1、1地质雷达技术在铜黄高速公路检测中的应用摘要：本文简单介绍了地质雷达检测方法的基本原理、野外工作方法、参数设置以及资料处理流程，并通过两个工点的应 用实例说明这种检测方法的可行性，为保证公路工程质量提供可靠的资料。主题词：地质雷技术；探测；应用一、前言自上世纪八十年代末，随着计算机技术的飞速发展，带来了物探方法与技术的重大进步，地质雷达技术就是在此时进入我国，并迅速掀起了我国工程检测高潮的。由于其检测的高效与准确，受到了越来越多的检测技术人员的推崇与赞赏。特别是在公路、铁路建设中，大到几十米的地下溶洞的探测，小到几厘米的高速公路路面检测，无不使其功效发挥至极，且取得了无可否认的探测效果。经过近
2、二十年实践和不断发展，目前我国雷达检测技术已形成一套完整的检测系统，2004 年，铜黄高速公路开工，为了保证公路工程特别是公路隧道工程的质量，对全线隧道的初期支护以及二次衬砌进行了地质雷达无损检测，本文试图通过实际的工程检测阐述地质雷达检测方法的基本原理、野外工作方法、参数设置以及资料处理流程，以供新学同仁参考。二、地质雷达检测原理、应用条件、参数设置及野外工作方法1地质雷达检测原理地质雷达检测方法是利用超高频电磁波（10 610 9Hz）探测介质电性分布的一种地球物理方法，高频电磁波以宽频带短脉冲的形式，在介质表面通过发射天线将信号传入介质内部，其路径、波形将随所通过介质的电性质及几何形态而
3、变化，经媒质界面或目标体反射后返回地面，由接收天线接收，由深度公式 D = V t/2=Ct/2(r1/2)求出反射界面的深度即道碴厚度(C 为电磁波在空气中的传播速度，t 为电磁波在道碴介质中的双程旅行时， r为介质的相对介电常数)，通过对电磁波反射信号的波形特征，如相位、频率及振幅进行分析处理，从而可以推断被测目标体内部的结构和分布形态等，隧道检测原理示意见图 1。 混 凝 土雷 达 图 像空 洞厚 度天 线 天 线围 岩 里 程图 2-地 质 雷 达 衬 砌 检 测 原 理 示 意 图空 洞 围 岩混 凝 土2应用条件2根据电磁波理论：电磁波传播在遇到不同媒质界面时，其反射系数为:)12
4、/()1(R由此可知,电磁波的反射系数取决于界面两边媒质的相对介电常数的差异，差异越大，反射系数越大，这就是地质雷达检测的应用条件。在工程检测中，常见介质的电性参数值如下：媒 质 电 导 率 （Sm） 介 电 常 数 （相对值） 电磁波速度 （m/ns）空 气 0 1 0.3 水 10-4 310 -2 81 0.033花 岗 岩（干） 10-8 5 0.15灰 岩（干） 10-9 7 0.11灰 岩（湿） 2.510 -2 810 0.110.095粘 土（湿） 10-1 1 812 0.110.087混 凝 土 10-910 -8 615 0.120.077钢 筋 由此可见，反射系数及反射
5、信号的大小主要取决于探测界面两侧介电常数的差异大小，差值趆大，反射信号趆强，反映在记录图像上异常明显，清晰度高；反射系数趆小，信噪比底，就不会得到高清晰度图像。另外，当 12，将获得与初始相位同相的反射波形；当 12，获得与初始相位反相位的反射波形；1=2，反射系数等于零，没有反射信号。显然，在隧道检测中由于所涉各种介质电性差异较大，满足地质雷达探测条件。3参数设置目前国内采用的雷达种类较多，本文以国内采用最多的美国 GSSI 公司生产的 SIR 型系列地质雷达为例，说明隧道衬砌检测配合单置式天线进行工作（即发射天线和接收天线是一体的） 。根据所测隧道衬砌厚度和现场工作条件一般选 900-40
6、0MHz 天线为宜，记录时窗为 4060ns，样点数 256-512 /扫描，扫描速度要使天线移动速度而定，以被检测对象在纪录尚有明显的长度为准，一般为 50 扫描/秒。4野外工作方法测线布置：隧道检测一般沿隧道方向纵向布置五条测线，分别位于隧道的拱顶、左右拱腰和左右边墙（见图 2-2） ； 右 拱 腰 测 线拱 顶 测 线左 拱 腰 测 线 右 边 墙 测 线左 边 墙 测 线 35图 2-2 地质雷达测线布置图3根据工程要求在隧道边强用油漆标记明显的里程标志（一般每 10 米标一标记，便于处理资料标定距离，若安装了测距轮应标明起止里程） ；使天线在相应测线位置紧贴隧道衬砌（空气耦合天线可保
