浅谈地质雷达在隧道衬砌检测中的应用

浅谈地质雷达在隧道衬砌检测中的应用（通用9篇）

浅谈地质雷达在隧道衬砌检测中的应用篇1

浅谈地质雷达在隧道衬砌检测中的应用

文章系统地介绍了地质雷达的.测试原理、数据处理方法,通过对隧道混凝土衬砌质量检测实例较好地说明了地质雷达对隧道进行无损探测具有较好的工作效果.

作者：高文号 GAO Wen-hao 作者单位：安徽省港航勘测设计院,安徽,合肥,230011刊名：工程与建设英文刊名：ENGINEERING AND CONSTRUCTION年，卷(期)：200923(2)分类号：U455.91 U456.31关键词：地质雷达隧道衬砌检测

浅谈地质雷达在隧道衬砌检测中的应用篇2

隧道施工的过程中质量控制会受到诸多因素的影响，其中衬砌的质量是较为重要的影响因素。衬砌混凝土在施工中会出现密实度不够，厚度不达标，脱空等现象，这些都会影响隧道的正常使用和后期施工。因此，在施工中需要一种简单快速的检查方法来对其进行检测。传统的方式是利用目测、钻芯、水压、声波等，但是，这样的检测方法已经不再适用于目前的高节奏的施工进程,而采用地质雷达来对衬砌层进行无损伤的检测已经成了最为有效的方法。其高效率、无损伤、高精度、抗干扰的优势让地质雷达成了隧道衬砌的检测的普遍方式。

2 地质雷达系统的工作原理和系统简介

2.1 地质雷达实现检测的原理

常见的地质雷达主要由两部位组成，包括控制主机和信号天线。主机为雷达提供高频波信号，由天线进行发射和接收。电磁波从天线发出，在隧道内部的衬砌和岩层内进行传播，当遇到介质改变时就会发生反射，这些反射波被天线接收，并传回主机，主机则对其进行数字转化和记录、存储。而造成反射的除了岩层的裂隙外，衬砌的边界、内部孔隙、空洞等也会造成信号的改变。地质雷达就是利用这个原理来探测衬砌的质量。电磁波在发射和反射中的行程遵循以下公式[1]：

式中，z为反射物的深度，x为发射和接收天线间的距离，v为电磁波的速度。

当反射天线和接收天线间的距离很小时，就可以将其进行忽略，公式转化为：

这里，反射物的深度就与速度、行程相关。

在实际的试验中得出，雷达电磁波在介质中的传播速度和介质的相对介电常数相关，介电常数增加而速度降低，且这个规律在非磁介质中适用。而岩层和混凝土衬砌都是非磁介质。此时，雷达的波速可以利用公式：

式中，c为真空状态下电磁波的传播速度，其值为：c=0.3m/ns；εx为介质的介电常数；μx代表介质的相对导磁性能，这里的μx≈1。目前，通过试验测量出，干燥岩层的c值为0.11m/ns，而水是自然界中电磁波通过速度最低的物质，c值为0.033 m/ns上下。

而在利用雷达检测物质的时候，还会遇到不同介质交界面的反射系数，这个系数可以表示为：

式中，ε为介电常数，其中的1和2表示两个不同的介质。

从这个公式中可以看到，界面两侧的介电常数是决定反射系数的关键数据，也决定了雷达反射波的大小[2]。相邻的介质的介电常数差异越大，即介质差异越大就会引起强烈的反射波变化，也就可以在雷达图中明确的被显示出来得到识别。

以上就是地质雷达探测地质构造的基本原理。可见，其对介质变化的敏感特性正是其被用来探测隧道衬砌施工质量的重要原因。

2.2 应用中的雷达系统

地质雷达实际上就是一种宽带高频电磁波发生和接收、数据处理装置的组合，前面已经提到了其实现深层物探的基本原理，按照其原理常用的地质雷达主要由以下四个系统构成[3]：

1）主控系统[4]。这个系统是雷达的控制单元，是雷达的管理系统，由单机芯片构成组成，主要负责对测量给出指令。这个系统直接控制发射和接收系统，同时记录相关的数据信息。

2）发射装置。这个单元可以根据控制系统的指令产生相应频率的电子信号，然后利用天线将电信号转化为电磁波向指定地点进行发射，并在探测过程中保持电磁信号集中在检测对象范围内。

3）接收天线。这个系统主要负责将介质反射回来的电磁波转化成电信号，并以数字信息的形式记录下来。

4）辅助系统。主要是电缆、测量轮等保障装置或者辅助装置。

2.3 信息处理过程

在对隧道衬砌的检测中，这里用到的就是雷达测量的基本原理，即混凝土衬砌、喷射混凝土和岩层存在着明显的介电常数差异，所以在时间剖面图上各个界面存在着明显的分界[5]。实测数据经过处理可以形成时-深剖面图，对这个时-深剖面图进行分析就可以了解衬砌的浇注情况和内部质量情况。地质雷达数据处理的目标就是压制随机和规则的干扰，利用最大可能的分辨率在图像上显示电磁波的反射情况，并且利用反射波的参数来分析介质变化，以此来解释检测的结果[6]。从实际使用的情况看，地质雷达所提供的资料主要反应的是勘测范围内的介质电性变化，并将其转换为地质性分布，这时应当将地质、工程、雷达等相关的信息结合起来才能正确的诠释检测图像，得出准确的结论。

