探地雷达检测技术在隧道初期支护检测中的应用

连伟章

（甘肃省有色地质调查院，甘肃 兰州 730000）

1 探地雷达系统及工作原理

1.1 探地雷达系统介绍

目前，我国从国外进口的雷达有：美国 GSSI的 SIR系列、意大利 IDS的RIS-2K/MF、加拿大Sensors&软件的 EKKO、瑞典 MALA的 RAMAC/GPR等。文章着重对美国 GSSI公司研制的SIR-3000雷达进行了详细的分析和研究。SIR-3000型可携带式探地雷达主要包括3个部件：主机、控制显示部件、天线。主机主要由电源、软驱、复位开关、磁带机、SCSI连接器、连接板等组成。控制显示部分由显示器和功能控制按键构成，可对相关结果进行实时监控和计量。

1.2 探地雷达的工作原理

探地雷达法是利用地层中不同介质的介电常数差异这一物理原理来实现的。在探地雷达工作的时候，雷达发出并接受高频短脉冲电磁波（通常频率为10～2 500 MHz），然后通过雷达系统所收到的从被检测体内部介质所反射的电磁波的波形、振幅、频率、相位等物理特性，对被检测体的位置、埋藏深度、形状、结构、物质特性等做出初步的判断，然后再与有关被检测体的基础数据、文献等进行全面的分析与判断。通过接收到的波形、振幅等数据，反演该介质的结构，并通过双程旅行时间t，反演该介质的厚度（D=vt/2，这里v=c/，c是电磁波在真空中传播的0.3 m/ns，εr是相对介电常数）。在用探地雷达对隧道衬砌质量进行测量的过程中，将发射天线和接收天线紧密地贴在衬砌混凝土表面上，当发射天线沿着被探测物表面运动的时候，就可以得到混凝土内部介质剖面的图像。

2 隧道初期支护及检测特点

2.1 不同围岩条件下的初支设计

开挖隧道将使地层初始应力失去平衡，围岩应力释放，最终造成孔隙变形，变形过量将造成围岩松动，甚至有可能造成隧道塌方。在隧道中，通常采用钢筋或混凝土作为支撑物，以起到支撑物的作用，防止岩体变形。在隧道的初期支护中，最常用的就是锚杆、喷混、钢拱架、钢筋网等，铁路隧道中常用的支护结构，以双线铁路隧道250～350 km/h 为例，如表1所示。

表1 铁路隧道常见初支结构归总表

2.2 初支检测钢拱架尺寸的归总

预支检验包括喷射混凝土的厚度、钢拱架的间距、喷射混凝土与围岩的脱空等。由表1可知，对于围岩较好的Ⅱ、Ⅲ级围岩而言，在正常段喷混已经达到了承载力的要求，因此可以不设置钢拱架，钢拱架的设置基本是在Ⅲ级偏压及其以上围岩段，而在隧道的形式和围岩等级已经确定的情况下，喷混的厚度可以由设计来控制。

目前，一般采用3～4根钢筋的格构式截面，4根钢筋是比较普遍的。由于4号主筋架构中的钢筋均为统一规格，且抗弯与抗扭惯性均大于相同等质等高的3根主筋，所以常被应用与软岩、土质、砂质地层的双线隧道中。该技术主要用于铁路、公路等工程，其拱宽b=170 mm。3条主筋是一个正三角形的形状，它是由一个上部的两条钢筋和一个下部的一条钢筋构成的，上部的两条钢筋的截面面积的总和要尽可能的等于下部的总面积，一般在单线的隧道中使用，它的宽度为b=115 mm，其钢筋的直径不能小于22 mm。

型钢是一种钢拱，它的刚性、硬度、抗压性都很好，可以承受很大的围岩周应力，所以它可以用来做临时支护，也可以用来在混凝土中做永久衬砌。在支护结构易失稳、需立即受力的工程环境下，通常用于代替格网。然而，此类钢支护与喷浆混凝土的粘结较差，在喷浆过程中往往会出现空隙，使喷浆混凝土不能粘结，甚至产生裂缝，造成衬砌失稳。

