地質雷達法在洞室回填灌漿質量檢測中的應用

鄭思偉

(福建省建筑科學研究院 福建省綠色建筑技術重點實驗室 福建福州 350025)

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地質雷達法在洞室回填灌漿質量檢測中的應用

鄭思偉

(福建省建筑科學研究院 福建省綠色建筑技術重點實驗室 福建福州 350025)

地質雷達法具有高分辨率、準確定位、高效率、結果直觀、實時圖象顯示等優點，通過發射高頻寬脈沖電磁波，并在更深處的界面上產生反射,這樣即可得到測點上隨時間變化的反射波信號，通過數據分析得到目標體分布情況。工程實例表明，利用地質雷達法可以探測到洞室回填灌漿質量的密實、不密實和脫空情況，地質雷達技術檢測速度快、效率高，可適合于現場的大面積快速檢測。

地質雷達;襯砌;灌漿效果;檢測

0 引言

地質雷達是用頻率介于106Hz～109Hz的無線電波來確定地下介質分布的一種方法。由發射天線發射超高頻短脈沖電磁波以60°～90°的波束角向地下介質傳播，電磁波在電性分界面產生反射由接收天線接收，以此得到傳播規律來探測地下介質的分布。

隨著城市化進程，地質雷達作為近十余年來發展較快的物探方法，以其高分辨率、準確定位、高效率、結果直觀、實時圖象顯示等優點，受到工程技術人員的青睞。地質雷達法應用于基巖深度、含水量、軟土層厚度，斷裂構造等地質工程探查[1]，城市路面塌陷、巖溶塌陷、土洞、滑坡面等地質災害調查[2]，地下水污染帶檢測，市政道路路面、鐵路路基、機場跑道、洞室襯砌檢測，堤壩病害，地下泄露，地下管線、既有地基基礎檢測及考古探查等工程質量探測[3-6]。

1 地質雷達基本原理

地質雷達是以探測目標與周圍介質的介電常數電導率差異為基礎，如圖1所示，通過發射高頻寬脈沖電磁波，并在更深處的界面上產生反射,這樣即可得到測點上隨時間變化的反射波信號。該信號是發射、接收天線之間地下介質電性分布的平均影像。當發射天線和接收天線在地表沿一條測線掃描而過,可獲得測線上的一組電磁波信號,高頻電磁脈沖波對地下介質電性差異的反射影像特征即可再現地下介質的分布形態。

圖1 地質雷達探測示意圖

大多數小的目標異常體其電性參數與背景介質差別較大,在兩者的交界面處雷達電磁波將產生明顯的反射,波的運動學和動力學特征也有所不同,高分辨率、靈活的作業方式也為地質雷達探測提供了較為理想的前提條件，并根據接收到電磁波的振幅、波形、雙程旅行時以及頻率等運動學和動力學特征來確定和推斷地下介質結構、地層巖性特征的一種地球物理探測技術。波的雙程走時由反射脈沖相對于發射脈沖的延時而確定。雷達圖形常以脈沖反射波的波形形式記錄。波形的正負峰分別以黑色和白色表示，或以灰階或彩色表示。這樣，同相軸或等灰度、等色線，即可形象地表征出地下反射界面。在波形記錄上，各測點均以測線的鉛垂方向記錄波形，構成雷達剖面。同傳統的探空雷達不同，地質雷達是在地下有耗介質中傳播的，所以存在著高頻衰減[3]。雷達高頻脈沖地磁波在地下有耗介質中傳播過程中產生的衰減現象，一般認為是由于電導率、介電弛豫性質和磁弛豫性質等多種因素引起的。

2 地質雷達現場工作方法

地質雷達法現場工作，必須根據探測對象的狀況及所處的地質環境并選擇合適的測量參數，才能保證雷達記錄的質量。現場工作方法分為剖面法、多次覆蓋法和寬角法[7]。

剖面法如圖2所示，是發射天線(T)和接收天線(R)以固定間距沿測線同步移動的一種測量方式，當發射天線與接收天線間距為零，亦即發射天線與接收天線合二為一時稱為單天線形式，反之稱為雙天線形式。剖面法的測量結果可以用探地雷達時間剖面圖來表示。該圖像的橫坐標記錄了天線在地表的位置；縱坐標為反射波雙程定時，表示雷達脈沖從發射天線出發經地下界面反射回到接收天線所需的時間。這種記錄能準確反映測線下方地下各反射界面的形態。 多次覆蓋法如圖3所示，利用不同天線距的發射-接收天線在同一測線上進行里復測量，然后把測量記錄中相同位置的記錄進行疊加，這種記錄能增強對深部地下介質的分辨能力。

圖2 地質雷達剖面法示意圖

圖3 地質雷達多次覆蓋法示意圖

當一個天線固定在地面某一點上不動，而另一個天線沿測線移動，記錄地下各個不同界面反射波的雙程走時，這種測量方式稱為寬角法，這種測量方式的目的是求取地下介質的電磁波傳播速度。

3 地質雷達特征圖像

經處理的地質雷達資料，通過觀察反射波組的波形與強度特征及通過同相軸的追蹤，介面出現繞射波、多次反射波，同相軸呈弧形，并與相鄰道之間發生相位錯位，反射信號明顯增強。對常見的洞室回填灌漿質量地質雷達法檢測圖像進行歸納分為密實、不密實和脫空[8]。