3 地质雷达在隧道衬砌检测中的应用

为了说明地质雷达在隧道衬砌检测中的应用过程和效果，下面将举例对整个过程进行说明。地质雷达在某工程的应用实例如下：

3.1 数据的采集过程

1）项目的概况。某高速公路的隧道全长为4.0km，施工采用的是新奥法原理，其衬砌为复合式。为了保证施工的质量，及时的解决施工中的质量问题，施工单位对隧道喷射混凝土的厚度、钢拱架的分布、支护钢筋、二次衬砌的质量、脱空区等项目进行了地质雷达的检测。

2）测量线路布置。为了能全面的了解施工的质量，保证检测数据的全面、准确、可靠，技术人员将隧道整个顶弧分为拱顶、左拱腰、右拱腰、左边墙、右边墙五个部分，并按照测点纵向布置测线。

3）测量流程。在实测中，技术人员将雷达时间剖面上的各个测点的位置和隧道的里程关联起来。为了保证测点的准确，在隧道上均匀的做好标识，并记录里程。检测时，测量人员按照标记进行信号的输入，在雷达记录中进行阶段性的标记，这样就可以在内业处理时将隧道逐段分割，并将时间剖面图与标记结合，确定某个区间内是否存在问题，以便针对性处理。在测量中采用的参数为：采集方式为连续测量；扫描点数为512；自动增益；900MHz和500MHz天线的时间窗分别为15ns和50ns。

3.2 后期数据处理

完成数据采集后，将雷达数据输入计算机，配合相关的软件，对数据进行滤波、褶积处理，已到达突出有效信息，减弱干扰波影响的效果。重点是对波形进行调整，目的是将异常的雷达图像清晰化。这样就可以从地质雷达的图像中判断隧道顶部的异常，即异常的具体规模、形状等，再根据岩层、含水量等情况确定异常物的深度。最终实现得到测线的雷达图像，然后以此对隧道施工的质量进行评价[7]。

3.3 雷达图像的分析解析

经过前面的图像处理，在分析中按照相位和振幅进行跟踪，确定隧道衬砌层的所呈现的异常图像。从而推断出隧道的衬砌层中的各个施工项目的质量情况，具体包括钢筋数量、分布状态，衬砌层的质量是否达到了标准的厚度、密实度，还有衬砌层与岩层的结合情况。

1）钢筋工程的检测分析。在隧道施工中这种形态常常出现在洞口的边缘。主要发生在采用钢筋混凝土进行衬砌支护的明洞工段或者岩层类别较低的工段。衬砌中钢筋是电的良性导体，因此对雷达信号具备了强烈的反射能力，其图像异常主要为点状信号和月牙状亮点，且分布规律，图像中每一个月牙状亮点就对应一条钢筋，如图1所示。其坐标为衬砌层厚度和雷达每秒扫描的范围。

2）脱空区检测分析。施工中出现衬砌混凝土与岩层结合不够紧密的情况时，混凝土和围岩之间就会出现空隙，而空隙中的空气和混凝土、围岩的介电常数差异明显，电磁波在混凝土和空气之间会产生强烈的反射。在脱空区较大的时候，围岩界面比较清晰，在地质雷达检测形成的图像上往往表现为混凝土层以下出现多次反射波，同相轴呈现弧形，并与相邻的结合紧密的隧道发生相位的变化，且能量增强。在检测中可以利用雷达波的走时和介电常数估算出脱空规模的大小，并以此确定脱空区的范围，为后期处理提供依据，如图2所示。

3)衬砌内部裂缝的探测分析。在实例中,某段围岩和混凝土的介电常数差异较大,因此从后期制作的图像中可以明显的分辨二者的界面。在隧道的衬砌施工中,尤其是二次衬砌施工,会因为各种因素造成裂缝,而裂缝的大小和性质将影响衬砌的功能。如图3,就可看出,在裂缝存在的地方, 地质雷达反射波层面突然中断, 波形极不规则,与周围图像很不协调。

4）混凝土黏结情况的分析。在隧道衬砌施工中，因为工艺和混凝土质量原因，往往会引起混凝土内部黏结不紧密的情况，这时也会对雷达波产生强烈的反射，但是这种反射不会形成双曲线形态。它的主要特征是表现在振幅的变化,即与周边反射面相比,振幅显著增强,且反射界面有不规则的轻微错断现象,为我们正确合理地划定混凝土黏结差异地段提供了异常特征[8],见图4。

4 结语

地质雷达系统是一种较为先进的无损检测技术，在对隧道衬砌的检测中获得了普遍的认可。在判断衬砌厚度、钢筋密度和脱空情况时，其优势更加的明显，通过为施工技术人员提供直观、可靠的时间剖面图，帮助技术人员及时掌握衬砌施工质量优劣，并可以利用计算机来具体估算将质量问题量化，以供后期处理参考，因此在实际的应用中得到了推广和提高。

摘要：随着交通基础建设规模不断扩展,公路工程施工中的隧道工程也随之增加,对隧道工程的质量要求也越来越高。在这样的需求推动下,无损伤检测技术成为了隧道检测技术的主流技术,其中地质雷达检测技术成了隧道衬砌质量控制的最佳选择。

关键词：地质雷达,工作原则,实测分析

参考文献

[1]邓洪亮,张先哲,宋建军,董来启.地质雷达探测隧洞工程质量实例与分析[J].水利与建筑工程学报,2008(4):55-58.

[2]肖宏跃,雷宛,孙希薷,黄妙丹.隧道衬砌质量缺陷的探地雷达图像分析[J].工程勘察,2008(8):62-64.

[3]张智蔚,孙杨勇,陈强.公路探地雷达技术在隧道检测中的应用探讨[J].公路交通科技(应用技术版),2008(4):238-241.

