雷達(dá)技術(shù)在隧道實(shí)體檢測(cè)中的應(yīng)用

王明柱

（中鐵十八局集團(tuán)勘察設(shè)計(jì)院，天津300308）

雷達(dá)技術(shù)在隧道實(shí)體檢測(cè)中的應(yīng)用

王明柱

（中鐵十八局集團(tuán)勘察設(shè)計(jì)院，天津300308）

以陜西鐵路工程王家灣隧道工程為實(shí)例，簡單的闡述了一下地質(zhì)雷達(dá)工作的基本原理，重點(diǎn)論述了地質(zhì)雷達(dá)在隧道檢測(cè)中的主要功能及其應(yīng)用效果.依據(jù)工程實(shí)例的分析使地質(zhì)工作人員更加了解地質(zhì)雷達(dá)在隧道質(zhì)量檢測(cè)中的成功性和重要性，為工程驗(yàn)收又提供了一種有效的方法.

地質(zhì)雷達(dá)；工程實(shí)例；應(yīng)用效果

1 前言

隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的飛速發(fā)展和工程規(guī)范的逐步完善.基礎(chǔ)工程建設(shè)也進(jìn)入了一個(gè)飛速發(fā)展的時(shí)期，各形各色的隧道工程建設(shè)也日益增多且大長型隧道成為公路、鐵路建設(shè)中的主流，這樣一來便給隧道質(zhì)量檢測(cè)工作帶來了重重困難也給工程驗(yàn)收帶來了不少的麻煩.傳統(tǒng)的鉆芯法對(duì)隧道厚度、完整性的質(zhì)量問題進(jìn)行檢測(cè)由于其頻度低、速度慢、造價(jià)高、工期長、代表性比較差以及破壞性較大因此逐漸被驗(yàn)收人員不再作為首選.而無損檢測(cè)地質(zhì)雷達(dá)的興起，解決了這一長期困擾工作人員的問題.自上世紀(jì)90年代中期地質(zhì)雷達(dá)在我國問世以來，人們?cè)絹碓狡毡檎J(rèn)識(shí)到地質(zhì)雷達(dá)在公路、鐵路質(zhì)量檢測(cè)中的優(yōu)越性和成功性.我相信，隨著基礎(chǔ)工程建設(shè)和檢測(cè)問題的不斷提出以及廣大科技人員的不斷努力，地質(zhì)雷達(dá)能解決的問題會(huì)越來越多，涉及的領(lǐng)域會(huì)越來越廣，其自身的優(yōu)越性奠定了它在隧道質(zhì)量檢測(cè)領(lǐng)域的里程碑地位.

2 地質(zhì)雷達(dá)的工作原理

地質(zhì)雷達(dá)屬于地球物理探測(cè)技術(shù)的范疇，地質(zhì)雷達(dá)主要由控制單元、天線和界面單元組成，控制單元是雷達(dá)的核心部分，它是在計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)上配合信號(hào)發(fā)生觸發(fā)器、A/D轉(zhuǎn)換器共同組成.就地質(zhì)雷達(dá)而言，它是以被探測(cè)體內(nèi)的不同介質(zhì)具有不同的介電常數(shù)差異進(jìn)行探測(cè)的.在進(jìn)行探測(cè)工作時(shí)，地質(zhì)雷達(dá)向地下發(fā)射高頻電磁波在被探測(cè)體內(nèi)部傳播時(shí)會(huì)發(fā)生不同程度的衰減，遇到不同介電常數(shù)的介質(zhì)分界面時(shí)就會(huì)發(fā)生反射，反射波被探測(cè)表面天線接收極接收.通過處理分析所采集到的反射波的頻率、幅度和相位等信息，便可得到不同介電常數(shù)介質(zhì)的性質(zhì)、屬，以及反射面的深度和分布范圍.具體而言，波從介電常數(shù)小進(jìn)入介電常數(shù)大的介質(zhì)時(shí)，即，光疏進(jìn)入光密介質(zhì)，從高速介質(zhì)進(jìn)入低速介質(zhì)時(shí)，反射系數(shù)為負(fù)，即反射波振幅反向.反之，從低速進(jìn)入高速介質(zhì)時(shí)，反射波振幅與入射波同向.如從空氣中進(jìn)入土層、混凝土反射振幅反向折射波不反向.又如，表面松散土電磁性質(zhì)比較均勻，反射波較弱；強(qiáng)風(fēng)化層中礦物按深度分布，垂向電磁參數(shù)差異較大，呈現(xiàn)低頻大振幅連續(xù)反射；新鮮基巖中呈現(xiàn)高頻弱振幅反射，從頻率特性中可清楚地將各層分開.反射界面的深度可由公式D=V*Δt/2=C*Δt/2 (ξr1/2)求得.（C為電磁波在空氣中的介電常數(shù)，Δt為電磁波在襯砌介質(zhì)中的雙程旅行時(shí)間，ξr為介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)值）.地質(zhì)雷達(dá)工作原理如圖1所示：（與工程隧道地質(zhì)雷達(dá)有關(guān)的一些介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)見表1所示）：

