地质雷达检测隧道工程方法的研究

万方数据勘察科学技术2007年第6期地质雷达检测隧道工程方法的研究陶西贵李少红夏逸平(工程兵指挥学院江苏·徐州221004)提要阐述了应用地质雷达进行隧道工程检测的原理和方法，为提高地质雷达检测隧道工程的效果，分析了影响地质雷达检测的主要因素，提出了提高检测效果的方法和技术措施。结合工程实例，采用具体的检测方法和措施，取得了较好的检测效果，可为类似工程提高检测水平和相关研究提供参考。关键词地质雷达隧道工程检测方法StudyonMethod0fGPRinT咖elEn酉neeringDetectionrI钿XiguiUShaohongXiaYiping(C伽maIldInstituteofEngineeriIlgCop，PIA)AbstractThebasic研nciple锄d眦thodofGPRi6statedintunnelen百neerillgdetection．InoIdertoinl一pmVetheGPRdetectionefI&tint咖elen百ne丽ng，thep印eranalyzeslhemaininnuencialf砬to瑁0fdecec-tioneⅡ＆tapplyingGPR，andputsfoma耐thecon鹊pondingInethods帅dtechnicalme鹪ures．CorIlbined而tllpmjectex舢pl朗，thespecificdetectingmethods锄dme鸹uresarjeadop吲，舯d900de￡f＆tisob“ned．ItcouJdo珏Ier11eferencesforsimiIarengineering矾d陀latedresearch．KeywordsGPR；t岫nele嚼neering；de慨tion；method1前言检测中的有关技术问题，以便进一步提高检测水平。地质雷达法以其无损性、高效率、高分辨率等优点，正逐渐成为地下隐蔽工程调查的一种有力工具，现已广泛应用于工程地质勘察、建筑结构调查、无损检测、水文地质调查、生态环境等众多领域⋯。随着交通事业的发展，隧道的大量建设，隧道病害也屡见不鲜。应用地质雷达检测隧道衬砌，在铁路、公路部门中已经普遍展开。应用地质雷达进行隧道衬砌检测已有很多研究怛州。检测内容主要包括：隧道衬砌的厚度、隧道衬砌背后回填物的密实状态、隧道衬砌背后与围岩的脱空区域、围岩的状态及其地下水向隧道侵入的通路等方面。由于高频电磁波在介质中的高衰减性，使得该方法的应用受到一定的限制口】。地质雷达的检测效果不仅与地质雷达本身的技术，还与较多影响因素相关，因而使得实际工程中很多检测效果并没有达到预期的目的。因此，有必要分析影响应用地质雷达技术检测效果的主要因素，解决地质雷达在隧道作者简介：陶西贵(1977一)，男，硕士、助教，从事岩土力学与工程的教学与科研工作。收稿日期：加0r7—02—012地质雷达工作原理地质雷达是一种用于确定地下介质分布的光谱(1MHz～1GHz)电磁技术。电磁波在介质中传播时，其路径、电磁场强度与波形将随所通过介质的电磁性质及几何形态而变化旧J。因此，根据接收到波的反射时间(双程走时)、幅度与波形资料，可以推断介质的结构。地质雷达探测示意图如图l所示。图l地质雷达探测原理示意隧道衬砌存在缺陷时，由于缺陷与良好衬砌或外围介质间的介电常数的对比差异，使得雷达波产生异常反射。从几何形态看，地下异常体可概括为点状体(如孔洞、管线等)和面状体(如裂隙、层面等)两类。它们在雷达图像上有各自特征，其中点状体特征为双曲线反射弧，面状体反射呈线状反射。异 万方数据2007年第6期勘察科学技术27常区的特征则可通过反射波振幅来判断，位置可通过反射波走时确定，公式如下。．