[4]吴刚.地质雷达在隧道初期支护质量检测中的应用[J].贵州工业大学学报(自然科学版),2008(4):12-15.

[5]周立军,董荣伟,徐波,杨永清.探地雷达在城市地质调查中的应用[J].工程地球物理学报,2009(5):68-69.

[6]裴巧玲.地质雷达在隧道衬砌质量检测中的应用[J].常州工学院学报,2009(5):28-29.

[7]李旭,顾凤林,刘明.地质雷达在铁路隧道衬砌探测中的应用[J].工程地球物理学报,2009(6):38-41.

浅谈地质雷达在隧道衬砌检测中的应用篇3

关键词：地质雷达；衬砌缺陷；隧道衬砌质量；雷达检测；铁路工程文献标识码：A

中图分类号：U414 文章编号：1009-2374（2016）14-0047-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.14.024

隧道工程的地质条件一般情况下较为复杂，其施工难度大、环境恶劣，对施工工艺和施工工序要求较为严格，一旦卡控不严就很容易导致隧道质量缺陷。铁路建设单位为保证行车安全，越来越重视隧道的施工质量，由于地质雷达无损检测技术，具有操作简便、检测效率高、检测结果准确等优点，被广泛地应用于铁路隧道衬砌质量检测中。本文首先介绍了地质雷达无损检测的基本原理，然后结合隧道施工、检测的实际情况给出了几种常见的隧道衬砌缺陷类型，并从施工角度分析了衬砌缺陷的形成原因，同时针对每种缺陷类型给出了对应的典型的地质雷达检测图像，分析了缺陷图像特征，为隧道衬砌质量检测数据分析工作提供指导，最后给出了地质雷达应用于隧道衬砌检测的实例。

1 地质雷达缺陷检测的基本原理

1.1 地质雷达隧道检测理论基础

地质雷达检测隧道衬砌质量是利用工程介质不同介质的电性差异来实现的。地质雷达系统将高频电磁波向工程介质发射，当电磁波穿透工程介质时，由于不同的工程介质或者工程介质与缺陷介质存在着电性差异，电磁波将在电性不同的介质界面发生反射。地质雷达就是根据介质的反射波特性以及电磁学性质来揭示工程介质内部结构和缺陷的，地质雷达的工作原理如图1所示：

1.2 电磁波在衬砌不同介质中的反射特性

电磁波在传播过程中遵循波的反射和折射定律，一般雷达电磁波被认为是近垂直入射，对于非磁性介质而言（如混凝土等），反射系数R可简化为：

式中，、为反射界面两侧介质的相对介电常数，由式（1）可知，相邻介质的介电常数差异越大，则反射信号超强烈。

而对于金属良导体（如钢筋、钢架等），反射系数R则简化为另一种形式：

式中，为电磁波的角频率；为金属的电导率。从式（2）可以看出，由于金属的电导率趋于，即当电磁波传播至钢筋、钢架时，电磁波将发生全反射。

2 衬砌缺陷的形成机制及雷达图像形态特征

分析隧道衬砌缺陷形成原因，研究不同缺陷在地质雷达图像中的形态特征，对于隧道衬砌缺陷的辨识有很大的帮助，下面就四种常见的隧道缺陷进行分析：

2.1 各种衬砌空洞

衬砌空洞可能存在于隧道衬砌的任何部位，衬砌空洞不仅会造成衬砌混凝土开裂，严重者还会使衬砌产生掉块，危及行车安全，更有甚者会使围岩失稳。混凝土与空气或混凝土与水的介电常数差异很大。通过上述可知，不管空洞内有没有水的存在，电磁波在空洞处都会产生强烈的反射，这种强反射在雷达图像上可以比较清晰地表现出来。按照空洞出现位置及成因的不同，主要可以分为以下两种：

2.1.1 防水板与初支之间的空洞。此类空洞多是由于光面爆破效果不好或者防水板铺设不当造成的。

2.1.2 防水板与衬砌之间的空洞。在浇筑二次衬砌时，如果混凝土灌注不满，加上混凝土本身存在的“干缩”现象，往往会在衬砌中形成空洞，受混凝土流动性影响，空洞多集中于拱顶、拱腰部分。这类空洞一般表现出连续性，且纵向尺寸较大。为了解决这个问题，隧道在设计时往往会在拱顶设计一定数目的注浆孔，以留作后期二次注浆之用。

2.2 衬砌不密实

2.2.1 混凝土内部不密实。混凝土内部不密实可能是由于混凝土振捣不充分、漏浆或者混凝土离析等原因造成的，这时混凝土内部一般呈蜂窝状或者松散状。这类问题一般容易出现在钢筋混凝土或隧道仰拱填充中。

2.2.2 仰拱虚渣、积水。按照施工要求，隧道充填混凝土层和仰拱应该分开浇筑，图2为隧道仰拱上表面积碴、积水导致仰拱和仰拱填充层交界面不密实。

2.3 钢架及二衬钢筋数量

当隧道围岩较差时，为了增加衬砌的支护抗力，一般在初期支护中加设钢拱架，同时使用钢筋混凝土作为二次衬砌来共同承担围岩压力和变形。钢拱架、二衬钢筋数量不足将严重危及隧道结构安全，给线路运营期间行车安全埋下巨大隐患。钢架及二衬钢筋数量的判识较为简单，二衬钢筋在地质雷达图像上呈现为连续的小双曲线形强反射信号，

