探地雷達技術對隧道坍塌后處理效果的檢測應用

王大為

摘 要：以吉林省內某高速公路建設中坍塌地質災害為研究，詳細探討了應用探地雷達技術對隧道治理效果的檢測應用。通過后期的雷達軟件分析和數據處理，結合電磁波理論的基礎上，準確分析了塌方處理后的圖形圖像特征。工程實踐表明，雷達檢測技術不僅成熟地應用于公路路基路面檢測中，對于隧道等地質災害，完全可以為評價提供科學依據，這對于保證隱蔽工程質量、降低工程隱患具有極大的應用價值。

關鍵詞：探地雷達 隧道 檢測

中圖分類號：U456.3 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）02（c）-0001-02

Abstract：The construction of a highway in Jilin Province collapse of geological disasters in the research，discussed in detail the application of ground penetrating radar technology to detect treatment effect tunnel applications.By the latter part of the radar data processing and analysis software，combined with basic electromagnetic theory，an accurate analysis of the graphics features of the collapse process.Engineering practice shows that only mature radar detection technology used in highway embankment road test，for geological disasters tunnels，can provide a scientific basis for the evaluation，which has great value for the hidden works to ensure quality，reduce project risks.

Key Words：ground penetrating radar；tunnels；detection

我省高速公路的快速發展，目前集中于東部山區的工程量相對較大。由于地質地形條件較早些年相比更為復雜，設計中往往多采用隧道貫通的方式來解決工程問題。但由于在勘測過程中僅取其代表性結果，對具體施工中經常出現不可預計的地質變化和地質災害。以隧道為例，施工過程中的坍塌、涌水等地質災害屢見不鮮。對于這一類的工程問題，注漿回填即是一種較為常見的處理方法，但處理后的效果，塌腔內部是否滿足安全需求，能否快速檢測出處理效果和質量，成為當前面臨的又一問題。

本文以某隧道ZK248+780處坍塌地質災害的處治和檢測為例，通過應用探地雷達技術對注漿效果的檢測，詳細探討了該技術的檢測技術和應用前景，以期指導類似工程質量檢測問題。

1 工程背景

某隧道位于我省東部在建高速公路。該隧道噴射混凝土設計強度C25，設計厚度28 cm，內設兩層鋼筋網，網格尺寸20×20 cm，Φ8圓鋼。經現場咨詢了解，該隧道ZK248+782～ZK248+774拱頂部位發生小范圍坍塌。坍塌發生之后，為減少工程隱患、確保工程質量，施工單位采取注漿回填、加強支護等工程手段進行治理。初步分析為當地地質及地形條件異常復雜，圍巖疏松破碎，且富水膨脹，穩定性極差?，F場觀察后推測坍塌主要是由于初期支護地段圍巖受施工擾動，同時自身巖體自穩能力極差，再受節理裂隙水影響，層間粘結力降低，圍巖壓力增大導致。（坍塌現場見圖1、圖2）

坍塌整治之后，塌腔注漿是否飽滿，是否存在空洞，是否仍存在危害隧道安全的空洞或松散體將直接關系隧道的整體安全。為此，在建設單位、施工單位、監理單位、檢測單位的多方研究溝通下進行隧道局部拱頂位置探地雷達無損檢測，主要委托檢測內容為：隧道坍塌治理效果檢測（坍塌注漿處理后飽滿度情況）。

2 檢測原理及現場方案

探地雷達（GPR）技術，是一種電磁波檢測技術[1～2]，它利用地下介質對廣譜電磁波的不同頻率響應來確定目標介質的分布特征，GPR工作時，向目標體發射一個高頻電磁波的短脈沖，其中部分能量被地下具有電性差異的界面反射到地表，地表則使用一個接收器監測反射量與接收延時的比值。向地下發射能量到接收機接收到脈沖的地下延時，是電磁波在地下介質中的傳播速度和地下反射體深度的函數。概言之，高頻電磁波在介質中傳播時，其波速、路徑、電磁場強度與波形將隨所通過介質的電性質及幾何形態而變化所以，通過對時域波形的采集、處理和分析，可確定地下界面或地質體的空間位置及結構。從工作原理來看，GPR檢測要獲得有效的反射波，目標體與圍巖必須存在有電性差異（介電常數）的界面，界面兩側的電磁學性質差異越大，反射波越強。一般情況下，空氣的相對介電常數為1.0，混凝土為6～9，水為81，巖石大于10（與其含水量相關），鋼筋為良導體、全反射?？梢?，隧道整治效果檢測工程中，空洞與混凝土等介質之間存在明顯的介電常數的差異，這為GPR對隧道地質災害整治效果檢測提供了可靠的地球物理前提。

