地质雷达在水利工程隧洞检测中的应用

张於祥

（新疆水利水电勘测设计研究院物探队，新疆 昌吉 831100）

地质雷达在水利工程隧洞检测中的应用

张於祥

（新疆水利水电勘测设计研究院物探队，新疆 昌吉 831100）

简述采用地质雷达检测水利工程隧洞衬砌质量的原理及方法，结合某水电站引水发电洞实例，介绍了探地雷达探测剖面图的解读方法。实践证明：地质雷达对隧洞混凝土钢筋分布、混凝土厚度及衬砌质量探测效果较好。

地质雷达；隧洞衬砌；质量检测

地质雷达技术较早应用于探测地下目标，近年来随着电子技术及方法的进步，地质雷达在地基调查、洞穴探测、考古研究、道路无损检测、隧道检测等领域有了广泛应用。而水利工程施工过程中隧洞初期喷护、衬砌质量直接关系到隧道的安全，在喷护、衬砌施工、隧道验收过程中除现场严格控制及监理监督外，地质雷达检测隧洞衬砌厚度及是否存在空腔有利于隧洞安全。本文结合实例介绍地质雷达在水利工作隧洞空腔检测中的应用。

1 基本原理[1]

地质雷达也称探地雷达，是利用高频电磁波束在界面上的反射来探测有关目的物，其发射的脉冲电磁波讯号中心频率为12.5～1 200 MHz、脉冲宽度为0.1 ns。地质雷达由主机、发射天线和接收天线组成，通过发射机发射短脉冲电磁波经发射天线辐射传入大地，电磁波在传播过程中遇到介质不同分界面被发射回地面并被接收，根据接收回来的信号和传播时间来判断电性界面的存在及其埋深。地质雷达探测主要取决于地下目标体与周围介质的电性差异、电磁波的衰减程度、目标体的埋深以及外部干扰的强弱等；其中介质的介电常数是影响电磁波传播的主要因素，从而影响雷达检测的准确。天线中心频率的选择影响能探测到的地下目的体的深度，在满足场地条件及分辨率的情况下应使用中心频率较低的天线，隧洞检测工程中500～1 000 MHz中心频率一般情况都能满足要求。雷达测试是由发射天线送入地下，经目的体反射回地面由接收天线接收，根据地下介质的波速及测试所得时间求出目的体的深度（见图1）。

探地雷达脉冲波旅行时表示为：

式中：t——电磁波双程走时；

Z——反射体的深度；

V——地下介质中的波速；

X——发射与接收天线的距离。

图1 探地雷达检测原理示意图

2 野外数据采集及资料解释[1、2]

2.1 野外数据采集

野外工作采用剖面法，测试方式为反射观测法，即雷达天线（发射和接收天线固定距离在同一装置里）贴壁沿测线移动进行观测。雷达测试一般采用连续测试，工作中根据目的任务布设测线。首先在已知地质条件处来回调试仪器参数，选择合适的介电常数、采集时窗、各层增益与天线频率等；再利用装载机等使人员能够把雷达天线紧贴洞壁，测试时手动操作进行桩号标记，通过移动慢速向前测试，得到整个断面数据。

2.2 资料解释

雷达成果图像常以脉冲反射波的波形来记录，以反射波彩色图像形式来显示探地雷达的探测剖面图。由于受衬砌层、钢筋网、混凝土材料、施工情况等因素影响，使得各介质产生一定的介电常数差异，当雷达电磁波穿透各层介质时就会在接触面上产生反射，形成一个同相位且连续的反射波界面。当介质间介电常数及范围差异越大时，其反射界面越强，反之则反射越不明显。解释时根据已知情况与测试图像的时间和深度参数去判断目的层，通过图像反应衬砌层底部界面下存在的强反射相位的强弱来判断是否存在空腔或混凝土体收缩缝隙。水利工程隧洞检测中底部界面通常可追踪到同相轴，以此判断衬砌及各界面厚度；若初步衬砌与原始岩体之间存在空腔，则测试图像中存在强反射信号或绕射信号、振幅相位有明显变化、相位不连续、形成双曲线反映；衬砌中存在钢筋时，雷达信号为月牙形或点状强反射、曲线均匀密集相位不连续。