^=(秽2t2一z2，2)1，2(1)式中：^为异常体埋深；z为双程走时；菇为收发距；口=c／em为电磁波在介质中的传播速度；c为电磁波在空气中传播的速度；e为介电常数，可查有关参数或测定取得。常见媒质的物性差异见表1。表l主要媒质的物性差异当发射和接收天线沿检测物体表面逐点同步移动时，就能得到其内部介质剖面图像，从而达到检测衬砌质量的目的。3影响检测效果的因素3．1检测区间物理状态的影响由(1)式可知，探测目标物深度(如空洞、衬砌的厚度等)的判断精确度是由雷达波的波速设定来计算的。所谓标定的衬砌层内雷达波传播速度，实际上是衬砌层内各种原材料的综合因素影响的结果。就隧道的衬砌而言，混凝土的设计等级、搅拌和振捣的均匀性等都将影响到介电常数的取值。所以衬砌层物理状态的变化直接影响到雷达波的变化，物理状态的影响主要是含水量的变化和衬砌层材料变化的影响。如雷达波在水中的速度为O．33IIl／m，在混凝土中的速度约为O．12Ill／ns，可见在隧道检测中水对检测精度影响较大。3．2分辨率与探测深度矛盾的影响地质雷达的实际使用效果主要取决于其分辨率，分辨率决定了物探方法分辨最小异常介质的能力。探地雷达收发天线系统具有频率越低其探测深度越深，频率越高则对目标的分辨率越高的特点，且各种天线系统的探测深度随土壤情况的不同而不同。通常情况下，为保证雷达有足够的分辨率，须用高频天线，而使用高频天线又会引起探测深度降低，很大程度上影响了检测的效果。3．3现场环境的干扰现场环境对检测的干扰主要有：1)环境杂波干扰。隧道内金属构件等能产生反射信号的物体，使得记录的图谱多变且不容易分辨。如接触网的高压电缆线、通信信号线、架线作业车的金属平台等。2)检测面的平整度。雷达波在干燥空气中的速度为0．3IIl／ns，约为混凝土中的3倍，当检测面不平整时，地质雷达天线与检测面就不能紧密接触，其间就会存在空气，如果间隙相对较大时，被检测面显示界面异常，并形成多次反射信号与衬砌内部界面异常或是重叠或是交错出现，推断的衬砌层厚度就会大于实际厚度或有将干扰信号判为地下埋设物的可能。4提高检测效果的技术措施4．1详细了解检测区间物理状态隧道检测前，要详细地了解隧道的设计资料、施工记录和隧道内的各种设施情况，仔细观察隧道的运营状况，尤其是衬砌裂隙的渗漏水情况。4．2合理布置取芯位置检测前根据应对衬砌混凝土的介电常数和电磁波速做现场标定。影响检测精度的主要问题是标定的地质雷达的电磁波速度，需要合理布置用于标定雷达波速的取芯点位，对衬砌层在不同物理状态下的雷达波速进行分别统计，并分析雷达波速的变化规律，有效控制因雷达波速的误差带来的探测偏差。4．3根据检测需要选择天线根据需要选用不同频率的夭线，有针对性地寻求最佳探测深度与精度比。对隧道衬砌的不同部位的检测要求，从分辨率和探测深度综合衡量，依据雷达探测的精度和深度要求，选定不同的天线进行雷达探测。同时所有天线都可以采用连续采点和人工采点两种方式或综合运用。4．4抗干扰措施1)要做好现场的描述。描述现场重金属和无线发射源等强干扰物体的位置，如电缆线以及电灯等。检测过程中，当天线在移动中与衬砌表面距离发生变化时，衬砌与围岩之间的反射信号与表面反射信号同步变化，而隧道内各种物质的反射波是反向变化，形成明显反差，以此可以判断反射波是来自于隧道内或是衬砌内。2)注意区分多次反射信号。衬砌内部结构比较复杂，衬砌层的面层和内部结构层会形成多次反射信号，多次反射信号可能与内部结构界面形成的反射信号重叠或偏离，容易对结构界面的厚度误判。注意区分多次反射信号，是避免地质雷达资料判读 万方数据勘察科学技术20cr7年第6期偏差的重要环节。3)通过软件对采集到的数据进行处理。对于雷达检测数据处理，常用的处理方法为：背景去噪用以抑制随机干扰噪声，提高信噪比；自动增益或手动控制增益用来补偿介质吸收和抑制杂波；滤波处理和时频变换用来去除高频或突出目的体，以降低背景噪声和多次波的影响。