而钢拱架则呈现为分散的月牙形强反射信号，如图3所示：

2.4 衬砌厚度不足

衬砌厚度不足属于隧道工程质量通病，多是由于隧道欠挖所致。衬砌厚度不足会导致衬砌表面发生裂缝，造成混凝土掉块，影响行车安全。

3 工程实例

3.1 地质雷达检测隧道二衬脱空的应用实例

图4为西南某隧道D1K191+485-480拱顶雷达图像，拱顶二衬设计厚度为45cm，从图像可以看到，D2K81+483-486段，深度约20～50cm范围内有反射界面，且界面下方形成多次反射，判断为二衬脱空，脱空高度约20～25cm。使用冲击钻钻孔验证结果与雷达图像判识结果一致，现场验证照片如图5所示。

3.2 地质雷达检测二衬钢筋数分布的应用实例

图6为西南地区某隧道D8K147+845-850右边墙雷达图像，设计钢筋间距为25cm，标示了边墙纵向施工缝上1.5m处测线和边墙纵向施工缝上2m处测线。图7可以看出平均钢筋间距约为50cm，而此测线上方0.5m处的测线即显示钢筋并不缺少，经分析推测形成图7的原因可能是边墙插筋与二衬钢筋之间扎丝脱落，灌注混凝土时，造成二衬钢筋向后挤密、上浮，无损检测时，二衬钢筋信号被长插筋信号遮挡，经过现场破检检查发现结果与推测一致。

3.3 地质雷达检测隧底片石混凝土填充应用实例

隧底填充片石混凝土的情况时有发生，往往是由于施工队伍安全意识淡薄、偷工减料所致。图8为西南地区某隧道D1K191+495-500隧底雷达图像，该段仰拱设计厚度为45cm，填充为91.5cm，从图中可以看到D1K191+495-498段，深度40～100cm范围内雷达反射信号较强，且杂乱无章，判断异常信号为混凝土填充不密实。经钻芯取样发现此处混凝土夹杂大量片石，最大片石充填深度范围为1m。

4 结语

地质雷达法检测隧道衬砌质量具有无损、快速、经济等特点，因此在检测铁路隧道施工质量方面具有非常重要的应用价值。它不仅可以准确地检测出隧道衬砌的厚度，还可以反映出衬砌内部缺陷，由于其操作简单，因此可以对施工中或者运营中铁路隧道进行大面积检测。通过大量隧道衬砌质量检测资料的积累和分析，总结各种缺陷图像的特征，对同类隧道质量检测具有非常重要的指导意义。

参考文献

[1] 李二兵，谭跃虎，段建立.地质雷达在隧道工程检测中的应用[J].地下空间与工程学报，2006，2（2）.

[2] 李大心.探地雷达方法与应用[M].北京：地质出版社，1994.

[3] 李晋平.地质雷达在铁路隧道工程质检测中的应用

[J].中国铁道科学，2006，（3）.

作者简介：黄潘（1983-），男，湖北人，铁道第三勘察设计院集团有限公司工程师，工学硕士，研究方向：岩土工程。

隧道钢筋地质雷达检测技术的研究篇4

探地雷达是岩土工程检测中较为经济、高效检测工具之一,在检测混凝土内钢筋的位置与数量方面的应用效果与钢筋的直径及间距以及天线分辨率有很大关系,文章利用900 MHz天线在检测隧道二衬中第一层钢筋的位置与数量具有良好的.效果,但对第二层钢筋的检测效果不佳,钢筋相互干扰的问题仍是以后雷达检测中值得研究的方向.

作者：俞侃朱自强 YU Kan ZHU Zi-qiang 作者单位：俞侃,YU Kan(肇庆市广贺高速公路有限公司,广东,四会,526040)

朱自强,ZHU Zi-qiang(中南大学,信息物理工程学院,湖南,长沙,410083)

刊名：企业技术开发（学术版）英文刊名：TECHNOLOGICAL DEVELOPMENT OF ENTERPRISE 年，卷(期)： 28(3) 分类号：U456.31 关键词：地质雷达检测质量

浅谈地质雷达在隧道衬砌检测中的应用篇5

超前地质预报在淘金山隧道施工中的综合应用

1 前言向莆铁路淘金山隧道位于福建省沙县境内,设计为单洞双线.隧道全长8093m,洞身最大埋深252.77m,最大开挖断面145m2.该隧道为我指挥部地质条件较复杂的.隧道,为了有效防范并降低施工风险,做到隧道开挖支护为动态施工,通过采用综合超前地质预报手段,即地质素描法、超前水平钻孔法、TSP203法,以获取开挖面前方不良地质信息,便于及时调整隧道施工方案,指导隧道安全施工,避免发生地质灾害.经现场施工应用,预报工作取得了较好效果,基本满足了施工现场安全的要求.

作者：余广胜作者单位：南昌铁路局永安工务段刊名：海峡科学英文刊名：CHANNEL SCIENCE年，卷(期)：2009“”(5)分类号：U4关键词：

地质雷达在隧道检测中的应用分析篇6

地质雷达在目前的隧道检测中应用非常广泛, 其优点主要有高分辨率、高准确性、现场检测操作方便。然而在现场的检测过程中, 有很多的因素都会对检测结果产生影响。如何辨别是那种因素产生的影响, 是我们在今后的检测过程中积累经验。

2 地质雷达法检测原理

地质雷达法又称探地雷达法, 是基于地下介质的电性差异, 向地下发射高频电磁波, 并接受地下介质反射的电磁波进行处理、分析、解释的一项工程物探技术。其工作过程是由置于地面的发射天线送入地下一高频电磁脉冲波, 当其在地下传播过程中遇到不同的目标体 (岩土体、溶洞等) 的电磁界面时, 就有部分电磁能量被反射折向地面, 被接收天线接收并由主机记录, 得到从发射经地下界面反射回到接收天线的双程走时t。当地下介质的波速已知时, 可根据测到的准确t值求得目标体的位置及埋深。