圖1 地質(zhì)雷達(dá)工作原理示意圖

表1 常見介質(zhì)的介電常數(shù)和波速范圍

3 地質(zhì)雷達(dá)在隧道質(zhì)量檢測(cè)中的功能和應(yīng)用

3.1 襯砌混凝土的厚度檢測(cè)

襯砌混凝土厚度的分布情況是工程驗(yàn)收最重要的指標(biāo)之一.厚度的驗(yàn)收給工作人員出了一道難題，長期以來困擾著驗(yàn)收人員.鉆芯法在傳統(tǒng)驗(yàn)收中不但破壞性強(qiáng)且代表性差.地質(zhì)雷達(dá)作為一種新型的檢測(cè)方法被有效的利用，它的優(yōu)點(diǎn)在于破壞性小且連續(xù)性強(qiáng).自90年代雷達(dá)技術(shù)在我國應(yīng)用以來，其自身的特性奠定了其在檢測(cè)中的重要地位；就工程實(shí)例而言，圖2是地質(zhì)雷達(dá)在福建高速公路工程某隧洞內(nèi)所作的一項(xiàng)厚度檢測(cè)成果.本圖為實(shí)測(cè)雷達(dá)剖面，二襯設(shè)計(jì)厚度為40厘米，混凝土的配合比為C20從實(shí)測(cè)剖面看，10米范圍內(nèi)襯砌厚度：最后69厘米最薄43厘米，混凝土層與其后面的襯砌鋼拱架的反射界面清晰可見且連續(xù)性很好，圍巖的情況也清晰明了.經(jīng)過抽芯標(biāo)定速度后所得的結(jié)果于此完全相符.電磁波在混凝土層的傳播速度為0.125m/ns.

圖2 地質(zhì)雷達(dá)實(shí)測(cè)襯砌混凝土厚度圖

3.2 襯砌混凝土的膠結(jié)情況檢測(cè)

混凝土膠結(jié)不密實(shí)是隧道工程質(zhì)量中存在得主要病害之一.膠結(jié)不密實(shí)主要是由于混凝土的配合比和質(zhì)量達(dá)不到設(shè)計(jì)要求造成的.混凝土不密實(shí)由于分布范圍廣、分布不均勻且沒有規(guī)則性，因此傳統(tǒng)的質(zhì)量檢測(cè)很難檢測(cè)出所有的隱患；而新型地質(zhì)雷達(dá)通過使用IDSGras現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集軟件及IDSGRED/IN/LAYERING后處理軟件，所有的缺陷可以清晰地在雷達(dá)成果圖上顯示出來，測(cè)得膠結(jié)不密實(shí)的分布范圍和大小.圖3所示在福建高速公路工程某隧洞內(nèi)所作的一項(xiàng)厚度檢測(cè)成果.從實(shí)測(cè)雷達(dá)圖上可清楚的看到，在檢測(cè)段KX+269～KX290處在襯砌混凝土內(nèi)部反射波出現(xiàn)了強(qiáng)反射波組，反射波同相軸發(fā)生畸變且振幅明顯增強(qiáng)，呈現(xiàn)出起伏不定的波形，這些特征顯示此處襯砌混凝土內(nèi)部出現(xiàn)了比較大的局部不均勻變化，波形凌亂表明了此處的混凝土膠結(jié)密實(shí)度較差.