3 工程实例

某水电站引水发电洞全长4 509.724m，隧洞洞径6.7m，设计衬砌厚度在40～60cm，洞线岩体片理较发育，岩性主要为灰色斜长二云母石英片岩、黑云母石英片岩，隧洞一衬为喷射混凝土衬，二衬为混凝土衬，内设钢筋网。工程施工由于受围岩开挖及施工等因素影响，在喷混、二次衬砌时可能存在一定程度的衬砌厚度不足、空洞、钢筋网错断等问题，隧洞部分桩号段洞顶可见掉块、渗水。为判断隧洞施工衬砌灌浆后洞顶原始岩体与混凝土之间是否存在空腔，对部分桩号段洞顶轴线进行了雷达检测。采用LTD-2000型探地雷达进行检测工作，介电常数采用6，采样时窗为32 ns，雷达天线频率采用500 MHz天线，其测试成果见图2～4。

图2 0+000～0+030桩号雷达检测成果图

图3 0+050～0+090桩号雷达检测成果图

图4 0+100～0+105桩号雷达检测成果图

由图2可见：在电磁波双程走时0.5 ns左右有一连续较强反射界面，根据其表现形式并结合开工前试验结果判断为空气与混凝土之间因介电常数差异大而形成的反射。在时间标尺4 ns和7.5 ns左右处有反射信号相对较强且呈现点状的反射波界面，这是因混凝土与钢筋网之间的介电常数差异很大而且钢筋网之间相互影响形成。在时间标尺17 ns左右处有一连续反射信号较强的反射波界面，这是因混凝土与围岩之间波速差异大而使得介电常数差异很大。

由图3可见：在电磁波双程走时4 ns左右有一连续较强反射界面，根据其时间可推断为空气与衬砌表层形成的强反射。在时间标尺9 ns和13 ns左右处有反射信号强呈现点状且振幅较大的反射界面，根据施工设计情况与所得时间标尺可知为衬砌内钢筋网的反映。在时间标尺19 ns左右处有一连续反射信号较强的反射波界面，根据时间与深度推断为衬砌底界面反映。因空腔常形成于衬砌底界面与原始岩体之间，推断在桩号0+060～0+068、0+073～0+078、0+080～0+084时间标尺21 ns处形成的反射信号强烈又与两侧相位错断无法追踪到同相位的反射界面为异常反映；根据空腔雷达图像多为双曲线反映，而测试所得异常为直线强反射，推测异常范围较小为施工后混凝土收缩形成的空隙。

由图4可见：桩号段下方有一反射相位错断，绕射较多且凌乱的区域。由于破碎带内介质体的介电常数分布不均匀，电磁波在穿过此介质时就会形成多个反射界面，使得雷达剖面图上表现为相位杂乱、错断、不连续的强反射能量团，明显与上部介质的连续信号不同。因此，推断下部异常区域为破碎带反映。后由施工地质资料知此区域原先岩体破碎，表层经过喷混和灌浆，使得测试显示表层岩体较完整。

4 结语

通过上述工程实践可以看出：地质雷达对于隧洞衬砌浅部空腔、金属等探测效果良好，但也存在异常信号放大、介电常数无法准确取值等缺点，以至于对异常的范围圈定误差较大。因此，在综合分析成果时必须结合现场资料，收集和排除目标体以外产生的异常，才能提高解释的精度。

[1] 雷 宛，肖宏跃，邓一谦.工程与环境物探教程[M].北京：地质出版社，2006.

[2]SL326-2005，水利水电工程物探规程[S].

（责任编辑：周 群）

Application of geological radar in tunnel examination of hydraulic project

ZHANG Yu-xiang
（Geophysical Prospecting Team of Water Conservancy and Hydropower Survey and Design Institute of Xinjiang，Changji 831100，China）

A brief introduction was made on the principle and method of examining tunnel lining of hydraulic proj⁃ect with geological radar.Taking the power diversion tunnel of a hydropower project as example，the author ex⁃plains the interpreting of sectional graphs out of geological radar.The results of practice demonstrate that geological radar has good prospecting effects for examination of steel bar distribution，concrete thickness and lining quality.

Geological radar；tunnel lining；quality examination

P631.325；TV523

B

1003-1510（2016）05-0032-04

2016-04-12

2016-06-30

张於祥（1988-），男，江西赣州人，新疆水利水电勘测设计研究院物探队助理工程师，学士，主要从事水利水电工程物探勘察及物探检测工作。