实测时将地质雷达的发射和接受天线紧贴于衬砌表面, 雷达波通过天线进入砼衬砌中, 遇到钢筋、拱架、材质差的砼、砼中间的不连续面, 砼与空气的分界面, 砼与岩石分界面等产生反映, 接受天线接受到反射波, 测出反射波的入射、发射双向走时, 就可算得出反射波走过的路程长度, 从而求天线距反射面的距离D, D=V*△T/2, 其中△T为雷达波从发射至接受到反射波的走时, V为雷达波的行走速度, 速度与物质介质有关,

雷达天线可沿所检测线连续滑动, 所测的每个测点的时间曲线可以汇成时间剖面图象, 就能直观地反映出各种不同的反射面。

由 (1) 式可得:Z= (t2V2-X2) 1/2/2 (2)

在 (2) 式中, V、X均为已知值, Z:目标距天线的距离X:天线接收距离V:电磁波在介质中的传播速度, 是介质介电常数ε的函数, 需事先准确确定。t为测试值, 这样就可以计算出天线到介质 (或异常介质) 的距离或衬砌厚度。

3 地质雷达的应用分析

3.1 钢筋和钢架的区分

在隧道的施工过程中, 根据围岩的类别不同, 钢筋和钢架的布置不同。在VI类围岩中, 初期支护布置钢架, 衬砌中布置双层钢筋, 横向间距为25cm, 纵向间距为20cm。但在如下的分析图形中, 无法辨别第二层钢筋以及初期支护的钢架分布 (图1) 。在II类围岩中, 初期支护采用表面喷射混凝土, 衬砌中布置格栅钢架, 纵向间距为300cm。在如下的分析图形中, 就能清楚的辨别格栅钢架 (图2) 。

综合以上两张图形分析:在图1中对钢架进行评定, 衬砌中的钢筋对其有明显的影响, 根本无法识别钢架。钢筋的强反射信号掩盖了背后的很多隐蔽物。

3.2 隧道仰拱的检测

针对隧道仰拱的检测, 我们对同一里程的位置在不同的龄期进行检测。检测分析图形如下:

通过对以上图形的对比分析, 随着龄期的增长, 隧道检测得出的图形相对比较清晰, 即使在深度为1.2m~1.6m范围内的钢筋反射信号也能清楚识别、分层界面明显 (图4) 而在 (图3) 中就达不到这种效果。龄期同样会对检测结果产生影响。

4 结束语

地质雷达在隧道检测中有其优势, 但也避免不了其他因素的影响, 现场检测应根据检测要求分别制定检测方案, 以达到最佳的检测效果。 (1) 对于评价初期支护中的钢架, 应在浇筑衬砌之前进行检测。 (2) 混凝土龄期对隧道的检测结果有明显的影响, 随着龄期的增长, 检测效果会更好, 但是在那一时间段进行检测, 还没有明确的规定。

在隧道检测过程中存在的影响因素比较多, 在以后的检测工作中尽量避免这些因素的影响是我们获得准确资料的保障

摘要：在隧道的施工过程中, 常通过地质雷达法对施工阶段的隧道进行检测, 以保证隧道的施工质量。本文系统的介绍了地质雷达法的检测原理, 并结合工程实例, 对隧道检测过程中出现的影响检测结果的因由进行了分析。

关键词：隧道检测,地质雷达,检测

参考文献

浅谈地质雷达在隧道衬砌检测中的应用篇7

1 地质雷达天线频率的选择问题

地质雷达的频率选择不具有盲目性, 频率高低的地质雷达使用环境。频率高的雷达天线发射雷达波主频高, 分辨率强, 精度高, 但是传播过程耗能率大, 预测深度较浅;相反频率低的雷达天线发射频率主频低, 分辨率弱, 精度相对较低, 但是探测过程耗能率不高, 探测深度也较为深。频率高的天线发射雷达波主频高、分辨率高、精度较高、能量衰减较快、探测深度较浅[1,2]。因此, 选用雷达天线时要根据隧道混凝土衬砌厚度和岩层厚度等综合条件来考虑。

2 里程的标记问题

为了在预测、检测过程中实时定位标记。可以如下操作。在隧道检测断面处 (最好是高度1.6米边墙位置) 用红色油漆笔做一个标记, 注明桩号。当雷达天线到达此位置时, 由仪器操作员按照红色油漆标注桩号实时输入信号和桩号, 同时, 天线继续匀速移动[3], 直至到另外一个标记点处重复操作, 这样就把隧道内壁里程和仪器采集点一一对应起来了。

由于隧道岩壁走向不是真正意义的直线, 而是起伏蛇形前进, 所以, 在采集信息的时候, 一定要注意核对。核对记录里程和实际桩号里程;核对首末标及关键断面里程等。

3 地质雷达天线重量大、体型大问题及解决办法

有过隧道检测工作经验的朋友会深有体会, 那就是实际检测过程中操作设备负重太大、笨重且体积较大[4], 往往造成扶天线的工作人员不堪重负。

对于现有技术, 我认为可将电池供电改为外部供电 (利用电瓶在外部供电) 以减轻雷达天线重量。在天线原材料选择时, 可选取轻质、硬度大的材料。如果检测公司条件允许可研制专用的隧道检测车, 这样可以大大增加安全度, 检测人员的施工是我们不应提倡的, 也不符合现场施工安全制度。