圖3 地質(zhì)雷達(dá)實(shí)測(cè)混凝土膠結(jié)情況圖

3.3 襯砌混凝土與圍巖之間是否存在脫空現(xiàn)象

混凝土與圍巖之間存在脫空情況也是襯砌施工中經(jīng)常出現(xiàn)的缺陷之一.由于混凝土的質(zhì)量不合格和施工工藝不當(dāng)，使得混凝土與圍巖沒有形成很好的膠結(jié)而出現(xiàn)的沒落情況在施工中時(shí)常發(fā)生.因此給工程的安全性、可靠性帶來了嚴(yán)重的隱患.要及時(shí)采取補(bǔ)救措施防止嚴(yán)重的工程事故發(fā)生，必須了解脫空區(qū)的確切位置和范圍大小.自雷達(dá)檢測(cè)在隧道中應(yīng)用以來，這一復(fù)雜問題便迎刃而解.圖4所示在福建高速公路工程某隧洞內(nèi)所作的一項(xiàng)厚度檢測(cè)成果.即檢測(cè)襯砌層灌漿施工后的灌漿效果檢測(cè)，從地質(zhì)雷達(dá)實(shí)測(cè)成果圖上可清楚地看到，反射波正反相間反射很強(qiáng)而且振幅明顯增強(qiáng)，脫空區(qū)連續(xù)蜿蜒，反射波同相軸依然連續(xù)清晰.這些特征表明了襯砌底部與圍巖之間存在空隙，根據(jù)雷達(dá)圖可以看到此處存在嚴(yán)重的脫空.脫空區(qū)的范圍大約13米左右.通過驗(yàn)證此處確實(shí)存在嚴(yán)重的脫空現(xiàn)象.

圖4 地質(zhì)雷達(dá)實(shí)測(cè)混凝土脫空現(xiàn)象圖

4 結(jié)論與建議

通過地質(zhì)雷達(dá)在福建高速公路工程某隧道襯砌質(zhì)量檢測(cè)中的工程實(shí)踐，我得到了以下幾點(diǎn)結(jié)論：

4.1 地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)隧道襯砌混凝土地厚度、混凝土地膠結(jié)密實(shí)情況、襯砌混凝土與圍巖之間是否存在脫空現(xiàn)象等一系列地工程問題是可行的.與傳統(tǒng)的檢測(cè)手段相比，地質(zhì)雷達(dá)是一種連續(xù)、便捷、高效、可靠、無損的新型檢測(cè)方法.

4.2 在工程實(shí)踐中我們發(fā)現(xiàn)，地質(zhì)雷達(dá)的優(yōu)越性勝過傳統(tǒng)的任何一種檢測(cè)方法，由于其自身的特性，在隧道襯砌質(zhì)量檢測(cè)方面不但效果較好而且準(zhǔn)確，造價(jià)低廉、工藝簡單，不失為一種長期質(zhì)量檢測(cè)的重要方法.但是基于目前這一領(lǐng)域人才比較缺乏，技術(shù)發(fā)展不夠完善，技術(shù)人員的地質(zhì)理論和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)不足，因此往往實(shí)測(cè)結(jié)果與實(shí)際情況存在誤差，準(zhǔn)確率在80%左右，低于理論值.但我相信隨著這一項(xiàng)技術(shù)在這一領(lǐng)域的逐步完善和經(jīng)驗(yàn)積累，在不久的將來雷達(dá)技術(shù)將會(huì)更有生命力.

4.3 自雷達(dá)在我國工程建筑應(yīng)用以來，在工程隧道質(zhì)量檢測(cè)的過程中的優(yōu)越性和成功性顯而易見.希望在今后的基礎(chǔ)工程建設(shè)中能更廣泛的利用這一科技為施工單位和指揮組織部門服務(wù)，使其成為工程建設(shè)中最有力的武器之一.

隨著我們基礎(chǔ)工程建設(shè)的相關(guān)規(guī)定越來越完善，在逐步超趕發(fā)達(dá)國家科技的過程中，地質(zhì)雷達(dá)將在工程建設(shè)中越來越重要，應(yīng)用越來越廣泛，將成為必不可少的檢測(cè)手段之一.

〔1〕2005年GSSI地質(zhì)雷達(dá)應(yīng)用技術(shù)研討會(huì)報(bào)告.

〔2〕趙大銘.地質(zhì)雷達(dá)方法與應(yīng)用.北京：地質(zhì)出版社.

〔3〕王惠濂.探地雷達(dá)概論.地球科學(xué)—中國地質(zhì)大學(xué)學(xué)報(bào).

〔4〕DGJ32/TJ79-2009.雷達(dá)法檢測(cè)建設(shè)工程質(zhì)量技術(shù)規(guī)程.

〔5〕肖兵，周翔，湯中田，探地雷達(dá)技術(shù)及應(yīng)用和發(fā)展[J].物探與化探，2014，20（15）.

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2016-11-24