布置见图2。图2检测横断面布置5工程应用实例5～现场检测工作一、．．1)现场检测要保证雷达天线密贴混凝土衬砌南京某隧道全长750m，南北引道总长为402m，隧道单跨宽度为11．6m，双跨宽度为23．18m，纵坡为3．5％。隧道中心最大覆盖层厚度为12．9m，最小覆盖层厚度为O．26m，覆盖层均为回填杂土，地下水丰富，水位较高，常年水位在1．0m左右。隧道为双向四车道，两个隧道之间是以柱式加纵梁为承重结构。隧道设计施工于1994年，现隧道常年渗水。为确保隧道能长期正常使用，需要对隧道衬砌质量进行一次较全面的检测。本次检测使用的地质雷达为瑞典GEoScIENcE公司生产的地面雷达系统(RAMAcPGPR)。雷达检测时，发射和接收天线与隧道衬砌表面密贴，沿测线滑动，由雷达仪主机高速发射雷达脉冲，进行快速连续采集。5．1检测参数标定与选择1)介质参数标定。采用在已知厚度部位或材料与隧道相同的其他预制件上测量标定的方法，然后结合实际厚度尺寸和雷达反射波的波时进行计算。2)天线及采样时窗的选择。针对本次隧道衬砌检测的具体情况，主要从分辨率和探测深度综合衡量，依据雷达探测的精度和深度要求，选定400MHz和1000Mm两种屏蔽天线进行雷达探测。采用400M比，重点在于检测衬砌回填情况及衬砌厚度，采样时窗选为20—40fls，采样深度控制在2m左右；采用1000MHz天线，主要检测衬砌厚度、裂隙及钢筋的分布情况，采样时窗宜选为20～25ns，采样深度控制在lIll以内。5．2检测测线布置为满足测试目的需要，雷达探测应覆盖隧道内部不同位置，而且要兼顾平台车的工作能力，其中隧道顶部正中有灯架无法进行探测，因此在隧道左右幅分别布置3条测线，对左l、右1和右2采用多频覆盖法用400M也和1000MHz屏蔽天线进行探测；左2、左3和右3采用400MHz屏蔽天线探测。测线表面行进，打码标记位置准确无误。2)现场要记录测线编号、方向、标记间隔以及天线类型等；随时记录现场干扰电磁波传播的物体(如电缆、铁架和避车洞等)及其位置。3)采用连续检测方式。5．4检测数据处理数据处理原则是提高信噪比，将异常突出的过程。数据资料的处理基本可分为两个阶段：首先将记录数据图像回放显示，对现场采集回来的数据进行预处理，即定标点的编辑、文件头参数设定及距离均一化，确定突出异常的相关处理参数和使用程序。其次用雷达专用软件进行正式处理，资料处理流程见图3。经处理后的雷达图象易于识别地质信息，可清晰地反映地质现象，从而提供更准确的解释结果。图3数据资料处理流程5．5地质解释地质雷达图像的地质解释方法有定量和定性两种。定量解释主要是依据地质雷达剖面图象和已知的地质、钻探资料对衬砌层厚度进行判定。定性解释主要是对混凝土内部空洞、裂缝、胶结质量等衬砌质量及其形态规模进行判断。 地质雷达检测隧道工程方法的研究作者：陶西贵，李少红，夏逸平，TaoXigui，LiShaohong，XiaYiping作者单位：工程兵指挥学院,江苏·徐州,221004刊名：勘察科学技术英文刊名：SITEINVESTIGATIONSCIENCEANDTECHNOLOGY年，卷(期)：2007，""(6)被引用次数：0次参考文献(7条)1.夏才初.潘国荣土木工程监测技术20012.李大心地质雷达方法与应用19943.郭有劲地质雷达在铁路隧道衬砌质量检测中的应用[期刊论文]-铁道工程学报2002(02)4.钟世航.王荣地质雷达检测隧道衬砌中的几个问题[期刊论文]-物探与化探2002(05)5.李二兵.谭跃虎.段建立地质雷达在隧道工程检测中的应用[期刊论文]-地下空间与工程学报2006(02)6.倪修勤.王云泉.王国群地质雷达方法检测隧道衬砌厚度研究[期刊论文]-现代交通技术2006(03)7.