根據接收的GPR反射波[3]，從振幅上可以判定兩側介質的性質：電磁波從介電常數小的介質進入介電常數大的介質時，即從高速介質進入低速介質時，反射系數為負，反射振幅反向；反之，反射波振幅與入射波同相。因此，坍塌地質災害注漿處理后注漿密實時，雷達圖像上沒有特別明顯的反射信號（無多次波），甚至沒有界面反射信號，在該情況下注漿混凝土與圍巖結合狀態較好、無空隙，圍巖與注漿液接觸密實。如果注漿處理之后仍存在空洞，由于空氣與混凝土的介電常數差異較大，在GPR檢測圖像中表現為界面反射信號增強，在界面信號下方仍存在層界面信號或繞射信號。

根據檢測任務，隧道坍塌治理效果檢測采用美國GSSI公司生產的SIR-10H型探地雷達，結合現場坍塌實際情況，現場檢測配備中心頻率為400 M和900 M兩組高頻天線，其中主要以400 M天線對坍塌治理后是否存在脫空等治理效果進行檢測。

根據現場工作條件，結合任務要求，為檢測隧道注漿處理效果，在坍塌治理位置拱頂縱向檢測長度8 m（共4個剖面），連續采集，每2 m一個檢測剖面；橫向檢測設置10個檢測剖面，長度為以拱頂為中心，兩側各延長1米，縱向間距2 m。

3 探地雷達的檢測參數設置及結果解釋

根據現場實際情況，結合儀器性能參數、測線布設方向及檢測范圍，具體設置如下：采樣時窗：40～80 ns；迭加次數：128；中心頻率：400 M；測點點距0.05～0.1 m。

針對采集原始資料，在室內對數據進行了濾波、增益和反褶積處理與分析。內業處理共分兩階段，第一階段對記錄圖像進行回放，察視，確認標志層和異常，并確定詳細處理的有關參數和方法，第二階段運用相應RADAN軟件和計算軟件進行相關處理，必要時采用反射回波的變換技術，多次覆蓋疊加技術，增強雷達圖像。（如表1、圖3、圖4）

4 結論及建議

（1）本次檢測中，由于隧道惡劣的施工環境以及檢測處于高空作業，且拱頂剖面處平整性不佳，在一定程度上對雷達檢測結果的處理和判斷上帶來了干擾，為取得有實際意義的原始資料，檢測中盡可能慢，保證雷達天線與隧道壁垂直接觸進行采樣，并且每條測線隨時檢查，不理想時進行往返重復檢測。

（2）對雷達圖像處理中，盡可能多的利用工作經驗突出有效波，壓制干擾波，使雷達圖像易于分析判斷，同時針對目標體的不同，配置合理參數，必要時可現場調試，以達到最佳識別效果為目標。

（3）通過本次檢測，探地雷達完全作為實用檢測手段，快速、準確評價隧道處置效果，確保工程質量和施工。

（4）對雷達電磁波采集中提供出的更多如波幅、衰減等信息，現階段數據處理中還不能夠充分利用，在今后的工作中可更進一步研究，提高解釋水平和精度。

參考文獻

[1] 曾昭發，劉四新，王者江，等.探地雷達方法原理及應用[M].北京：科學出版社，2006：207-237.

ZENG Zhao-fa，LIU S-i xin，WANG Zhe- jiang，et al.Principle and applicat ion of GPR method[M].Beijing：Science Press，2006：210-237.

[2] 陳仲侯，王興泰，杜世漢.工程與環境物探教程[M].北京：地質出版社，1993：173-178.

CHEN Zhong-hou，WANG Xing-tai，DU Sh-i han.Tutorial on the engineer ing and envir onmental geophysics[M].Beijing：Geolog ical Publishing House， 1993：170-179.

[3] 李大心.探地雷達方法及應用[M].北京：地質出版社，1994：27-63.

LI Da-xin.Method and its application of GPR[M].Be-ijing：Geolog ical Publishing House，1994：28-53.

