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隧道地质雷达无损检测判别分析

发表时间：2020/10/10 来源：《基层建设》2020年第17期作者：王超

[导读] 摘要：随着我国社会经济的不断发展，交通工程建设数量持续增加，施工质量成为社会各界关注的重点，文章重点以隧道工程为例，对地质雷达无损检测判别技术进行了分析，以提高隧道工程的整体质量，为后期行车安全提供保障。

        廊坊市中铁物探勘察有限公司河北廊坊 065000
        摘要：随着我国社会经济的不断发展，交通工程建设数量持续增加，施工质量成为社会各界关注的重点，文章重点以隧道工程为例，对地质雷达无损检测判别技术进行了分析，以提高隧道工程的整体质量，为后期行车安全提供保障。
        关键词：隧道；地质；雷达；无损；检测；判别
        1.地质雷达的应用
        随着科学技术的不断发展，研发出来了各种用于岩土勘察的设备和仪器，在众多勘察设备中，弹性波法和电磁波法是重要的两种方法。地质雷达是交通工程中广泛应用的一种电磁波法，隧道地质探测器主要被广泛应用在远距离和宏观地质探测中；此外，可以将地质雷达与高频电磁波结合使用，以通过较快的速度完成无损探伤检测，从而可以在极高的频带下检测隧道结构。
        近年来，随着隧道的埋深、规模和数量日益增加，施工地质环境越来越复杂。通常，在工程设计之前，都会对施工现场的地质条件、环境等进行详细调查，但是在实际开挖隧道过程中仍然存在较多问题。由此可见，在隧道施工过程中，必须充分掌握了解围岩的稳定性和掌子面前方的实际情况，并对施工中容易出现的问题进行预测。如果在隧道施工中发生事故或在完工后，应将相关规定与隧道本身结构特征结合起来，除了检测隧道表面和净空断面外，还应该通过对地质雷达的应用，检测围岩的密实完整性、钢拱架分布、偏析和蜂窝麻面情况、衬砌混凝土均匀性厚度等。实践证明，在隧道施工中应用地质雷达技术可以提前预测地质问题，为后期的顺利、安全施工奠定基础。
        地质雷达探测技术目前被开发用于单点、连续探测的实时自动制图中。而在国外发达国家（如美国、加拿大）地质雷达多为单脉冲雷达，工作频率为50-2 GHz。由于地层对电磁波衰减和设备，会随着目标精度的提高而发生变化，在实际隧道工程施工中对频段探测要求也不一样。
        我国研发生产的地质雷达，基本都是根据地下工程的超前预报特点，将其设计为脉冲调制式，其探测距离较大，分辨率精度较高，工作频率为160到220GHz，探测距离高达40-60米，在超前地质预报以及部分工程检测中具备较好的应用效果。
        2.地质雷达检测原理
        在工程探测中地质雷达是一种新型技术，具备较多优点，如连续、无损、高效、准确等探测优点。地质雷达由以下几部分构成，即集成主机、天线组件和相关软件等。发射天线根据电磁波在有损介质中的传播，向要测量的介质发射高频宽频短脉冲的电磁波。如果在发生电磁波时遇到不均匀界面，会将部分电磁波进行反射，反射系数与被测介质的介电常数有较大关系，雷达主机及时接收并处理此部分产生的反射波，以对目标物体进行识别。
        3.实测数据分析
        3.1工程概况
        某隧道工程所在地为低山丘陵地带，植被较为茂密，地形比较平缓。自然坡度为15-30°。各山脉起伏度相差较大，高度差基本在100-150m，多数为多北西向和北东向沟谷，山脊线多数走向为西北向和北东方向延伸，山地多不完整。此隧道工程所在地的覆盖层由残留的角质粉质粘土和碎石及黏性土组成，地层厚度不一，厚度在0.5-19.1m，山谷的冲刷区域中，表土层较薄，可以看到局部强-中风化程度的基岩裸露在外。下伏基岩主要组成成分为元古代片麻岩，岩质相对较硬且有片麻理发育，岩石风化程度严重，具有独特的差异风化特点，存在较为严重的全-强风化厚度。
        隧道被深埋，未发育构造段落隧道围岩为Ⅲ围岩，隧道出入段的围岩均为V级围岩，在受结构影响的区域附近，隧道周围的岩石多数是V级围岩，在隧道埋藏深度较小，地面发育着山谷，且靠近岩相接触带和结构撞击带周围的岩体多不完整，大部分围岩为Ⅳ级。地下水主要来源于基岩裂隙水，虽然水质非常好，但水量较小，水文地质结构非常简单，在开挖隧道之后，会存在局部滴水或渗水问题。
        在完成隧道衬砌工作后，为了保障隧道整体施工质量，需要检测隧道喷射混凝土的厚度、二次衬砌厚度和衬砌脱空。在此此检测中，地质雷达系统使用的是美国某企业研发生产的TerraSIRch SIR 3000，其缩写为SIR-3000，屏蔽天线使用的是900 MHz，此屏蔽天线可以和主机单元结合形成控制系统，当介电常数参数为5时，检测深度在1m左右。
        此系统由三部分组成，即主机、天线（发送和接收为一体的天线）和电缆，通过通信电缆将发射和接收信号传输至雷达主机。

