試述地質雷達在引水隧道質量檢測中的應用

孟慶生，邱浩浩

(貴州省質安交通工程監控檢測中心有限責任公司)

1 地質雷達的作用機制與方法

1.1 地質雷法作用機制

利用發射機的發射天線將n ～n×106MHz 的短脈沖、高頻率、寬頻帶和寬脈沖的電磁波發射到地下，如果高頻電磁波遭遇不同介電常數的相應界面，那么就會引發反射回波，最后依照接收天線獲取到的反射回波結構與時間對反射體性質進行綜合判定，以確定頂面與反射界面的間距。在實際檢測過程中，雷達天線隨著測線自左向右挪動，通過發射天線把雷達電磁波全部發射出來，由接收天線獲取雷達回波，再根據順序布置和展開雷達回波，以便全方位體現出反射界面位置與地下探測目標體。

只有在探測對象和四周介質有顯著電性差異的前提下，才能運用地質雷達技術展開探測工作，注意雷達波處于介質時的傳播速度V 和介質電磁性參數之間存在著近似關系，由公式表示為，公式中V 表示處于介質時的電磁波速度;c 表示處于真空時的光速，m/ns;εr表示與介質相對應的介電常數;μr表示介質的相應導磁率。

1.2 某引水隧道工程的概況

本文以某引水隧道工程為實際案例，并對其實施襯砌檢測，具體檢測時間為2012年6月～2012年8月。在隧道襯砌過程中，其拱頂襯砌的厚度應設計為0.45 m，而圍巖則要達到Ⅳ級。展開探測工作時，應合理選用來自美國、型號為SIR－3000 的地質雷達，運用400 MHz 天線頻率，確定512個采樣點數，應用連續采樣手段，400 MHz 天線測程80 ns 與900 MHz 天線測程30 ns 均表示為時間窗口。

1.3 工程測線安設

首先，應用地質雷達技術對隧道混凝土的襯砌質量進行檢測，接著對混凝土與巖體之間的實際接觸狀況進行檢測，最后把頂拱、左拱角和右拱角有效結合起來，依據隧道條件、測試方位與探測目的展開全面測量工作。一般情況下，檢測會通過隧道頂拱中心、左拱角與右拱角順著洞軸線方向做測線的安設，共安設測線3 條;而邊墻雷達檢測的測線則要分別安設在左邊墻與右邊墻。檢測襯砌混凝土質量與脫空狀況時，若發現洞段存在異常現象，那么就要應用900 MHz 地質雷達天線做反復觀測工作。

2 處理與解釋地質雷達檢測資料

2.1 處理地質雷達檢測資料

實施地質雷達探測時，由于要不斷獲取發射波特性，所以要采用寬頻帶做好各項記錄工作，這樣不僅能夠得到許多有效波，還可以將干擾噪聲詳細記錄下來。隧道混凝土與圍巖會直接影響到接受天線的相應電磁脈沖，致使其波形無法與原始反射波形態相吻合，因而在處理地質雷達檢測數據前，一定要真正做到反復核對、詳細記錄與認真篩選等工作。利用反褶積、數據傳輸、圖像增強、數字濾波和數據預處理等多種處理手段來完全消除雷達數據中存在的干擾噪聲，并加以解釋，這樣不但可以增強數據信噪，還可以將異常凸顯出來，實現后期數據處理。經上述處理后，嚴密觀察與識別雷達圖像的主要特性，包括反射波初始相位、能量強度與反射波波形等，以達到判斷和篩選異常的目的。

利用地質雷達對地下物質的電性特點進行記錄，并把記錄所得信息轉變成形體分布，只有這樣才能得到探測目標的完整資料。針對這一情況，將地質雷達資料、地質資料和異常體形態資料有效結合在一起，再利用已知異常部位比較雷達圖像和開孔取樣資料，最后根據實際情況制定性質各不相同的地層反射波組特性資料庫，以便獲取探測目標的所有資料，為日后分析與解釋其他部位的測線雷達資料提供強有力參考依據。

2.2 解釋地質雷達檢測資料

按照隧道混凝土反映在雷達圖像上的特性，將混凝土膠結質量合理劃分成以下幾個等級:(1)高密實度。混凝土膠結良好、材質與振搗均勻為混凝土高密實度，其反映在雷達上的圖像是電磁波能量具有較強的規律性，衰減速度緩慢，波形幅度不高，電磁波反射能量呈均勻分布狀態，且同相軸的連續性十分良好，圖像穩定而清晰(見圖1)。(2)密實度不足。混凝土膠結密實度與振搗均勻度欠缺，對比處于剖面兩邊的混凝土，發現其密實度不高，而混凝土表現為膠結正常，這些均為混凝土密實度不足的表現。混凝土密實度不足反映在雷達上的圖像是電磁波能量的衰減速度較慢，波形幅度不高，電磁波反射能量大多呈均勻分布狀態，同相軸的連續性基本達標，圖像的穩定性與清晰度不足(見圖2)。(3)無密實度。混凝土某些膠結部位不密實，局部有蜂窩情況，加上沒有振搗均勻，最終導致混凝土無密實度。混凝土無密實度反映在雷達上的圖像是電磁波能量的衰減速度逐步加快，波形幅度大，電磁波反射能量呈不均勻分布，且部分同相軸缺乏連續性，圖像既不穩定又不清晰(見圖3)。

圖1 高密實度

圖2 密實度不足

圖3 無密實度

按照隧道混凝土反映在雷達檢測資料上的特性，可將混凝土和圍巖之間的接觸情況劃分成以下幾種類型:(1)密實。隧道混凝土和圍巖呈密實接觸關系，其反映在雷達上的圖像是電磁波同相軸具有較強的連續性，且反射能量不強，說明這段混凝土和圍巖之間的膠結十分密實。(2)不密實。隧道混凝土和圍巖呈不密實接觸關系，其反映在雷達上的圖像是電磁波同相軸沒有連續性，且反射能量也沒有均勻分布，說明這段混凝土和圍巖之間的膠結沒有密實度。(3)脫空。隧道混凝土和圍巖呈脫空接觸關系，其反映在雷達上的圖像是電磁波的同相軸大多連續，但寬幅反射具有較強的規律性，說明這段混凝土和圍巖之間的膠結已脫空。

3 小 結

從地質雷達檢測理念與實際檢測結果可以看出，地質雷達技術不僅可以檢測出隧道混凝土膠結的實際密實度，還可以檢測出隧道混凝土和圍巖之間存在的接觸關系。應用地質雷達系統對工程質量進行檢測，除了可以準確判斷出引水隧洞的襯砌厚度與空洞外，還可以更改參數來反復檢測同一部位，以確保檢測資料的真實性、可靠性與準確性。

由本研究可知，應用地質雷達技術對隧道襯砌質量進行檢測，具有操作簡便、實用性強和安全性高等優點，促使經濟效益與社會效益實現最大化，這對于引水隧道工程的健康、持久、穩定發展來說具有著至關重要的作用。

［1］劉亞川，曾祥福.地質雷達(SIR－20)在溫福鐵路隧道工程檢測中的應用［J］.鐵道勘察，2009，(5):85－87.

［2］趙志紅.地質雷達法在塑性混凝土墻質量檢測中的應用［J］.山西水利，2010，(10):43－44.

［3］高利軍，周興政.地質雷達在長河壩水電站導流洞中的應用［J］.東北水利水電，2011，(4):25－28.

［4］鞏守洛.地質雷達在隧道拱架后空腔探測中的應用［J］.科技資訊，2011，(24):93－94.