试述地质雷达在引水隧道质量检测中的应用

孟庆生，邱浩浩

(贵州省质安交通工程监控检测中心有限责任公司)

1 地质雷达的作用机制与方法

1.1 地质雷法作用机制

利用发射机的发射天线将n ～n×106MHz 的短脉冲、高频率、宽频带和宽脉冲的电磁波发射到地下，如果高频电磁波遭遇不同介电常数的相应界面，那么就会引发反射回波，最后依照接收天线获取到的反射回波结构与时间对反射体性质进行综合判定，以确定顶面与反射界面的间距。在实际检测过程中，雷达天线随着测线自左向右挪动，通过发射天线把雷达电磁波全部发射出来，由接收天线获取雷达回波，再根据顺序布置和展开雷达回波，以便全方位体现出反射界面位置与地下探测目标体。

只有在探测对象和四周介质有显著电性差异的前提下，才能运用地质雷达技术展开探测工作，注意雷达波处于介质时的传播速度V 和介质电磁性参数之间存在着近似关系，由公式表示为，公式中V 表示处于介质时的电磁波速度;c 表示处于真空时的光速，m/ns;εr表示与介质相对应的介电常数;μr表示介质的相应导磁率。

1.2 某引水隧道工程的概况

本文以某引水隧道工程为实际案例，并对其实施衬砌检测，具体检测时间为2012年6月～2012年8月。在隧道衬砌过程中，其拱顶衬砌的厚度应设计为0.45 m，而围岩则要达到Ⅳ级。展开探测工作时，应合理选用来自美国、型号为SIR－3000 的地质雷达，运用400 MHz 天线频率，确定512个采样点数，应用连续采样手段，400 MHz 天线测程80 ns 与900 MHz 天线测程30 ns 均表示为时间窗口。

1.3 工程测线安设

首先，应用地质雷达技术对隧道混凝土的衬砌质量进行检测，接着对混凝土与岩体之间的实际接触状况进行检测，最后把顶拱、左拱角和右拱角有效结合起来，依据隧道条件、测试方位与探测目的展开全面测量工作。一般情况下，检测会通过隧道顶拱中心、左拱角与右拱角顺着洞轴线方向做测线的安设，共安设测线3 条;而边墙雷达检测的测线则要分别安设在左边墙与右边墙。检测衬砌混凝土质量与脱空状况时，若发现洞段存在异常现象，那么就要应用900 MHz 地质雷达天线做反复观测工作。

2 处理与解释地质雷达检测资料

2.1 处理地质雷达检测资料

实施地质雷达探测时，由于要不断获取发射波特性，所以要采用宽频带做好各项记录工作，这样不仅能够得到许多有效波，还可以将干扰噪声详细记录下来。隧道混凝土与围岩会直接影响到接受天线的相应电磁脉冲，致使其波形无法与原始反射波形态相吻合，因而在处理地质雷达检测数据前，一定要真正做到反复核对、详细记录与认真筛选等工作。利用反褶积、数据传输、图像增强、数字滤波和数据预处理等多种处理手段来完全消除雷达数据中存在的干扰噪声，并加以解释，这样不但可以增强数据信噪，还可以将异常凸显出来，实现后期数据处理。经上述处理后，严密观察与识别雷达图像的主要特性，包括反射波初始相位、能量强度与反射波波形等，以达到判断和筛选异常的目的。

利用地质雷达对地下物质的电性特点进行记录，并把记录所得信息转变成形体分布，只有这样才能得到探测目标的完整资料。针对这一情况，将地质雷达资料、地质资料和异常体形态资料有效结合在一起，再利用已知异常部位比较雷达图像和开孔取样资料，最后根据实际情况制定性质各不相同的地层反射波组特性资料库，以便获取探测目标的所有资料，为日后分析与解释其他部位的测线雷达资料提供强有力参考依据。

2.2 解释地质雷达检测资料

按照隧道混凝土反映在雷达图像上的特性，将混凝土胶结质量合理划分成以下几个等级:(1)高密实度。混凝土胶结良好、材质与振捣均匀为混凝土高密实度，其反映在雷达上的图像是电磁波能量具有较强的规律性，衰减速度缓慢，波形幅度不高，电磁波反射能量呈均匀分布状态，且同相轴的连续性十分良好，图像稳定而清晰(见图1)。(2)密实度不足。混凝土胶结密实度与振捣均匀度欠缺，对比处于剖面两边的混凝土，发现其密实度不高，而混凝土表现为胶结正常，这些均为混凝土密实度不足的表现。混凝土密实度不足反映在雷达上的图像是电磁波能量的衰减速度较慢，波形幅度不高，电磁波反射能量大多呈均匀分布状态，同相轴的连续性基本达标，图像的稳定性与清晰度不足(见图2)。(3)无密实度。混凝土某些胶结部位不密实，局部有蜂窝情况，加上没有振捣均匀，最终导致混凝土无密实度。混凝土无密实度反映在雷达上的图像是电磁波能量的衰减速度逐步加快，波形幅度大，电磁波反射能量呈不均匀分布，且部分同相轴缺乏连续性，图像既不稳定又不清晰(见图3)。

图1 高密实度

图2 密实度不足

图3 无密实度

按照隧道混凝土反映在雷达检测资料上的特性，可将混凝土和围岩之间的接触情况划分成以下几种类型:(1)密实。隧道混凝土和围岩呈密实接触关系，其反映在雷达上的图像是电磁波同相轴具有较强的连续性，且反射能量不强，说明这段混凝土和围岩之间的胶结十分密实。(2)不密实。隧道混凝土和围岩呈不密实接触关系，其反映在雷达上的图像是电磁波同相轴没有连续性，且反射能量也没有均匀分布，说明这段混凝土和围岩之间的胶结没有密实度。(3)脱空。隧道混凝土和围岩呈脱空接触关系，其反映在雷达上的图像是电磁波的同相轴大多连续，但宽幅反射具有较强的规律性，说明这段混凝土和围岩之间的胶结已脱空。

3 小 结

从地质雷达检测理念与实际检测结果可以看出，地质雷达技术不仅可以检测出隧道混凝土胶结的实际密实度，还可以检测出隧道混凝土和围岩之间存在的接触关系。应用地质雷达系统对工程质量进行检测，除了可以准确判断出引水隧洞的衬砌厚度与空洞外，还可以更改参数来反复检测同一部位，以确保检测资料的真实性、可靠性与准确性。

由本研究可知，应用地质雷达技术对隧道衬砌质量进行检测，具有操作简便、实用性强和安全性高等优点，促使经济效益与社会效益实现最大化，这对于引水隧道工程的健康、持久、稳定发展来说具有着至关重要的作用。

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