隧道拱頂空洞的雷達探測研究

林 義

(1.西南交通大學，四川 成都 610031;2.中鐵西北院科學研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000)

地質(zhì)雷達是一種寬帶高頻電磁波信號探測方法，它可以對短距離內(nèi)(20 m～30 m)的地質(zhì)異常(地層巖性界面、巖溶、較大節(jié)理、軟弱夾層、富水帶等)進行探測，地質(zhì)雷達由發(fā)射天線將高頻(40 MHz～1 500 MHz)的電磁波以寬帶短脈沖形式向隧道掌子面發(fā)出，電磁波在介質(zhì)中傳播時遇到存在電性差異的目標體，如空洞、裂隙、巖溶等時會產(chǎn)生回波，然后由接收天線接收。用相應雷達資料處理軟件對現(xiàn)場采集的地質(zhì)雷達數(shù)據(jù)進行處理，可得到各測線的成果圖，然后根據(jù)雷達波形、電磁場強度、振幅和雙程走時等參數(shù)，可以推斷掌子面前方的地質(zhì)構(gòu)造及目標體的位置、深度和幾何形態(tài)。

李晉平等［1］針對鐵路隧道施工中可能出現(xiàn)的質(zhì)量問題，利用地質(zhì)雷達對鐵路隧道的工程質(zhì)量進行了檢測工作，并針對鐵路隧道，給出了地質(zhì)雷達在無損檢測應用中的工作方法，包括測線裝置、采集參數(shù)設定、現(xiàn)場檢測和后期資料處理解釋等;郭亮等［2］基于地質(zhì)雷達的測試原理，進行地質(zhì)雷達用于探測圍巖松動圈的可行性分析，并用地質(zhì)雷達對偏壓隧道進行實測，研究結(jié)果驗證了地質(zhì)雷達探測圍巖松動圈的可行性;劉孝明等［3］采用地質(zhì)雷達對雙連拱隧道初次襯砌中的質(zhì)量進行了檢測，證明隧道襯砌的雷達檢測不僅可以對施工質(zhì)量進行監(jiān)控，而且還為工程隱患的排除提供準確可靠的消息;王振宇等［4］采用地質(zhì)雷達進行更精確的短期預報，依據(jù)雷達反射波的振幅、相位及頻率等變化探測斷層和地下水的賦存的情況，對于大范圍的不良地質(zhì)體，采取連續(xù)跟蹤預報的策略，通過多次預報成果的驗證及反饋顯著提高預報的可靠性，該綜合超前預報方法在隧道穿越斷層和涌水段施工中取得滿意的效果;許有俊等［5］采用地質(zhì)雷達對公路隧道的襯砌質(zhì)量進行檢測，根據(jù)雷達判釋結(jié)果集數(shù)理統(tǒng)計結(jié)果，表明隧道襯砌厚度相對比較均勻。張正國等［6］針對達成鐵路部分隧道邊墻及拱頂背后不同程度存在空洞的情況，為消除安全隱患，應用地質(zhì)雷達探測新技術(shù)，對重點隧道進行了無損檢測。本文采用地質(zhì)雷達對拱頂?shù)拿軐嵆潭冗M行了檢測，證明隧道局部存在空洞反應。

1 工程概況

隧道所處屬于前丘陵區(qū)，地勢東高西低，地形逐漸變緩，溝梁相間，沖溝發(fā)育，相對高差120 m～150 m，根據(jù)地面調(diào)查及鉆孔揭示，隧道進出口均位于全～強風化云母石英片巖中，洞身主要通過云母石英片巖，淺埋地段上部覆蓋洪積膨脹土、細角礫土，山梁上部覆蓋第四系中更新統(tǒng)膨脹土。

2 野外數(shù)據(jù)采集

為了對數(shù)據(jù)進行詳細的采集工作，因此采用加密的觀測系統(tǒng)設計，其測線系統(tǒng)如圖1所示。數(shù)據(jù)采集時，為滿足探測深度和精度的要求，用天線采集數(shù)據(jù)時，時窗設置為200 ns，采樣率為1 024樣點數(shù)/掃描，采用連續(xù)測量方式進行測量。