根據檢測任務，隧道坍塌治理效果檢測采用美國GSSI公司生產的SIR-10H型探地雷達，結合現場坍塌實際情況，現場檢測配備中心頻率為400 M和900 M兩組高頻天線，其中主要以400 M天線對坍塌治理后是否存在脫空等治理效果進行檢測。

根據現場工作條件，結合任務要求，為檢測隧道注漿處理效果，在坍塌治理位置拱頂縱向檢測長度8 m（共4個剖面），連續采集，每2 m一個檢測剖面；橫向檢測設置10個檢測剖面，長度為以拱頂為中心，兩側各延長1米，縱向間距2 m。

3 探地雷達的檢測參數設置及結果解釋

根據現場實際情況，結合儀器性能參數、測線布設方向及檢測范圍，具體設置如下：采樣時窗：40～80 ns；迭加次數：128；中心頻率：400 M；測點點距0.05～0.1 m。

針對采集原始資料，在室內對數據進行了濾波、增益和反褶積處理與分析。內業處理共分兩階段，第一階段對記錄圖像進行回放，察視，確認標志層和異常，并確定詳細處理的有關參數和方法，第二階段運用相應RADAN軟件和計算軟件進行相關處理，必要時采用反射回波的變換技術，多次覆蓋疊加技術，增強雷達圖像。（如表1、圖3、圖4）

4 結論及建議

（1）本次檢測中，由于隧道惡劣的施工環境以及檢測處于高空作業，且拱頂剖面處平整性不佳，在一定程度上對雷達檢測結果的處理和判斷上帶來了干擾，為取得有實際意義的原始資料，檢測中盡可能慢，保證雷達天線與隧道壁垂直接觸進行采樣，并且每條測線隨時檢查，不理想時進行往返重復檢測。

（2）對雷達圖像處理中，盡可能多的利用工作經驗突出有效波，壓制干擾波，使雷達圖像易于分析判斷，同時針對目標體的不同，配置合理參數，必要時可現場調試，以達到最佳識別效果為目標。

（3）通過本次檢測，探地雷達完全作為實用檢測手段，快速、準確評價隧道處置效果，確保工程質量和施工。

（4）對雷達電磁波采集中提供出的更多如波幅、衰減等信息，現階段數據處理中還不能夠充分利用，在今后的工作中可更進一步研究，提高解釋水平和精度。

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根據檢測任務，隧道坍塌治理效果檢測采用美國GSSI公司生產的SIR-10H型探地雷達，結合現場坍塌實際情況，現場檢測配備中心頻率為400 M和900 M兩組高頻天線，其中主要以400 M天線對坍塌治理后是否存在脫空等治理效果進行檢測。

根據現場工作條件，結合任務要求，為檢測隧道注漿處理效果，在坍塌治理位置拱頂縱向檢測長度8 m（共4個剖面），連續采集，每2 m一個檢測剖面；橫向檢測設置10個檢測剖面，長度為以拱頂為中心，兩側各延長1米，縱向間距2 m。

3 探地雷達的檢測參數設置及結果解釋

根據現場實際情況，結合儀器性能參數、測線布設方向及檢測范圍，具體設置如下：采樣時窗：40～80 ns；迭加次數：128；中心頻率：400 M；測點點距0.05～0.1 m。

針對采集原始資料，在室內對數據進行了濾波、增益和反褶積處理與分析。內業處理共分兩階段，第一階段對記錄圖像進行回放，察視，確認標志層和異常，并確定詳細處理的有關參數和方法，第二階段運用相應RADAN軟件和計算軟件進行相關處理，必要時采用反射回波的變換技術，多次覆蓋疊加技術，增強雷達圖像。（如表1、圖3、圖4）

4 結論及建議

（1）本次檢測中，由于隧道惡劣的施工環境以及檢測處于高空作業，且拱頂剖面處平整性不佳，在一定程度上對雷達檢測結果的處理和判斷上帶來了干擾，為取得有實際意義的原始資料，檢測中盡可能慢，保證雷達天線與隧道壁垂直接觸進行采樣，并且每條測線隨時檢查，不理想時進行往返重復檢測。

（2）對雷達圖像處理中，盡可能多的利用工作經驗突出有效波，壓制干擾波，使雷達圖像易于分析判斷，同時針對目標體的不同，配置合理參數，必要時可現場調試，以達到最佳識別效果為目標。

（3）通過本次檢測，探地雷達完全作為實用檢測手段，快速、準確評價隧道處置效果，確保工程質量和施工。

（4）對雷達電磁波采集中提供出的更多如波幅、衰減等信息，現階段數據處理中還不能夠充分利用，在今后的工作中可更進一步研究，提高解釋水平和精度。

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