4 隧道专用检测车的设计问题

上面已提出:对于新建或既有隧道的拱部进行检测时, 密贴天线在衬砌表面是很困难的。其中最主要的一个原因就是作业人员无专用操作台不方便操作造成的。从而提出隧道专用检测车的设计问题。

以往隧道检测车, 检测一公里隧道需要一个月的时间, 而日本的一家公司研制出的隧道检测车, 完成以上任务只需要一周的时间。原因在于隧道检测车中安置了180°多探头, 且利用3D成像技术。这样很多信息会随着车辆的移动迅速采集到计算机内, 检测人员内业中对图片进行分析处理, 对于出现问题的部位, 再次回到现场进行二次检测。这种技术精度极高, 譬如对于0.2m m的裂缝也能清晰的检测到。我们可以借鉴这样的检测车设备, 但是对于高空作业的检测, 需要在这样的检测车上架设特殊结构, 结构上方用于安置雷达天线设备;为了保证岩壁和天线贴实度, 在地质雷达下部加设自动感应弹簧伸缩装置给天线加力, 使其密贴;在地质雷达上部安装不阻挡天线信号的抗磨材料来保护天线;就目前而言, 所检测的测线并非完全意义上的直线, 大多存在左右或上下摆动, 造成天线沿衬砌表面呈曲线前进或局部存在脱离衬砌表面, 所以要在检测车上安设导向装置, 使天线的走向 (地质雷达测线) 成真正意义上的直线。

5 空洞定位问题

隧道检测过程中, 测线附近的情况也可以通过一条测线检测出来, 所以如何定位测线附近的空洞位置和空洞结构形态成为一个比较困难的问题[5]。

当当存在这种情况时, 如只采用一条测线对空洞进行精确定位是比较困难的。我认为如若在其空洞位置正交补测一条或多条短测线, 则可通过两个、多个地质雷达剖面图像进行立体分析, 可对空洞进行精确定位。但对于空洞存在的规模 (空洞高度) 仍不能准确定量。这是因为:雷达波在空洞的波速无法准确给定, 空洞第二界面的反射波特征很难确认, 从而导致空洞的高度无法准确定量。即使有些检测单位给出了空洞深度, 也仅能作为参考。

6 测试规程的制定、标准图谱库的建立

由于目前利用地质雷达在隧道检测过程中还无国标规范可言, 大多都是按照厂家规定基本操作规程, 按照经验进行处理分析操作, 这样就产生了隧道检测结果的多样性, 对于同一个断面, 由于处理不当, 也会产生结果的混乱。因此, 我认为应尽快制定相应的测试规程以适应雷达检测发展的需要。

7 结束语

在充分处理好上述地质雷达在隧道工程质量检测中遇到的技术问题之后, 将会使地质雷达在隧道检测中的应用得到更高层次的发展, 以满足新建隧道质量检测和既有运营隧道的技术状况检测的需要, 使地质雷达检测方法成为我国的基础设施建设中不可缺少的力量。

摘要：地质雷达利用高频电磁波对不可见目标体进行扫描探测, 以确定其内部结构形态和位置, 在隧道检测中具有无损、快速和高分辨率等特点。本文阐述了地质雷达工作原理及其探测方法, 并结合实践经验对地质雷达在隧道检测中存在的天线频率的选择、天线重量的轻型及小型化、隧道检测专用台车、空洞准确定位、标准图谱库建立等问题给出了一些建议。

关键词：地质雷达,工程检测,隧道混凝土衬砌

参考文献

[1]李大心.探底雷达方法与应用[M].北京地质出版社, 1994.

[2]郭有劲.地质雷达在隧道衬砌质量检测中的应用效果.地质装备, 2012.

[3]魏超, 肖国强, 王法刚.地质雷达在混凝土质量检测中的应用研究.工程地球物理学报, 2014.

[4]夏才初, 潘国荣.土木工程监测技术[M].中国建筑工业出版社, 2001.

浅谈地质雷达在隧道衬砌检测中的应用篇8

在隧道施工中,尤其是地质条件复杂的隧道工程,超前地质预报越来越广泛的应用,它关系到工程的安全、质量、成本和进度。我国西南部多为山区,隧道施工过程中地质灾害经常发生,如冒顶、塌方和涌水等[1,2,3]。

为了保证隧道工程的施工安全、工程质量和工程进度,这就需要在隧道开挖前方的危险地质地段进行超前地质预报,及时调整加固措施或支护参数[4]。

1 地质雷达探测的基本原理

地质雷达探测属于波反射法,是利用超高频(106 Hz～109 Hz)窄脉冲电磁波探测介质分布的一种地球物理勘探方法。地质雷达工作时,在主机控制下,发射机发射周期性信号,信号遇到介质的非均匀体时,产生反射信号,反射信号再传输到接收机,再经电缆传输到雷达主机,最后把数据通过雷达处理分析系统进行处理,得到可识别的波相图,对波相图进行定性解释。

地质雷达探测的工作原理示意图见图1。

2 雷达波的识别

首先,把掌子面反射波在雷达剖面图像中确认出来,再逐段地分析雷达图像的同相轴连续性和波形、振幅、波长的分布特征,识别异常现象,判别其异常属性,通过图像波相的识别达到对雷达图像的定性解释,比如对于破碎围岩,同向轴不连续,波形杂乱,振幅,波长变化较大。

