应用地质雷达的隧道工程质量检测流程与方法研究
中图分类号：U456 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）07（b）-0000-00
我国是一个地域辽阔，多山的国家，交通运输发展很快，新修建的公路为缩短建设里程、改善线路走向及保护环境将大量修建隧道，以改变那种逢山绕着走、坡陡、曲线半径小的现象。隧道工程既能保证行车安全又可防止滑坡、泥石流及提高行车速度和安全的可靠性，还能与周围环境协调，保证自然景观的完善。修建隧道作为公路施工中的重点环节，加强质量检测具有重要的意义，但由于隧道支护质量较难检测，易给通车后的营运和安全遗留下隐患。隧道常见的问题有衬砌厚度不够、衬砌与围岩间存在脱空区、塌方回填不实等。由于以上问题的存在，降低了衬砌的承压力，严重影响隧道的稳定，甚至可造成拱部坍塌。如果对以上问题能及时发现，采取适当的加固措施，可将施工中存在的质量隐患排除在正常营运之前，确保以后隧道的正常使用。地质雷达检测是近年来应用于浅层探测的一项新技术，其特点是快速、无损、连续检测，并以实时成像的方式显示探测结果，分析、解释直观方便。加上其探测精度高、样点密、工作效率高等优势而倍受青睐。使用地质雷达对隧道衬砌结构进行检测是物探领域发展较为迅速、效果较为显著的方法之一。
1 地质雷达检测的基本原理
地质雷达设备由两个主要部分组成，即控制主机和天线。主机提供控制信号，由天线发射、接收超高频电磁波。电磁波从天线发出，在衬砌和围岩内传播，遇到衬砌边界、内部裂缝、空洞和围岩及围岩内界面等都会发生反射，这些反射的电磁波又传回天线，天线接收到这些反射信号，把它传到主机，主机对这些反射信号进行全时程数字化记录，存储并显示出来。反射界面距离越远，反射信号往返所需时间越长；反射界面越平整、面积越大和两侧的物性差异越大，反射的信号越强。通过记录到的反射波的走时和强度数据，可以判定反射界面的位置和两侧介质的性质，从中得到衬砌厚度、劈裂、空洞的位置和形态、围岩结构状态等参数，达到高分辨无损检测的目的。
从该方法的原理中可以看出，要从反射信号的走时换算到空间位置，需要了解混凝土和围岩介质的电磁波速度，它影响到测量深度的换算精度。空气中电磁波速是0.3 m/ns，一般干燥岩石为0.11 m/ns左右，水是自然界中电磁波速最低的物质，为空气的1/9，约为0.033 m/ns，在混凝土中的电磁波波速为0.12 m/ns。其反射和工作原理示意图如图1所示。
图1 电磁波遇到地下物体后的反射示意图
理论研究与试件的模拟试验证明，雷达电磁波在物体或介质中的传播速度随介质的相对介电常数的增加而降低。介质的介电常数不仅与介质本身的性质有关，而且还与介质中的含水率有关，如果衬砌孔隙较多，又充有水，那么波速会显著降低。物性的差异反映到波速的不同，同时也影响到反射信号强度的不同。在野外工作条件下，岩石、土和混凝土等工程介质之间都有物性差异，之间的界面都能形成反射，它们的介电常数差异不大，界面反射信号虽不太强，但地质雷达有足够高的灵敏度将它们辨别出来。岩石、土、混凝土等工程介质与水、空气、金属之间的电磁性质的差异极大，界面反射信号很强，极易识别。在隧道衬砌检测中金属构件、饱水带、空洞乃至劈裂空隙反映更加明显。
2 数据的采集
当使用地质雷达进行检测时，发射和接收天线与隧道衬砌表面密贴，沿测线滑动，由雷达仪主机高发射雷达脉冲，进行快速连续采集。雷达每秒发射64个脉冲，每米测线约有测点40个～60个。雷达时间剖面上各测点的位置和隧道里程相联系。为保证点位的准确，在隧道壁上每5 m做一标志，标上里程。当天线对齐某一标记时，由仪器操作员向仪器输入信号，在雷达记录中每5 m做一小标记，50 m或100 m的整数桩号打一个大标记。内业整理资料时，根据标记和记录的首、末标及工作中间核查的里程，在雷达的时间剖面图上标明里程桩号。选择900 MHz和500 MHz天线，其他参数为：1）采集方式：连续测量；2）扫描点数：512；3）增益方式：自动；4）900 MHz天线的时间窗（记录长度）为15 ns，500 MHz天线的时间窗为50 ns。
3 数据的处理与资料解释
雷达探测透视扫描的所有记录数据，在现场回放并转储在计算机硬盘上，室内工作使用电脑进行分析处理。数据与资料的处理基本可分为两个阶段：
（1）将记录数据图像回放显示，通过分析，确认标志层与异常，确定突出异常的相关处理参数和使用程序；
（2）用雷达专用软件进行正式处理。探地雷达所接收的是来自地下不同电性界面的反射波，电性界面包括了地质层界面和有限目的体的界面。探地雷达透视扫描提供的二维彩色图像，由16种色彩组成，不同色彩反映的是电磁波反射强弱的变化，即反映了不同介质的电性差异。探地雷达扫描图像的正确解释是建立在探测参数选置合适，数据处理得当，有足够的模拟试验对比以及阅图经验丰富等基础之上。依据雷达图像中的相位、频率、幅值及形态等特征的不同，对雷达剖面逐一进行了分析判别；并将不同地段的时间剖面和已知资料及钻孔资料相对比，找出了不同界面及不同地质现象的反射波形特征，对混凝土厚度、衬砌周围松散带、围岩松动带和基岩裂隙带等进行了解释。
4结语
地质雷达在隧道衬砌检测过程中，能有效地探测到衬砌厚度、脱空区范围、衬砌开裂、衬砌外围击岩富水等数据，对施工方采取加固措施消除隐患提供科学准确的依据，将隐患排除在隧道投入使用之前，对隧道的安全使用和正常营运起到了重要作用。随着地质雷达检测技术的不断完善和发展，地质雷达检测技术必将成为隧道施工质量安全保证的必不可少的重要环节。
