地质雷达技术用于公路隧道结构检测

1、地质雷达技术用于公路隧道结构检测地质雷达技术用于公路隧道结构检测地质雷达技术在公路隧道工程中的应用实践地质雷达技术用于公路隧道结构检测王连成 涂耘 蒋树屏( 重庆交通科研设计院，重庆400067)摘要 通过实际工程应用，介绍了地质雷达的特点、原理和探测解析方法，其在隧道结构检测的应用证明了地质雷达的实用性、先进性及其实际应用中的重要作用。关键词地质雷达，检测，应用实践分类号文献标识码文章编号The Application of the Geological Radar Technology In Highway TunnelStructureWang liancheng 1， Wang Yin

2、gfu 2 Jiang Shuping1 ， Zhang yongxing2( 1 Communication research and design institute of Chongqing ,Chongqing 400067 China )( 2 Civil engineering Department of ChongqingUniversity,Chongqing 400045 China )Abstract By The Application Of The Geological Radar Technology In Highway Tunnel ， The character

3、istic, theory and detection interpretation of Geological Radar was introduced. It s used in geological forecast of in the structural detection of the finished tunnel. It s verified practicability, advanced andimportance. Key words geologic radar ， detection ，面、钢拱架分布情况、围岩密实完整稳定情况等。公路隧道工程数量、规模和埋深等在逐年增

4、大，施工过程中遇到的工程地质条件也愈加复杂。尽管在设计之前都作了一定程度的详细地质勘察，但隧道实际开挖施工中，有许多条件与勘察设计时的认识是大不相同的。仅以断层为例，实践结果表明勘察设计阶段地面测绘所查明的与围岩稳定性有关的大小断层一般不足隧道地下开挖实际揭露的一半，这说明勘察设计阶段地面地质勘察工作不易满足施工要求。这种情况下隧道施工过程中必然会出现预料不到的塌方、涌水和大变形、岩爆等事件，从而经常不得不停止掘进加以处理。由此说明应该对公路隧道施工过程中围岩的稳定性状况和掌子面前方的成灾情况及时地进行超前预报。隧道竣工后，或出现开裂、漏水、变形等病害后，根据现行公路隧道养护技术规范的要求和隧

5、道本身结构安全性评价的需要，不仅要进行隧道表面观测和净空断面测量，必要时还采用地质雷达进行深部的专项结构检测，如衬砌有效厚度、衬砌混凝土的均匀一致性与完整性、有无离析和蜂窝麻实践表明地质雷达技术能在隧道施工中作出详细的超前地质预报，在隧道工程检测中准确探测衬砌混凝土、初期支护及围岩状况。2 地质雷达发展应用现状随着时代的发展，用于岩土勘察的仪器和方法种类繁多，主要归纳为电磁波法和弹性波法，工程中较常使用的电磁波法为地质雷达，弹性波法为TSP （隧道地震探测仪）。TSP适合远距离较宏观的地质问题探测；而地质雷达方法利用高频电磁波（波长小，分辨率较高）进行较快速的无损伤探测，所以其较高频段还适合于

6、隧道结构检测。目前，地质雷达技术已发展到单点探测和连续探测实时自动成图，国外的探地雷达主要为单脉冲雷达（发射信号为高压窄脉冲），工作频率为50MHz2GHz以美国GSSI公司生产的SIR系列和加拿大A-CUBE公司的EKK酝列产品为代表。在工程实际应用中，由于地层对电磁波的衰减和仪器对地下目标的分辨率均随工作频率升高而增地质雷达技术在公路隧道工程中的应用实践加，所以不同频段适合不同探测要求（表1）。表 1 不同频段的应用范围频 段 甚目 标 衰减大的介质或者远距离目标实用范围详勘 普查勘探检测可以对隧道的掌子面前方、左右侧墙和顶底板方向探测。3.2.2 探测解释资料的解析依据波形特征判断目标性

7、质，还采用追踪回波在横向和纵向上的延续和变化，对应展现出地质构造在平面和剖面上的形态，尤其在地面进行大面积勘探时，小的孤立目标在平面上不易追踪，这时可采用横向衰减对比处理解释方法，寻找幅度突变点，即目标所在的位置。通过大量工程探测实践，行之有效的解释方法有灰度法、变面积法（wiggle） 、单点波形法、横向衰减对比法等。地下介质的雷达波传播速度的获取方法有已知钻孔探测法或已知目的层的探测法、CDP供中心点）法或直达波法、公式计算法或经验数据法。界面的性质、形状、尺寸和产状也直接影响到回波的幅值和形状。例如，在单波形或在 wiggle 方式下，相对于射入线处于一种理想产状的平整断层面（带 ）的波