圖1 測線系統(tǒng)雷達探測示意圖

3 數(shù)據(jù)處理

采集的數(shù)據(jù)采用“GresWin2”軟件包對地質(zhì)雷達原始數(shù)據(jù)進行處理。預報目的是為了確定拱頂是否存在空洞，實測范圍約為10×11個平方。處理流程為:數(shù)據(jù)傳輸→文件編輯→數(shù)字濾波→零點歸位→偏移處理→能量均衡→時深轉(zhuǎn)換→文件注釋→輸出雷達時間(或深度)剖面圖。將雷達時間(或深度)剖面圖作為資料解釋的基本圖件。主要過程:

1)距離歸一化:在應用探地雷達進行連續(xù)探測時，雷達天線勻速移動。

2)確定波速:波速計算可通過以下公式進行:

其中，v為介質(zhì)中電磁波波速;c為真空中電磁波波速;s為相對介電常數(shù)。

3)水平和垂直濾波:水平波在地質(zhì)雷達資料中特別發(fā)育，它是雷達采集系統(tǒng)本身產(chǎn)生的。主要來自于控制器、數(shù)據(jù)線、天線的相互作用，是難以避免的。水平濾波主要是利用水平波具有時間相等這一特性。在濾波過程中，求相鄰的一定數(shù)量的掃描線的平均值，然后與個別掃描線相比較來消除水平波。

垂直濾波主要是利用頻譜特征的不同來消除雜散波，這些雜散波是由外部環(huán)境引起的，頻率不在雷達天線頻帶內(nèi)。通常采用帶通濾波，高通濾波，低通濾波，小波變換等方法。

4 結(jié)語

本次探測的深度為自仰拱表面往上約為6 m。

1)檢測表明測線1的空洞反應較小，主要表現(xiàn)在拱頂處，大小約為1 m。測線2至測線4雷達空洞反應表現(xiàn)為破碎零散狀分布，仰拱右側(cè)約1 m，左側(cè)約有1.5 m。

2)中間部分巖體較為破碎，在該范圍內(nèi)存在小范圍空洞，空洞大小約為3×2.5左右(注意:并非空洞大小是3×2.5)，深度自拱頂表面1 m開始，約3 m～4 m結(jié)束，且空洞呈破碎零散狀分布。

由于現(xiàn)場地質(zhì)條件影響，以及操作儀器時產(chǎn)生的誤差，且場地內(nèi)干擾因素很多，尤其是拱腰測線上下附近均存在如照明線等干擾，使檢測結(jié)果受到干擾，給解釋工作帶來很大的困難，同時也會給資料解釋帶來相應的誤差，利用地質(zhì)雷達檢測隧道襯砌質(zhì)量關(guān)鍵在于圖像的解釋，應當盡量消除干擾，并根據(jù)雷達探測結(jié)果，輔以相應的地質(zhì)資料，做出相應的施工處理。

［1］李晉平，邵丕彥，谷 牧.地質(zhì)雷達在鐵路隧道工程質(zhì)量檢測中的應用［J］.中國鐵道科學，2006，27(2)：56-59.

［2］郭 亮，李俊才，張志鋮，等.地質(zhì)雷達探測偏壓隧道圍巖松動圈的研究與應用［J］.巖石力學與工程學報，2011，30(S1)：3009-3015.

［3］劉孝明，何富勇，申玉生，等.地質(zhì)雷達在雙連拱隧道初次襯砌中的質(zhì)量檢測與分析［J］.公路交通技術(shù)，2005，50(4)：147-150.

［4］王振宇，程圍峰，劉 越，等.基于掌子面編錄和地質(zhì)雷達的綜合超前預報技術(shù)［J］.巖石力學與工程學報，2010，29(S2)：3549-3557.

［5］許有俊，陶連金，孫玉輝，等.地質(zhì)雷達在公路隧道襯砌質(zhì)量檢測中的應用［J］.公路交通科技(應用技術(shù)版)，2009，60(12)：150-152.

［6］張正國.探地雷達新技術(shù)在隧道病害無損檢測中的應用［J］.成都大學學報(自然科學版)，2003，22(4)：6-10.