李红英.谭跃虎.俞新隧道改造工程中的防水技术[期刊论文]-中国建筑防水2005(03)相似文献(10条)1.会议论文柴太林.肖启航.程筑江地质雷达在隧道工程质量检测中的应用2008地质雷达(简称GPR)是利用超高频短脉冲电磁波探测介质分布的的一种地球物理勘探技术,近年来广泛应用于隧道工程质量检测方面。文章介绍了地质雷达技术的基本原理,并且以工程实例分析了地质雷达仪器在隧道工程质量检测中的应用情况,证实了地质雷达技术在工程检测中起到的良好作用。2.学位论文周治国隧道工程超前地质预报技术研究2004本论文对地质雷达法(groundpenetratingradar)、TSP(tunnelseismicprediction)方法及二者的隧道综合超前地质预报进行了研究，总结了适合地质雷达、TSP方法信号处理的时频分析方法，研究了小波变换与时频分析在超前地质预报信号处理中的应用规律。通过对比地质雷达信号各时频分布的实际效果，选用重排WV变换作为地质雷达时频分析手段。对比了各小波基函数的特点，选择了db2小波基作为地质雷达信号处理的小波基函数。设计了一系列模型试验模拟隧道超前地质预报中溶洞、溶洞充水充泥情况及隧道断层破碎带等不同地质界面处的电磁波传播特征，认为地质雷达方法较好的判断参数为电磁波速度和反射波振幅。而对于隧道超前地质预报的特殊情况，反射波振幅和频率特性是较合适的判断依据，从频率特性角度判断介质中是否含水或定位含水变化界面时，RSPWV时频分布和db2小波变换同为有效的分析工具。从试验研究和工程实例的分析得出：当电磁波穿过潜水面时，频率要显著降低。潜水面下的反射波组较潜水面上的反射波组信号的高频成分有较大的衰减。因而，电磁波的时频分析可以作为判断岩层是否含水的重要手段。论文还对在隧道前方岩石破碎带，地下水富集部位，溶洞和岩溶发育带等的地质雷达波的预报规律进行了总结。3.期刊论文李晋平.邵丕彦.谷牧.LIJin-ping.SHAOPi-yan.GUMu地质雷达在铁路隧道工程质量检测中的应用-中国铁道科学2006,27(2)针对铁路隧道施工中可能出现的质量问题,利用地质雷达技术进行隧道工程质量检测.岩土工程介质的电磁学特性决定了应用地质雷达的效果,介质的电磁学性质可用介电常数、磁导率和电导率3个参数来表征.地质雷达技术探测是一种利用广谱电磁波确定不同介质分布的探测方法.针对铁路隧道,给出地质雷达在无损检测应用中的工作方法,包括测线布置、采集参数设定、现场检测和后期资料处理解释.通过对现场数据处理分析,可以精确探测衬砌厚度,确定钢筋及格栅钢架的分布位置及数量,查明衬砌背后特别是拱顶存在的空洞和回填不密实区域.使用地质雷达对隧道混凝土衬砌结构进行检测,实践证明技术方法是切实可行的.4.期刊论文王金亮地质雷达在湘桂铁路隧道衬砌检测中的应用-长沙铁道学院学报（社会科学版）2010,11(2)地质雷达作为一种快速高效、高精度的无损检测技术,在隧道工程中的应用日益广泛.本文通过对湘桂铁路隧道衬砌质量地质雷达检测工作实例,介绍地质雷达技术在隧道工程质量控制中的应用.5.学位论文白哲地质雷达在隧道超前预报中的应用2006随着国民经济建设的飞速发展，新建隧道工程越来越多。在隧道开挖掘进过程中，提前发现隧道前方的地质变化，为施工提供较为准确的地质资料，及时调整施工工艺，减少和预防工程事故的发生非常重要。地质雷达因具有扫描速度快、操作简便、重量轻、分辨率高、屏蔽效果好、图像直观等优点在隧道超前预报中得到广泛的应用。本文从电磁波的波动方程和麦克斯韦方程入手，对雷达脉冲波在岩土介质中的传播与衰减规律进行分析，总结出不同不良地质体在雷达图像中的显现特征，并开发了隧道地质雷达探测后处理系统。