8、形一般比较尖细，含水裂隙带或断层破碎带的波形稍宽一些；空洞或者溶洞的波形钝而宽缓，边缘往往不规则，在灰度图方式下，例如相对于介质中的波长较大的空洞，由于空气中的波速较快，相对于周围介质的旅行时间较短，其反射波的正负波上凸弯曲，近似于抛物线，顶端位于洞中心。无论上述哪种方式，物理性质相同的反射波会形成一套特征相似的波形组合。因 此，可根据波形特点、组合特征及其差别，必要时辅助以不同的处理方法来解释反射目标。（ 30300MHz）特高频微波段（0.33GHz）衰减小的介质（小、针对性的国产KDL系列地质雷达，针对地下工程的超前预报特点，采用的是脉冲调制式，既具 有较大的探测距离又兼顾有较高的分辨率

9、，工作频率在160220MHz探测距离能达到4060m能较好地适应超前地质预报和部分工程检测。3 地质雷达探测原理和方法3.1 地质雷达方程地质雷达作为一种电磁波探测技术，遵循几何光学原理。它是根据回波的单程旅行时间和电磁波在相应介质中的传播速度确定目标距离，并通过综合分析判断目标性质的。在介质中传播的电磁波，其路径与电磁场强度随所通过的介质的电性、几何形态及尺寸等不同而变化，因此所接收的反射回波的幅度、形状及在横向上的展布特征也随之变化。因而， 目标性质的判断，正是根据这一特点结合地质知识进行的。根据经典对空雷达方程1 导出的地质雷达方程PtG2Q）u - -4 a RPr=e3424 地质

10、雷达在隧道检测中的应用地质雷达作为一种高分辨率的非破坏性探测技术在隧道工程检测中具有广泛的用途。在隧道结构检测中能检测影响隧道稳定的有关参数。表 2 地质雷达在隧道工程检测中定量指标和定性指标Pr 接收机接收到的功率（VV ; Pt 发射机发射功率（W ; R 天线到目标的距 离（M）; G 天线增益（dB） ; Q目标截面积（m2 ; f 雷达中心工作频率（Hz）; y界面功率反射系数；a 介质的电场衰减系数（dB/m） ; u 介质的雷达波传播速度（m/s）。3.2地质雷达的探测和解析方法3.2.1 探测布置地质雷达的探测布置较灵活，按照实际情况布置测点、测线和网格。测点间距由勘察程度决定

11、。地质雷达技术在公路隧道工程中的应用实践注： *为定量指标，其它为定性指标或半定量指标随着大量隧道的不断建成，部分隧道已进入病害高发期和养护高峰期，如衬砌开裂、渗漏水、甚至掉块坍塌。为了有的放矢地进行整治，采用无损伤探测是非常必要的，地质雷达在工程检测中就能达到事半功倍的效果。实际隧道工程检测中采用美国 GSSI公司生产 的SIR-2000 （3000）型地质雷达。采用 工作频率为400MHz （900MHZ天线，该仪器分辨率高，较适合工程检测的要求。实际检测中一般布置五条测线（如图2） 1 拱顶测线，位于隧道横断面的拱顶中心；2 左拱腰测线；3 右拱腰测线；4 左边墙测线；5 右边墙测线。图

12、 2 隧道地质雷达检测纵测线布置图图 3 拱顶附近混凝土隧道检测结果及相关描述如下：图 4 边墙锚杆位置探测图 5 拱顶围岩空洞图 6 侧墙钢拱架分布图图 7 隧道路面损坏情况地质雷达技术在公路隧道工程中的应用实践图 8 施工缝探测图图 10 混凝土离析、蜂窝状带图 11 双层配筋位置探测图 12 衬砌裂缝通过工程实践证明：（ 1）应用地质雷达在地质超前预报中可以准确地探测预报隧道施工中的危害工程施工安全的相关地质灾害。（ 2）较高频段的地质雷达适合于进行公路隧道结构无损伤检测，其精度可以满足该要求，能探测隧道结构的衬砌厚度、混凝土离析、蜂窝状，其它结构的不完整等工程缺陷、钢拱架、钢筋网等。（ 3）地质雷达还能准确地探测到结构附近围岩空洞的位置和大小，填充的密实度等。（ 4）地质雷达能探测出隧道结构中的主要施工缺陷，为病害隧道的整治提供可靠的依据，能大大提高工作效率，节省费用。参考文献1