曲線信號平穩沒有明顯的反射界面，則該處回填灌漿質量為密實,如圖4所示。

而襯砌中及襯砌與圍巖之間界面的強反射信號同相軸呈繞射弧形，且不連續、較分散，如圖5所示，則為不密實。

圖4 洞室回填灌漿質量密實地質雷達特征圖

圖5 洞室回填灌漿質量不密實地質雷達特征圖

對于襯砌與圍巖之間界面反射信號強，繞射現象明顯，在其下部仍有反射界面信號，兩組信號時差較大則判定為脫空，如圖6所示。

圖6 洞室回填灌漿脫空地質雷達特征圖

4 工程實例及結果分析

4.1 工程實例1

某水域建設調蓄水庫3座，截引點5處，截引支線總長17.55km；隧洞11條，總長約36km，單洞長0.54km～10.7km；壓力輸水管道11段，總長約38km；加壓泵站3座；工程等級為Ⅲ等中型工程。屬低中山地貌單元。總體地形為西高東低，北高南低。地震基本烈度為Ⅷ度，屬抗震不利地段。11條隧洞已基本全線貫通，正在進行襯砌工作，采用地質雷達法檢測洞室回填灌漿質量。

對3#洞進行地質雷達法檢測，測線布置如圖7所示，洞隧洞拱頂布置1條縱測線，沿隧洞軸線每隔100m布置1條橫測線，橫測線長度為拱頂120°范圍內，對發現異常的區域可進行加密檢測。

圖7 地質雷達法測線布置示意圖

對探測數據進行了整理、分析，發現有2處異常區域，具體異常分布情況如下：

如圖8樁號25+533.5～25+535.5處，襯砌與圍巖之間發現不密實異常。

圖8 樁號25+533.5～25+535.5地質雷達特征圖

樁號25+847～25+850.5處，異常信號顯示含水較大，推測襯砌與圍巖之間不密實，如圖9所示。

圖9 樁號25+847～25+850.地質雷達特征圖

4.2 工程實例2

某電站壩后量水堰經過化學灌漿和水泥灌漿施工后，訊后邊墻及頂拱混凝土滲水、裂縫較多，因此需要對中孔泄洪洞洞身及頂拱及邊墻進行檢測，采用地質雷達及面波法探査該部位混凝土襯砌質量(主要是脫空缺陷)及洞壁巖體可能存在的裂隙、裂縫、洞穴等地質問題。

測線分布如圖10所示，雷達法測線4條Z1、Z2、Z3、Z4，面波法測線2條Z1、Z3。

圖10 測線布置縱剖示意圖

測線Z1既有地質雷達法也有面波法，現以測線Z1為例，說明地質雷達應用效果。

地質雷達圖像特征如圖10所示，面波法檢測結果如圖11～圖12所示，在地質雷達特征反應脫空的情況，面波法也有相對應的低速異常區，二者情況吻合，由此判斷在Z1測線存在以下缺陷：

混凝土不密實及透水帶：16.0m～18.0m、深度1.0m～1.5m處；64.0m～77.0m、深度1.0m～1.5m處。混凝土襯砌背后脫空及圍巖灌漿不密實區：19.0m～34.0m、深度1.5m～2.5m處； 53.0m～82.0m、深度1.5m～2.5m處。

圖11 Z1測線地質雷達成果圖

圖12 Z1測線面波成果圖

5 結論

(1)利用地質雷達法檢測洞室回填灌漿質量檢測,可以探測到空洞、不密實體及脫空缺陷體，采用地質雷達探測方法有效可靠。

(2)地質雷達技術檢測速度快、效率高，可適合于現場的大面積快速檢測。

(3)可以利用其它檢測方法對比地質雷達檢測結果，加強后期施工過程質量控制和施工后質量檢測工作，保證施工質量。

[1] 王晉國,于曉明,徐春龍,等.應用探地雷達數據提取填土路基含水量的方法[J].西北大學學報:自然科學版,2010,40(1):61-65.

[2] 魯光銀,熊瑛,朱自強.公路隧道坍塌災害治理效果的GPR檢測技術[J].防災減災工程學報,2007,27(2):177-181.

[3] 鄧啟華.高速公路路基空洞地質雷達(GPR)探測方法研究[C]//全國地基基礎與地下工程技術交流會.2015.

[4] 潘紀順,梁慧云,姬計法,等.兩種基樁無損檢測方法的比較[J].地震研究,2001,24(4):370-374.

[5] 占文鋒,習鐵宏,王強.地質雷達探測技術在地基空洞探測中的應用[J].中國煤炭地質,2015(11):70-73.

[6] 張中坡,郝英健,竇智,等.地質雷達在鐵路路基病害治理中的探測應用[J].地質裝備,2015,16(2):31-33.

[7] 戴前偉,呂紹林,肖彬.地質雷達的應用條件探討[J].物探與化探,2000,24(2):157-160.

[8] 肖宏躍,雷宛,楊威.地質雷達特征圖像與典型地質現象的對應關系[J].煤田地質與勘探,2008,36(4):57-61.

The application of ground penetrating radar in the detection of backfill grouting effect

ZHENGSiwei

(Fujian Academy of Building Research, Fujian Key Laboratory of green building technology，Fuzhou 350025)

Ground penetrating radar has the advantages of high resolution, accurate positioning, high efficiency, intuitive, real-time image display.The high frequency pulse electromagnetic wave is transmitted and the reflection is generated on the interface in a deeper depth, so that the reflected wave signal with time variation can be obtained.The study showed that the geological radar method can detect underground backfill grouting effect of compaction, density and void, geological radar detection speed, high efficiency, suitable for rapid detection in the field of large area.

Ground penetrating radar; Lining; Grouting effect; Detection

鄭思偉(1990.5- )，男，助理工程師。

E-mail:469583413@qq.com

2017-03-27

P225.7

A

1004-6135(2017)08-0121-04