7、持一定的距离） ，然后将各通道天线连接好；调整仪器参数；一切准备就绪后，操作仪器，沿测线方向作连续剖面测量。为了使野外数据分析更准确，需要在现场做参数测量（或钻孔验证） ，由公式 D = V t/2=Ct/2(r1/2)确定混凝土的波速（或介点常数） ，式中 D 为混凝土厚度、V 为电测波波速、t 为记录中混凝土界面所对应的时间、r 为混凝土的介电常数。三、资料整理与解释1处理过程各种型号的地质雷达都有自己的资料处理软件，GSSI 公司最先推出的在 WINDOWS 界面下运行的 WINRAD 专用雷达数据处理软件，操作界面方便易用，直观明了。以下是该软件的资料处理流程：原始数据传输到计算机文件
8、编缉水平均衡反褶积或带通滤波，消除背景干扰信号频率、振幅分析，相位追踪，确定道碴界面输入准确的介电常数道碴厚度分析标注出道碴厚度界面线将道碴界面厚度绘成 CAD 连续剖面成果图打印成果2隧道界面与空洞的判别原则在现场检测过程中，地质雷达波形千变万化，波形判别上需要具体情况具体分析，但还是有一定的规律可循。由于衬砌与其后围岩在物性上存在差异，所以在其交接面上会有一较强反射波，通过对雷达图像上振幅、相位的分析，可以看到一条能反映界面起伏的反射波组，确定为衬砌界面；当衬砌背后局部脱空或含水时，由于空气与水的介电常数与混凝土的介点常数差异很大，在雷达图像上可看到不同形状的前反射界面。以此判别界面的厚度
9、与衬砌背后脱空或存水的存在。四、在铜黄线的应用1 采用的仪器设备本次检测采用的主要仪器为：（1）SIR-10H 型地质雷达（美国 GSSI 公司）（2）3101D 型 900MHz 收发单置屏蔽天线（3）5103 型 400MHz 收发单置屏蔽天线4图 3-1 SIR-10H 型地质雷达2. 工作布置及工作量（一）.测线布置本次检测沿隧道方向纵向布置五条测线，分别位于隧道的拱顶、左右拱腰和左右边墙（见图 2-2，面向大里程） 。（二）.测量参数测量方式采用 900MHz 天线做连续测量，时窗范围： 40ns（最大探测深度可达 1.82.0m） ，采样率： 256 样/ 扫描，扫描率：50 扫描
10、/秒。采用 400 MHz 天线，时窗范围：50ns，采样率：256 样/扫描，扫描率：50 扫描/ 秒, （最大探测深度可达1.83.0m） 。（三）.工作量本次共检测隧道 6 座，分别为：青山隧道（左、右线） 、紫桐隧道(左、右线) 、山口隧道（左、右线） 、河坑隧道（右线） 、石门隧道（左线）和毛塔隧道（左、右线） 。对初衬和二衬地段进行了检测，初衬实测测线长 717*5=3585 米，二衬实测测线长 796*5=3980米，共计 7565 米。3. 资料处理与解释（一）.资料处理先将野外数据传输到计算机，再利用 RADAN软件将原始记录切除首尾废段 按10 米标记对记录进行水平均衡 调
11、整测量方向保持一致 零点校正 水平、垂直滤波 识别界面及有效信号 输入介电常数 拾取衬砌厚度界面 分析回填情况 存入 Excel 表格并打印 CAD 绘图并打印。（二）.介电常数的确定本次检测介电常数 r的确定，采用由已知厚度 D，由式 D = 0.5Ct / r1/2 式计算 r，式中 C 为光速（C=0.3m/ns） ，t 为已知厚度处电磁波对衬砌界面的双程旅行时。通过对各个隧道实测求得适合铜汤段隧道初衬的介电常数平均值为 r1 = 13.0，二衬的介电常数值为 r2 = 7.0 。（三）.资料的解释原则1衬砌界面无脱空的信号判识当衬砌密贴时，在地质雷达图像的上部，一般反射波振幅不强、同相
12、轴相对比较连续的第一组波形即为初衬界面的反射信号。由于初衬混凝土与隧道围岩之间、二衬混凝土与初衬之间的介电常数差异不大，当衬砌与隧道围岩、二衬混凝土与初衬之间密贴、无脱空时，地质雷达不会有特别强的反射信号，在地质雷达图像中表现为振幅较弱的界面反射信号（无多次波） ，甚至没有界面反射信号。衬砌界面判识后输入正确的介电常数值，即可由计算机自动计算得出衬砌厚度值，厚度的计算公式为 D = 0.5Ct / r1/2 。图 4-1 和图 4-2为雷达检测的无脱空的初衬和二衬的衬砌界面图像。5图 4-1 山口右隧道初砌界面雷达检测图像图 4-2 青山右隧道二衬界面雷达检测图像2衬砌背后脱空的信号判识当衬砌
13、背后出现空洞时，由于空气与混凝土的介电常数差异较大，所以初衬与围岩、二衬与初衬之间若有明显的空隙或空洞（脱空）时，地质雷达会有明显的强反射信号。在图像中表现为衬砌界面反射信号很强，三振相特征明显。 （如图 4-3、4-4 ）图 4-3 紫桐左隧道初衬空洞界面雷达检测图像图 4-4 紫桐左隧道二衬空洞界面雷达检测图像3钢拱格栅的信号判识当衬砌混凝土中存在钢拱格栅时，将产生连续点状强反射信号，每一点信号代表一品钢拱。通过实测的钢拱格栅数量并结合水平距离可算出钢拱钢筋数量及间距是否满足设计要求。地质雷达检测钢拱格栅反映信号间距从图 4-5 中可清晰看到。YK174+870 +880初衬界面无脱空ZK
