地质雷达在隧道塌方空腔探测中的应用

晏露超

(南昌市建筑设计研究院有限公司，江西南昌 330077)

地质雷达在隧道塌方空腔探测中的应用

晏露超

(南昌市建筑设计研究院有限公司，江西南昌 330077)

基于地质雷达的工作原理，讨论了探测隧道塌方空腔的理论和方法，并阐述了使用地质雷达系统对浙江省某两条高速公路隧道进行塌方空腔探测的情况，最终表明地质雷达法可应用于隧道塌方空腔规模的预估。

隧道工程，空腔探测，地质雷达

0 引言

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)。

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：

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 MHz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。

图2 隧道1拱顶塌方现场照片

图3 隧道1拱顶测点布置示意图

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。

图4 隧道1拱顶塌方空腔雷达探测图像

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。

图5 隧道2拱顶塌方空腔雷达探测图像

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。

2)地质雷达探测的成功应用除了保证高质量的原始数据采集外，还必需灵活应用分析处理技术，如速度拾取，提取瞬时振幅、相位、频率，频谱分析等进行数据处理。

3)对规模较大的塌方应采用低频率天线，以增加探测深度;对规模较小的塌方可适当选用高频率天线以提高探测精度。

4)采用地质雷达对隧道塌方空腔进行探测时，其精确度受工作环境、测点测线的布置和探测方法的影响，尚待进一步的研究和工程实践。

5)地质雷达作为一种日趋完善的无损探测技术，与其他物探方法一样，依然存在不确定性，故对雷达图像的分析判断，需结合现场地质条件和工程环境。

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Application of Ground Penetrating Radar to cavity detecting for tunnel’s collapse

YAN Lu-chao

(Nanchang Building Design Institute Co．，Ltd，Nanchang 330077，China)

Based on the working principle of Ground Penetrating Radar，the theory and the method of cavity detecting for tunnel’s collapse are discussed，besides，the condition of using GPR to detect cavity caused by collapse is described，finally，the results show that by using the Ground Penetrating Radar，the dimensions of tunnel’s collapse can be estimated．

tunnel engineering，cavity detecting，Ground Penetrating Radar

U456．3

A

10.13719/j.cnki.cn14-1279/tu.2013.10.056

1009-6825(2013)10-0159-02

2013-01-12

晏露超(1985-)，男，硕士，助理工程师