探地雷达技术对隧道坍塌后处理效果的检测应用
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摘 要：以吉林省内某高速公路建设中坍塌地质灾害为研究，详细探讨了应用探地雷达技术对隧道治理效果的检测应用。通过后期的雷达软件分析和数据处理，结合电磁波理论的基础上，准确分析了塌方处理后的图形图像特征。工程实践表明，雷达检测技术不仅成熟地应用于公路路基路面检测中，对于隧道等地质灾害，完全可以为评价提供科学依据，这对于保证隐蔽工程质量、降低工程隐患具有极大的应用价值。
关键词：探地雷达 隧道 检测
中图分类号：U456.3 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）02（c）-0001-02
Abstract：The construction of a highway in Jilin Province collapse of geological disasters in the research，discussed in detail the application of ground penetrating radar technology to detect treatment effect tunnel applications.By the latter part of the radar data processing and analysis software，combined with basic electromagnetic theory，an accurate analysis of the graphics features of the collapse process.Engineering practice shows that only mature radar detection technology used in highway embankment road test，for geological disasters tunnels，can provide a scientific basis for the evaluation，which has great value for the hidden works to ensure quality，reduce project risks.
Key Words：ground penetrating radar；tunnels；detection
我省高速公路的快速发展，目前集中于东部山区的工程量相对较大。由于地质地形条件较早些年相比更为复杂，设计中往往多采用隧道贯通的方式来解决工程问题。但由于在勘测过程中仅取其代表性结果，对具体施工中经常出现不可预计的地质变化和地质灾害。以隧道为例，施工过程中的坍塌、涌水等地质灾害屡见不鲜。对于这一类的工程问题，注浆回填即是一种较为常见的处理方法，但处理后的效果，塌腔内部是否满足安全需求，能否快速检测出处理效果和质量，成为当前面临的又一问题。
本文以某隧道ZK248+780处坍塌地质灾害的处治和检测为例，通过应用探地雷达技术对注浆效果的检测，详细探讨了该技术的检测技术和应用前景，以期指导类似工程质量检测问题。
1 工程背景
某隧道位于我省东部在建高速公路。该隧道喷射混凝土设计强度C25，设计厚度28 cm，内设两层钢筋网，网格尺寸20×20 cm，Φ8圆钢。经现场咨询了解，该隧道ZK248+782～ZK248+774拱顶部位发生小范围坍塌。坍塌发生之后，为减少工程隐患、确保工程质量，施工单位采取注浆回填、加强支护等工程手段进行治理。初步分析为当地地质及地形条件异常复杂，围岩疏松破碎，且富水膨胀，稳定性极差。现场观察后推测坍塌主要是由于初期支护地段围岩受施工扰动，同时自身岩体自稳能力极差，再受节理裂隙水影响，层间粘结力降低，围岩压力增大导致。（坍塌现场见图1、图2）
坍塌整治之后，塌腔注浆是否饱满，是否存在空洞，是否仍存在危害隧道安全的空洞或松散体将直接关系隧道的整体安全。为此，在建设单位、施工单位、监理单位、检测单位的多方研究沟通下进行隧道局部拱顶位置探地雷达无损检测，主要委托检测内容为：隧道坍塌治理效果检测（坍塌注浆处理后饱满度情况）。
2 检测原理及现场方案