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主机外部组件有键盘、SVGA显示屏（彩色）、连接面板、电池槽、指示灯，可实时对探测的数据进行观测或对显示数据进行回放。
        结合相关测试标准和要求，检测隧道拱顶、左右边墙、左右拱腰、左右仰拱的全断面。
        3.2数据处理及结果分析
        通过脉冲反射的形式将探测到的雷达图像记录下来，地质雷达的垂直剖面图以波形或灰度显示出来。地质雷达探测数据分析有两个部分：一种是数据处理，另一种是图像解释。因为地下介质等效于复杂的过滤器，因此介质会吸收不同程度的波和介质的不均匀性质，导致脉冲接近接收天线时，脉冲的幅度会有所减小，并且波形与原始发射波形明显不同。此外，不同的随机噪声，也会对实测数据造成影响。因此，可以适当对接收到的信号进行处理，从而提高数据信噪比，为解释清晰可变的图像，对现场检测中遇到的有限目标引起的异常进行识别，并为解释不同的图像提供相应证明依据。
        图像处理主要涵盖随机噪声的消除、干扰抑制和背景改善；执行自动时变增益或增益控制，以对吸收和杂波抑制进行补偿，通过滤波对高频进行处理，并将目标体突出，从而使背景噪声和余振产生的影响得到降低。
        图像解释和异常识别是积累经验的过程，一是根据地质雷达图像正演结果；而是基于工程实践，从而获得成果。只有确保地质雷达图像具备较高的质量，才能正确对异常进行判别，以获取准确可靠的探测解释结果。
        对干扰波和目标体地质雷达图像特性进行识别，是解释地质雷达图像的关键。地质雷达对有效信号接收的同时，还需要接收其他各种干扰信号，导致干扰信号的原因较多，一般，干扰波的形状都比较特殊，需要通过一系列分析对其进行识别和确认。
        3.3检测结果分析
        判定特征：
        （1）密实：如果界面反射出的信号振幅值非常弱，具备均匀的波形，且不存在界面反射信号；
        （2）回填不密实：如果界面反射信号是强反射，并且同相轴是不连续的，混乱、错断，分布在一般区域。
        （3）空洞：界面反射出的信号非常强，表现出典型的孤立体相位特性，一般多为规则或不规则的双曲线波形特性，具有三个振荡相位，并且在底部仍然具有较强的反射界面信号，两组反射信号之间的时间差很大。
        （4）脱空：界面具有带状或三角形形式的强反射信号，并具有三个振荡相位，通常具有多次反射信号。
        （5）钢筋网：规则且连续的小月牙形强反射信号，月牙波的振幅波非常窄。
        （6）钢拱架：单个月牙形反射信号较强，月牙波振幅比较宽。
        （7）钢格栅：两个连续双曲线的反射信号较强。
        3.4检测结果分析
        通过现场数据，对地质雷达在隧道无损检测中的波形特征进行分析，得出结论如下：（1）在隧道工程检测中，地质雷达具备方便、快捷、无损的检测优点。（2）在隧道工程检测中，使用地质雷达技术，如果检测范围的深度在1m内，则可以使用900 MHz天线，可以准确检测出隧道施工的质量病害，例如不密实的衬砌回填、脱空、空洞等病害。
        结束语
        在隧道工程建设过程中或在后期运营中，地质雷达可以详细检测隧道质量，并对其施工项目质量进行严格控制，找出隧道施工缺陷。此外在隧道地质超前预报中应用地质雷达，可以对隧道施工中可能发生的地质灾害进行探测预报，从而提高隧道的质量，并减少施工中的安全事故。
        参考文献：
        [1]李二兵，谭跃虎，段建利，地质雷达探测在隧道探测中的应用[J]，中国地下空间工程学报，2012（02）：267-270
        [2]杨健，张毅，陈建军，地下雷达在隧道工程质量检测中的应用[J]，高速公路，2011（03）：52-64
        [3]李伟，地质雷达在隧道工程无损检测中的应用[J]，山西建筑，2012（19）：332-333