几种典型地质与雷达图像特征的简要关系见表1。

3 工程实例

3.1 工程简介

隆兴Ⅱ号隧道位于贵州省北部习水县隆兴镇,隧道进口距习水至隆兴公路大约100 m,出口距村道30余米,交通比较方便。设计为上下行分离式长隧道,左线起讫桩号为ZK83+845～ZK85+036,长度为1 191 m;右线起讫桩号为YK83+826～YK85+045,长度为1 219 m。

隧道区地层结构为第四系残坡积层(Q $_{4}^{e l + d l}$ ),下伏三叠系夜郎组第三段、第五段泥岩及第四段灰岩夹泥岩,第四系残坡积层在隧道范围均见分布,厚度不大,在沟谷中较厚,陡坎斜坡段基岩裸露,三叠系泥岩强风化较厚,岩体节理裂隙极发育,岩体极破碎,灰岩强风化较薄。中风化泥岩节理裂隙较发育,岩体较破碎～较完整;中风化灰岩,岩质较硬,岩体节理裂隙较发育,岩体较完整。

3.2 数据采集

隧道开挖到左线ZK84+545,掌子面岩体以中～强风化泥灰岩为主,左下部出现管状涌水,岩层层间结合度差,岩体节理、裂隙发育,岩体破碎,呈碎裂状构造,岩体自稳能力差,开挖过程中拱顶易产生掉块现象,判断前方可能有溶洞。为了施工安全,对该掌子面前方做超前地质预报进行探测。

本次探测采用了意大利IDS公司生产的RIS-K2最新型探地雷达设备,该天线主要用于地质勘测,如节理带断裂带分布、地下溶洞及地下水分布、滑坡分析、隧道超前预报等方面。本次量测中选择40 MHz屏蔽天线对隧道开挖掌子面前方0 m～30 m范围内进行短距离超前地质预报。

探测范围为掌子面前方30 m内的围岩,共采集四组数据,则在掌子面上共布置测线4条,沿水平方向布置1条,垂直方向布置3条。采集数据前,要对地质雷达进行参数设置,参数包括时间窗口大小、扫描点样点数、增益点等内容;采集数据过程中,先沿水平方向自右往左连续地移动,同时发射和接收电磁波,再自左往右移动,然后沿每条纵线先自下向上,再自上向下进行探测。此外,地质人员需对现场地质情况做好详细记录。

隧道断面形式及测线布置见图2。

3.3 地质雷达预报结果

使用中国矿业大学研制的GR雷达处理分析系统对收集的数据进行处理,可得到掌子面至ZK84+515段的地质雷达扫描图像,见图3。

本次探测中,围岩岩性为强风化泥灰岩,岩体结构基本破坏,岩体破裂成大小不一的碎块,由于粒度的不均一性,强风化带内反射波强度加大,反射波同相轴连续性较差。结合掌子面围岩情况,其探测的主要成果为:

1)ZK84+545～ZK84+543(2 m)为强风化泥灰岩,岩石破碎,伴有大量的裂隙水,总体为Ⅴ级围岩;

2)ZK84+543～ZK84+539(4 m)为强风化泥灰岩,岩石破碎,总体为Ⅴ级围岩;

3)ZK84+539～ZK84+533(6 m)为多水强风化泥灰岩,岩石破碎,总体为Ⅴ级围岩;

4)ZK84+533～ZK84+515(18 m)为强风化泥灰岩,岩石破碎,总体为Ⅴ级围岩。

根据探测结果,建议施工单位在ZK84+545处洞外开始地表注浆,洞内开始打超前小导管加强拱顶支护,并按照“短进尺,弱爆破,强支护,勤量测”的施工方案进行隧道开挖,保证隧道施工的安全。后由开挖结果证实,掌子面开挖至预报里程没出现溶洞,而是围岩节理、裂隙发育,岩体破碎。开挖结果表明,由预测结果所采取的措施有效保证了隧道施工的安全,并且节约了成本。

4 发展前景

地质雷达探测技术在隧道施工中的成功应用说明,在隧道开挖中,尤其是在不良地质(破碎带、水、溶洞),使用地质雷达做超前地质预报是比较可靠和精确的,能提供可靠的依据来指导施工,且能快速、直观地提供准确的成果。因此,地质雷达探测技术在各个领域应用会越来越广泛,尤其是在解决许多复杂的工程地质问题上,弥补了钻探工作的不足,大大地缩短了工期、节约了成本,提供更准确、更详细的地质信息,为工程设计和施工提供科学依据。

摘要：介绍了地质雷达的基本原理,总结了图像波的识别方法,以地质雷达在隆兴Ⅱ号隧道超前地质预报中的应用为例,说明地质雷达探测技术能够准确地指导隧道施工,最后对地质雷达探测技术进行展望并加以推广。

关键词：地质雷达,超前地质预报,隧道,探测

参考文献

[1]曾昭璜.隧道地震反射法超前预报[J].地球物理学报,1994,37(2):218-230.

[2]何振起,李海,梁彦忠.利用地震发射法进行隧道施工地质超前预报[J].铁道工程学报,2000(4):81-85.

[3]李忠.TSP2202探测系统在新倮纳隧道地质超前预报中的应用研究[J].地质与勘探,2002,38(1):86-89.

[4]叶观宝,宋建.地质雷达在公路隧道短期地质超前地质中的应用[J].勘察科学技术,2010(20):49.

[5]韩桂武,王天佑,刘斌,等.地质雷达预报及检测隧道病害的问题研究[J].勘测科学技术,2007(2):59-60.