14、155+290初衬界面脱 空二衬界面无脱空YK96+460 +470ZK157+300 ZK157+3106图 4-5 紫桐左隧道钢拱地质雷达检测图像4.检测结果根据以上解释原则，通过对本次检测的 6 座隧道资料行处理及认真分析，得出各隧道初衬厚度以及初衬背后脱空情况；依据隧道初衬厚度和初衬背后脱空情况检测数据得出隧道初衬厚度对照表（每 1 米取一点， ）并绘制出铜黄高速公路铜汤段隧道初衬质量检测成果图 。本次检测地段隧道初衬的设计厚度分别为：（1）二类深埋、二类浅埋和二类一般 25 cm；（2）三类深埋 20 cm；（3）三类浅埋 15 cm；（4）四类 12、15、17 cm。本次检测地段
15、隧道二衬的设计厚度分别为：（1）二类深埋、二类浅埋和二类一般 45 cm；（2）三类 40 cm；（3）四类 35cm。资料解释结果：1 青山隧道左线 检测段 ZK96+339 ZK96+440(初砌) , 隧道初衬的厚度满足设计要求, 隧道初衬回填密实、无脱空。2 青山隧道右线检测段 YK96+354 YK96+374(初衬) 、YK96+374 YK96+580(二衬), 隧道衬砌厚度满足设计要求, 隧道衬砌回填密实、无脱空。3紫桐隧道左线检测段 ZK155+140 ZK155+460(二衬) 、ZK155+523 ZK155+605(初砌)、ZK157+240 ZK157+340(初砌)
16、 、ZK157+430 ZK157+460(初砌) 除左线：拱顶 zK155+289 +291（该段二衬厚度约 15cm,空 2030cm）zK155+295 +303（该段二衬厚度 16cm,空 2030cm）左拱腰：zk157+302 +306（初衬厚度约 50cm，有 3040cm 空洞，且充水）区段存在空隙、厚度不足外隧道衬砌厚度满足设计要求, 隧道衬砌回填密实、无脱空。4 紫桐隧道右线检测段 YK155+070 YK155+340(二砌) 、YK155+425 YK155+490(初砌)、YK157+420 YK157+490(初砌)除右线：拱顶 yk155+205+207（该段二衬
17、厚度约 13cm, 空 2030cm）yk157+430+440（初衬厚度约 1012cm，局部厚度不足）yk157+455 +470（初衬厚度约 15cm，背后有 510cm 空隙）+125ZK157+440 ZK157+450钢拱间距 1.0 米 钢拱间距 0.8米7yk157+470+485（初衬厚度约 35cm，背后有 510cm 空隙）区段存在空隙、厚度不足外，其余地段隧道衬砌厚度满足设计要求, 隧道衬砌回填密实、无脱空。5山口隧道左线检测段 ZK174+930 ZK174+970(初砌), 隧道初衬的厚度满足设计要求, 隧道初衬回填密实、无脱空。6 山口隧道右线检测段 YK174+
18、936 YK174+972 、YK174+860 YK174+900 除左拱腰：yk174+965+969 段回填不密实(厚 1.61.8m)，存在空隙外，其余地段均初衬厚度满足设计要求，回填密实，无脱空。7 河坑隧道右线检测段 YK180+174 ZK180+207(初砌), 隧道初衬厚度满足设计要求, 隧道初衬回填密实、无脱空。8 石门隧道左线检测段 ZK188+230 ZK188+250(初砌)段， 隧道初衬厚度满足设计要求, 隧道初衬回填密实、无脱空。9毛塔隧道左线检测段 ZK188+885 YK188+895(初砌) 、YK188+955 YK188+960(初砌)、YK189+02
19、0 YK189+050(初砌)，隧道初衬厚度满足设计要求, 隧道初衬回填密实、无脱空。11毛塔隧道右线检测段 YK188+985 YK188+990(初砌) 、YK189+020 YK189+050(初砌)，隧道初衬厚度满足设计要求, 隧道初衬回填密实、无脱空。5.验证情况为了评价本次检测的效果，随机抽取 16 处钻孔验证，8 处空洞准确率 100%，衬砌厚度误差小于 5%；8 处界面厚度验证，误差小与 7%。五、结论铜黄线隧道检测的实践证明，地质雷达对准确判识隧道衬砌界面厚度和衬砌背后空洞确实可行，无损、高效、快速、准确的检测方法为公路工程质量提供了可靠的资料，己被广泛应用。但由于受检测仪器和处理软件以及个人专业水平的限制，对于雷达图像上所反应的衬砌界面下方围岩地质情况的波形还有待进一步判识和研究，以提高地质雷达的探测范围，扩大其在工程检测领域的应用。