3 初期支护钢拱架雷达图像

3.1 探地雷达探测技术的基本原理

探地雷达检测是一种电磁技术，它通过高频脉冲电磁波的反射来检测地下目标的分布及特性。地质雷达是利用电磁信号对地物进行探测的一种方法。按照电磁波原理，被检媒质的波阻η直接影响着电磁波的传输速率和传输效率，被检媒质的介电常数ε与被检体的波阻η存在着某种逻辑上的联系，也就是：η=1 /。波阻抗η和反射系数R之间的关系是这样的：

在不同介质中，反射系数R能直观地反映出介质的介电性差别。

3.2 钢拱架雷达图像

钢拱架信号的形成其实是一个全反射的过程，当电磁波传播到介电常数接近无穷大的钢筋表面时，必然会产生全反射，在地质雷达图像上产生的形状为抛物线式的特征信号，它呈现出一种月牙状，但是抛物线的顶点恰好在钢拱架的外表面。因围岩与喷射混凝土介电常数相差不大，难以确定其边界，导致初支喷混厚度难以掌握；同时，初支喷混表面起伏不平，难以贴合地质雷达天线，导致电磁辐射损耗大，数据采集质量下降，难以对其内部结构进行精确判定。隧道初支的施工顺序是：开挖完毕后，先喷厚4 cm左右的混凝土，再竖起拱架，喷初支混凝土，封闭拱架。研究结果表明，地质雷达资料获取对钢拱外表面具有较高的分辨率，即每个异常信号（抛物线型）的顶点，每个隧道的拱形尺寸都已确定。围岩等级的不同，只能使每个拱之间的间隔变小，从而使支护得到强化。

4 项目概况

西藏地区的一条隧道，是一条长1 115.5 m的双洞单向行车隧道，其所穿越的山地属于中、高山区。该地区的地形相对比较复杂，斜坡的倾角在30°～40°，斜坡也比较陡峭。海拔3 700～4 600 m。隧道入口处的盖土坡坡度较小，坡度25°～30°，主要由四叠统崩坡堆积而成，岩性以砂质黏土为主，表面植被较少。因浅表层以碎石土为主，容易发生水力冲刷和局部滑坡，边坡受到扰动后容易发生滑动，表面岩石较为破碎，出现零星的崩塌和掉块。在斜坡的斜坡上，有大量的岩石从斜坡上掉落下来，最大的岩石颗粒直径在1.5 m左右，因此，必须在入口处采取一定的保护措施。隧道出口处的地貌斜率在30°左右，以暴露的岩石为主，上覆以第四系薄层残留坡积层为主，岩石破碎度高，整体稳定。

5 检测原理

5.1 基本原理

在探地雷达的检测过程中，主体部分向外辐射出一种高频率的电磁波。电磁波通过地下媒质时，将被不同的电参数反射，根据其振幅、相位、频率等波动特性，可以有效地获取探测点的空间位置和几何信息。探地雷达反射波形表现为：①目标介质疏松、组分不均匀时，电磁散射，反射界面不连续，成像混乱，没有清晰的同相轴线。反之，反射波同相轴线是连续的。②在有空位的情况下，反射波形成的波宽度、幅度都会增大。③当靶体两边介质的介电常数相差较大时，所产生的反射力也较大；反之亦然，电磁波所反射的能量较小。④电波与被测物体的电阻率降低，其相对介电常数差增大，无线信号的衰落也随之增强，并且在同相轴上的振幅也随之增大；相反，在同相轴上的幅度很小。

5.2 前期准备工作

（1）在测试之前，必须到支护处进行测试，了解施工情况，并做好相应的工作记录。对隧道的宽度和高度、混凝土的龄期、隧道路面的清洁程度进行了详细的测量；确定在探测目标附近有无 EMI干扰源，会避免影响探地雷达；通过对车行横洞、人行横洞、钢索位置的调查，对隧底水浸段的调查，对衬砌表面湿润或有冷凝水滴的情况进行调查，并对病害发生的位置及种类进行调查。

（2）搜集隧道工程地质资料、施工计划、设计变更、施工记录，掌握隧道衬砌的设计与施工状况，弄清被测对象的深度、几何形状、电性等，便于选取合适的探查参数，确保在现场得到全面而有效的资料。