浅谈地质雷达在隧道衬砌检测中的应用篇9

隧道塌方是指隧道掌子面、隧道两侧或隧道拱顶出现向下坍落的现象,其中拱顶的坍塌量较大时,会堵塞成型的洞身,在坍塌体和坍落后的围岩之间形成空腔。小规模的塌方在隧道施工过程中十分常见,而大规模的隧道塌方则往往造成恶性事故,导致人员伤亡和严重的经济损失。隧道塌方的诱发因素较多,主要包括不良地质及水文条件、施工方法不当、设计考虑不周、支护未及时跟上等等,完全在施工中避免坍塌以现有的施工技术是很难达到的。

地质雷达(GPR)法是利用无线电波检测地下介质分布和对不可见目标或地下界面进行扫描,以确定其内部形态和位置的电磁技术。地质雷达探测具有连续、无损、高效和高精度等优点,目前在隧道地质超前预报、衬砌与围岩脱空检测、衬砌厚度检测、衬砌内部钢筋检测及岩溶普查等方面均得到了广泛的应用。

1地质雷达工作原理

地质雷达探测系统一般由主机、发射天线、接收天线及配套软件等组成,其中发射天线和接收天线同置一体时称为屏蔽天线,分体时则为非屏蔽天线。发射天线按照确定的方向,将高频电磁波以宽频带脉冲形式向地下或进深方向发射,在均匀介质中,电磁波以一定速度传播,当遇到有电性差异的地层或目标体时,电磁波就会发生反射,返回到地面或探测点,被接收天线接收并由主机记录,得到从发射经地下界面反射回接收天线的双程走时t(见图1)。

$t = \frac{\sqrt{4 z^{2} + x^{2}}}{v}$ (1)

式中:z——地层分界面或目标体的深度;

x——发射天线和接收天线之间的距离;

v——电磁波在介质中的传播速度。

当已知介质的波速时,可根据测得的时间t,并对反射电磁波的频率和振幅等进行处理和分析,即可求得目标体的位置、深度和几何形态。对于低频天线,在实际应用中z远大于x,故目标体的深度为:

$z \approx \frac{t v}{2}$ (2)

2地质雷达探测塌方空腔的方法

地质雷达探测的本质是利用不同物体介电常数的差异,两种物体介电常数的差异越大,反射波信号越强烈,雷达图像就越明显。塌方空腔内一般是空气,空腔下方是坍塌体,腔壁即围岩,空气的介电常数是1,而岩石的介电常数一般为5～15,两者之间有着较为明显的物性差异,电磁波在这两种介质的接触面上能产生反射信号。因此,塌方空腔的雷达回波特征应该和地下防空洞、空溶洞相似。

地质雷达的探测方式分为点测和连续测量,点测适用于工作环境恶劣的情况,而连续测量要求测量面较平滑,且需保证天线的匀速移动,故探测塌方空腔时采用点测方式较好。

雷达天线的频率一般为50～1 200,低频率的天线探测深度较深,但精确度不高,常用于隧道掌子面前方的地质超前预报;高频率的天线探测深度较浅,但精确度高,一般用于隧道衬砌及路面探测等。若预估塌方空腔规模较大,可选择100 MHz或150 MHzAbstract:的天线,如果规模不大,可选择400 MHz左右的天线。

3应用实例

下面介绍地质雷达在浙江省某两条高速公路隧道中的塌方空腔探测情况。隧道1全长约500 m,地层岩性为中风化的云母石英片岩,节理裂隙发育,部分区域存在破碎带,地下水较丰富;隧道2全长约900 m,围岩为中风化的凝灰岩,节理裂隙发育,地下水主要为风化裂隙水。

使用美国GSSI公司的TerraSIRch SIR 3000地质雷达系统,选取100 MHz的屏蔽天线,该天线可以与主机单元组成控制系统,最大有效探测深度可达30 m,采用点测的方式。

3.1 隧道1塌方空腔雷达探测情况

隧道1在施工过程中遇到节理裂隙密集带,拱顶发生塌方,见图2,塌方量较大,施工被迫停止。为预估拱顶塌方大致范围及规模,采用地质雷达对拱顶进行了探测。

共在拱顶附近布置了3个测点,如图3所示,采用点测法。检测测点时先将100 MHz天线盒正对隧道前进方向,然后向上每转动5°～10°即检测一次,直到转动90°时天线盒正对拱顶则检测结束。最终3个测点的雷达检测图像见图4。

从3个测点的检测结果图可以看出,测点A和B的图像比较相似,均是2 m和7 m左右为反射强烈带,2 m～7 m之间反射信号很弱,而测点C整体反射较均匀,无突变的强反射信号。据此推断,本次坍塌造成的拱顶上方空腔直径约为5 m,塌方范围主要是在掌子面左侧拱顶的上方。

3.2 隧道2塌方空腔雷达探测情况

隧道2在遭遇拱顶较大规模塌方后,进行了回填混凝土处理,塌方段开挖支护深入一段距离后,采用了地质雷达对拱顶进行横向探测,预估拱顶上方的空腔规模,共布置了间隔约5 m的两条横向测线。两条测线的雷达探测图像见图5。

两条测线雷达图像反映的结果基本一致,即深度4 m～5 m处的连续强反射为空洞的下界面(靠近拱顶的界面),深度16 m～17 m处的连续强反射为空洞的上界面(坍塌后的围岩壁),因此拱顶上方空腔的高度约为12 m。

4结语

1)采用地质雷达探测隧道塌方空腔的原理和探测防空洞、空溶洞相似,都是利用空气和周围介质(土或岩石)的介电常数差异使电磁波在两种物体的界面产生反射信号。