探地雷达（GPR）技术，是一种电磁波检测技术[1～2]，它利用地下介质对广谱电磁波的不同频率响应来确定目标介质的分布特征，GPR工作时，向目标体发射一个高频电磁波的短脉冲，其中部分能量被地下具有电性差异的界面反射到地表，地表则使用一个接收器监测反射量与接收延时的比值。向地下发射能量到接收机接收到脉冲的地下延时，是电磁波在地下介质中的传播速度和地下反射体深度的函数。概言之，高频电磁波在介质中传播时，其波速、路径、电磁场强度与波形将随所通过介质的电性质及几何形态而变化所以，通过对时域波形的采集、处理和分析，可确定地下界面或地质体的空间位置及结构。从工作原理来看，GPR检测要获得有效的反射波，目标体与围岩必须存在有电性差异（介电常数）的界面，界面两侧的电磁学性质差异越大，反射波越强。一般情况下，空气的相对介电常数为1.0，混凝土为6～9，水为81，岩石大于10（与其含水量相关），钢筋为良导体、全反射。可见，隧道整治效果检测工程中，空洞与混凝土等介质之间存在明显的介电常数的差异，这为GPR对隧道地质灾害整治效果检测提供了可靠的地球物理前提。
根据接收的GPR反射波[3]，从振幅上可以判定两侧介质的性质：电磁波从介电常数小的介质进入介电常数大的介质时，即从高速介质进入低速介质时，反射系数为负，反射振幅反向；反之，反射波振幅与入射波同相。因此，坍塌地质灾害注浆处理后注浆密实时，雷达图像上没有特别明显的反射信号（无多次波），甚至没有界面反射信号，在该情况下注浆混凝土与围岩结合状态较好、无空隙，围岩与注浆液接触密实。如果注浆处理之后仍存在空洞，由于空气与混凝土的介电常数差异较大，在GPR检测图像中表现为界面反射信号增强，在界面信号下方仍存在层界面信号或绕射信号。
根据检测任务，隧道坍塌治理效果检测采用美国GSSI公司生产的SIR-10H型探地雷达，结合现场坍塌实际情况，现场检测配备中心频率为400 M和900 M两组高频天线，其中主要以400 M天线对坍塌治理后是否存在脱空等治理效果进行检测。
根据现场工作条件，结合任务要求，为检测隧道注浆处理效果，在坍塌治理位置拱顶纵向检测长度8 m（共4个剖面），连续采集，每2 m一个检测剖面；横向检测设置10个检测剖面，长度为以拱顶为中心，两侧各延长1米，纵向间距2 m。
3 探地雷达的检测参数设置及结果解释
根据现场实际情况，结合仪器性能参数、测线布设方向及检测范围，具体设置如下：采样时窗：40～80 ns；迭加次数：128；中心频率：400 M；测点点距0.05～0.1 m。
针对采集原始资料，在室内对数据进行了滤波、增益和反褶积处理与分析。内业处理共分两阶段，第一阶段对记录图像进行回放，察视，确认标志层和异常，并确定详细处理的有关参数和方法，第二阶段运用相应RADAN软件和计算软件进行相关处理，必要时采用反射回波的变换技术，多次覆盖叠加技术，增强雷达图像。（如表1、图3、图4）
4 结论及建议
（1）本次检测中，由于隧道恶劣的施工环境以及检测处于高空作业，且拱顶剖面处平整性不佳，在一定程度上对雷达检测结果的处理和判断上带来了干扰，为取得有实际意义的原始资料，检测中尽可能慢，保证雷达天线与隧道壁垂直接触进行采样，并且每条测线随时检查，不理想时进行往返重复检测。
（2）对雷达图像处理中，尽可能多的利用工作经验突出有效波，压制干扰波，使雷达图像易于分析判断，同时针对目标体的不同，配置合理参数，必要时可现场调试，以达到最佳识别效果为目标。
（3）通过本次检测，探地雷达完全作为实用检测手段，快速、准确评价隧道处置效果，确保工程质量和施工。
（4）对雷达电磁波采集中提供出的更多如波幅、衰减等信息，现阶段数据处理中还不能够充分利用，在今后的工作中可更进一步研究，提高解释水平和精度。
参考文献
[1] 曾昭发，刘四新，王者江，等.探地雷达方法原理及应用[M].北京：科学出版社，2006：207-237.
ZENG Zhao-fa，LIU S-i xin，WANG Zhe- jiang，et al.Principle and applicat ion of GPR method[M].Beijing：Science Press，2006：210-237.
[2] 陈仲侯，王兴泰，杜世汉.工程与环境物探教程[M].北京：地质出版社，1993：173-178.
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