地质雷达在公路隧道工程检测中的应用.pdf

2017年5月建材与装饰交通建设地质雷达在公路隧道工程检测中的应用朱梅林（安徽省高速公路试验检测科研中心有限公司安徽合肥市230601）摘要：简单介绍了地质雷达检测方法、数据处理及图像解释，并结合图例，阐述地质雷达在隧道质量检测中的应用情况。关键词：地质雷达；检测原理；数据处理；图像解释；应用中图分类号：U456.3文献标识码：A文章编号：1673-0038（2017）20-0255-02表1常见介质电性参数1前言介质相对介电常数ε电导率σ（ms·m-1）波速v（m·ns-1）衰减系数α（dB/m）隧道在施工过程中常出现主要病害有：二衬厚度不足、衬砌r空气1.000.30钢筋缺失、衬砌脱空和衬砌不密实等，这些病害直接影响隧道的淡水810.50.0330.1正常使用和隧道衬砌的耐久性，因此，在隧道施工过程中对隧道淤泥5301~1000.071~100衬砌质量进行控制尤为重要。粘土5~402~10000.061~300粉质粘土66.60.1222地质雷达检测原理石灰岩4~80.5~20.120.4~1地质雷达主要用于地下介质分布的确定，是一种高频宽带的花岗岩（干）510-80.150.01~1电磁波信号检测方法。工作原理如图1所示，即发射器向围岩和花岗岩（湿）710-30.10.01~1衬砌中发射电磁波时，主要通过发射天线来实现，电磁波发生反玄武岩（湿）810-20.150.01~1土壤2.6~401.4×10-4~5×10-20.13~0.09520~30射的条件是传播过程中遇到了有电性（介电常数和电导率）差异钢筋∞∞界面，并利用接收器和接收天线接收反射回来的电磁波。在进行混凝土6.40.001~0.010.12反射回来的电磁波进行处理之后，对于不同时间段直达波反射沥青混凝土4~60.11~0.16回来的反射波，取其时间一半，乘以相关介质的电磁波速就能得地质雷达的主要数据处理目标是压制规则和随机的干扰，并出反射目标的深度，再以反射信息的特征为依据（反射波强度、在地质雷达的图像剖面上以最大可能的分辨率显示出反射波，反射波组合特点以及横向、纵向变化等）对反射目标性质进行判并利用反射波的有效参数（包括电磁波振幅、速度以及波形等）别。欠密实区或围岩中的空洞、围岩和衬砌、衬砌裂缝以及围岩来进行解释。中的裂缝或含水区等均为良好的反射界面或目标体。雷达的探测方法和工作原理如图1。图2地质雷达数据处理过程3.2图像解释在这里，本文先对波相分析的基本要点进行介绍。要点1：反射波的方向和振幅反射系数有一个菲涅耳公式，由菲涅耳（Fresnel）可以得出两图1地质雷达工作原理及其探测方法点结论：①反射波反射振幅的大小。反射波越强，则证明介质的当地下介质中的波速v为已知时，可根据精确测得的走时t，电磁学性质差异越大。两侧介质的属性、性质可以由反射波的反由上式求得目标体的深度z。式中x值即收发距，在剖面测量中射振幅判断出来；②反射波的反射极性。当反射波从介电常数小是固定的；v值可根据近似计算公式：的介质传播到介电常数大的介质时，实际上就是从高速的介质v≈c传播到低速介质，当反射波从光疏介质进入光密介质时，其反射ε姨r系数是负数，表明了反射波的反射振幅方向是反向。与此相反，式中：c为光速；εr为地下介质的相对介电常数。当反射波从低速介质传播到高速介质时，反射波的反射正图和常见介质电性参数见表1。入射波的振幅方向相同。是另外一个可以判定界面两侧的介质3地质雷达数据处理及图像解释属性和性质的依据。3.1数据处理要点2：反射波频谱特征·255· 交通建设建材与装饰2017年5月不同介质的结构特征不同，其反射波的频率高低特征也不能存在欠挖现象，二衬厚度明显不足。同，可根据这样的特性来对不同物质的表面进行区分。比如，岩层和混凝土相比，由于混凝土较为均匀，内部结构没有岩石复杂，所以其内部反射波较为明显，频率丰富，且频率高。而且混凝土的内部反射波比较少，一般都是在有缺陷的位置进行反射。要点3：反射波同相轴的形态特征地质雷达记录图像中，若反射信号谁同意连续界面中，形成了同向轴，则可以同向轴的形态、时间、强弱以及方向反正等进行解释判断是地质解释最重要的基础。同向轴的形态与埋藏的物界面的形态并非完全一致，特别是边缘的反射效应，使得边缘形态有较大的差异。对于孤立的埋设物其反射的同向轴为向下开口的抛物线，有限平板界面反射的同向轴中部为平板，两端为半支下开口抛物线。4地质雷达在隧道检测中的应用（1）衬砌质量检测。具体内容包括：初期支护检测拱顶、拱腰、图5拱脚及边墙位置衬砌厚度，及道床仰拱的厚度，必要时还可以沿隧道的横断面进行衬砌层厚度探测；查明初期支护中的钢拱架格栅钢架等的数量及布设情况，并准确定位。二次衬砌检测：初衬与二次衬砌之间的密实状况及初衬与二次衬砌之间脱空区的分布情况、二次衬砌厚度及钢筋数量等；（2）查明衬砌层与围岩之间的耦合状况：包括衬砌层与围岩之间密实、有无空隙或空洞存在；衬砌层背后一定深度范围内围岩中是否有溶洞或裂隙带存在；图6（3）探明隧道内围岩超挖部分的位置、超挖空间和回填情况图5是隧道二衬采用模筑泵送混凝土施工工艺拱顶施工接（回填性质）；通过衬砌厚度确定隧道欠挖情况。缝处形成三角形空洞的典型图像，图6是隧道二衬中出现的典下面结合几个图例，简单介绍地质雷达在隧道质量检测中的型空洞图像。应用情况。5结束语地质雷达作为一种高分辨率的无损检测技术，已广泛应用于隧道衬砌质量检测中。同时，地质雷达数据分析存在一定人为因素的影响，需要操作人员具备较高的理论水平和丰富的检测经验。参考文献[1]李大心．探地雷达方法与应用[M]．北京：地质出版社，1994．图3[2]薄会审.铁路隧道衬砌质量检测与评价地质雷达技术使用手册[M]．北图3显示的是隧道钢拱架信号反射，K0+635-641范围内有京：地质出版社，2006．钢拱架6榀，钢拱架间距为1m/榀，该段落钢拱架设计间距为0.8m/榀，通过现场检测，该段落钢拱架设置间距偏疏，存在偷工收稿日期：2017-5-8减料现象。作者简介：朱梅林（1981-），男，皖含山人，工程师，一直从事公路、桥梁、隧道检测工作。图4图4中792~796m位置钢拱架侵入二衬，围岩开挖过程中可·256·