本文有以下主要研究内容：1)系统总结了隧道超前地质预报方法中的各种探测手段，侧重于各种手段的适用范围及其探测方法，并突出地质雷达近几年来在工程实践中的地位。2)阐述了地质雷达进行地质探测的基本理论，包括地质雷达探测的数据采集技术、数据处理技术及数据解释技术等。3)从电磁波的基本理论入手，介绍电磁波的波动方程、偶极子天线的电磁场、电磁波的时间场与空间场，探讨高频电磁场下岩土介质的电特性。4)阐述雷达波的传播、反射、折射、透射与散射绕射等规律。通过对岩土介质的介电特性分析，分析雷达波在不同岩层中的传播与衰减规律。5)以王子石隧道为例，总结出围岩中溶洞、断层破碎带、富水带、裂隙密集带等不良地质体在地质雷达图像中的显现特征，以及雷达图像的处理与识别方法；根据不良地质体的分布与规模，对隧道围岩类别进行动态划分，并将探测结果与勘察设计、工程实际进行对比；对比结果表明地质雷达对王子石隧道的探测是非常成功的。6)以VB.net作为前台开发程序，采用Access2000作为后台数据库，开发出隧道地质雷达探测后处理系统，并以王子石隧道zk24+235断面为例，介绍了软件的功能与使用方法，说明系统可操作性强，使用方便，围岩定性分析精度高，具有较强的工程应用价值。6.期刊论文杨健.张毅.陈建勋地质雷达在隧道工程质量检测中的应用-公路2001,""(3)用无破损方法快速、简捷、准确检测隧道工程质量是一个研究方向.文中以地质雷达在我省几座隧道工程质量检测方面的应用为例,论述了地质雷达 在宏观控制隧道工程质量,并有针对性地采取措施以及消除工程质量隐患等方面的应用可行性.7.期刊论文李伟.LIWei地质雷达在隧道工程无损检测中的应用-山西建筑2007,33(19)以云南省某高速公路隧道建设为例,通过对地质雷达基本原理的论述,详细介绍了地质雷达在隧道质量检测中的成功应用,重点分析了应用地质雷达检测隧道的初期支护厚度、二衬厚度以及衬砌背后脱空等的情况,可为类似的高速公路隧道衬砌质量检测提供参考.8.期刊论文李二兵.谭跃虎.段建立.LIEr-bing.TANYue-hu.DUANJian-li地质雷达在隧道工程检测中的应用-地下空间与工程学报2006,2(2)随着交通事业的不断发展,隧道数量逐年增加,运营中出现的病害也屡见不鲜,但隧道建成以后用常规方法很难对衬砌质量作出系统评价.地质雷达利用高频电磁脉冲波探测目标介质的介电常数,能够快速准确地掌握衬砌结构的厚度、衬砌裂隙及背后空洞等情况.阐述了地质雷达法的基本原理和方法,介绍了这一隧道衬砌质量检测新技术在工程实例中的应用,并通过几幅典型雷达图像分析了不同异常情况在雷达图像上的反映.9.期刊论文王军.何淼浅埋隧道超前地质预报方案对比研究-现代交通技术2010,7(4)针对某高速公路隧道掌子面前方围岩情况及隧道拱顶上覆岩土体埋深特点,先采用TSP进行了长距离预测,又采用SIR-20地质雷达(配100m天线)进行了短距离验证,并采用Zond-12e地质雷达(配38m天线)对隧道拱顶上覆岩土体性状及分布情况进行了探测.3种物探方法的综合利用,有利地弥补了现有单种物探方法的不足,使探测结果对指导隧道施工更加科学合理.10.期刊论文陈培德地质雷达检测技术在隧道衬砌质量检测中的应用-中外公路2010,30(2)简要介绍了地质雷达检测隧道衬砌质量的基本原理、方法,结合近年在厦门成功大道梧村隧道验收检测的工程实例,对一些典型的隧道衬砌地质雷达图像作出解释说明,并采用取芯法验证了地质雷达的检测结果.本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_kckxjs200706007.aspx授权使用：武汉大学(whdx)，授权号：03bea83b-a5db-466e-99eb-9e4600a74e29下载时间：2010年12月8日