如钻机、电缆、挖掘机等）；在检测过程中车流十分密集的干扰等。初始剖面由于干扰因素较强，不能精确判断出细小的管道等地下隐伏物体，因此，必须对采集到的数据资料进行分析处理之后才能对道路实际情况做出分析判断。

3.3 探测成果

该次预报雷达探测深度为30m（YK24+922-YK24+952），从雷达成果图中得出：掌子面前方0-8m及8-30m左侧前方雷达波以中频反射信号为主，局部为中高频信号，同相轴较为连续，振幅一般。推测对应区段围岩完整性较差，节理裂隙发育，岩体破碎，溶蚀稍发育。掌子面右侧前方8-30m雷达波以中低频反射信号为主，反射波形较杂乱，整体振幅较高且多次震荡，能量团分布均匀性较差，同相轴出现异常且局部呈弧形发展。推测对应区段围岩破碎，溶蚀发育，存在与隧道轴线方向近一致的充填式溶洞[3]。

4 结语

应用地质雷达进行隧道质量检测，应根据需要检测目标体的特性，检测的深度，设计参数，选择适宜频率的屏蔽天线，设置适宜的时窗、扫描速度，现场检测时注意天线与被测物贴合度，已提高检测质量，避免误判漏判。在衬砌厚度判读前，需对衬砌介电常数进行准确标定，找准雷达图谱分中衬砌分界面，已提高厚度判读精度。应用地质雷达对铁路隧道进行雷达检测，通过检测、数据处理、图谱识别能较好地识别出衬砌空洞，衬砌厚度不足、衬砌不密实等影响隧道运营安全的质量缺陷。