（3）在实地考察的基础上，结合已有的数据信息，选取适当的探测方法、数据采集方式、测线布局，并制定出一套科学的、切实可行的探测方案。

（4）在测试之前，要做好隧道内的里程标定，并要对设备进行彻底的检查，以防止现场测试时由于设备的原因而导致测试中断。

5.3 采集参数的设置

应用地质雷达技术进行巷道初期支护时，通常采用0.05～5 m的有效检测深度，以保证反射信号清晰、分辨率高。由于地处高海拔山区，其后方发育有浅层、薄夹层等复杂结构，其探测深度一般在10～50 cm。在野外试验中，选用900 MHz、400 MHz两种带屏蔽的中频天线，分别以自取样、连续取样等方式进行试验。为确保探地雷达具有足够的探测深度，并能有效采集到全部目标的回波信息，探地雷达数据中的双向传播时间，必须根据各层的最大探测量和平均传播速度来确定。该方法将单路传输时间设定在15～200 ms，采样点数为1 024。

5.4 介质参数的标定

测试前，在现场对原隧道支护结构进行校准，每个隧道至少校准一个位置，测试至少重复三次。这些平均值就是原有巷道支撑物的介质介电常数或者是等效电磁场波速度。在实际工程中，通常采用隧道洞口、行人或车辆通道等具有一定衬砌厚度，并且厚度不小于15 cm的区域进行相对介电常数的校正。在测地雷达校准点，经预处理后，其反射界面应清晰而精确。

5.5 测线布设

《公路工程质量检验评定标准》（JTG F80/1-2017）的有关规定，对隧道初支护体进行探地雷达检查时，探地雷达检查布线应遵循“以纵为主、以横为辅”主要的布局方式。在纵向上，一般设置5条测线，为拱顶、左拱腰、右拱腰、左墙、右墙各1条测线。测线的设置为：①隧道初始支护结构的侧向监测以点测为主；②在初支护体后方的孔隙探测之前，在巷道侧壁上，以5 m为间隔标注里程数；③在隧道拱顶、拱腰段的检测中，利用一台小吊车或在一辆货车上搭建一个工作平台，使其在被检测方向上以相同速度行驶。

5.6 检测成果解译

对于现场采集到的资料必须通过地面雷达后处理软件进行数据的处理，这些数据有：零点修正、方位漂移、横向滤波、纵向滤波等。矿山测绘的结果体现了隧道原有的支撑条件和围岩的电性分布。为了将这些信息转化成实际的地质分布，需要把勘察资料、隧道设计资料以及工程图等资料有机联系在一起，才能得到完整的隧道初始支撑及周围环境。首先，通过对所获得的地震资料进行影像处理，确定标志层与靶区，进而研究靶区的幅值、相位和频率特征，以达到靶区检测的目的。其次，运用专门的计算机程序，对地质雷达图像中的空洞和疏松情况，以及钢拱架布置位置及数量、基坑初始支护的厚度等情况进行识别和处理。

6 结果分析

6.1 数据采集

在探测过程中，要注意测量点的起点、方向及标记间隔，同时标记出可能影响地质雷达信号的物体（如渗水、铁架等）及其所在的方位。对雷达纵向测线进行连续、高精度的扫描，要求每秒40道以上的扫描速率。在此基础上，选取左拱腰、拱顶、右拱腰3个测线，利用TAR数据后处理与分析软件，获得隧道初始支护结构中3个测线的TAR数据。

6.2 测定结果

对隧道初期支护体的TAR剖面进行了分析，结果表明，在隧道的左腰、右腰和拱顶等部位，没有出现明显的脱空和压实度不高的质量问题。另外，由探地雷达剖面中的钢拱架位置标识可以看出，5 m范围内存在10根钢管，即双拱之间的真实距离为0.5 m，与设计间距是一致的，初步确定钢拱间距满足设计要求。根据检测，发现隧道左侧梁初期支护结构厚度平均值为29.18 cm、拱顶为29.32 cm、右拱腰为29.53 cm，都超过了原设计厚度26 cm。

7 结语

综上所述，探地雷达技术已成为一种有效的监测手段，能够为隧道施工质量的监控提供有力的保证。在对隧道施工工艺进行检验的基础上，还应结合当地的具体情况，运用探地雷达技术，确保隧道施工工艺的质量。