地质雷达在隧道拱架后空腔探测中的应用

Ｑ：　工业技术　ＳＯＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮ０Ｌ０ＧＹ　ｉＮＦＯＲＭＡＴｌＯＮ　地质雷达在隧道拱架后空腔探测中的应用　巩守洛　（中铁十四局集团有限公司水利水电分公司　济南　２５００１　４）　摘要：介绍了地质雷达的工作原理，地质雷达是一种广泛用于地质探测的高频电磁脉冲波技术，结合江边电站引水隧道实际工程，阐述　了地质雷达在拱架后空腔探测中的应用，简述了倜线布置，数据采集、图像处理步骤，并对典型的雷达图像进行分析，证明地质雷达在空　腔探测方面能取得了较好效果。　关键词：地质雷达　引水隧道　空腔探测　中图分类号：Ｐ６３１　文献标识码：Ａ　文章编号：１　６７２－－３７９Ｉ（２０１１）ｏ８（ｅ）－００９３－－０２　式中，占　、６＂２分别表示界面上下介质的　相对介电常数。　随着交通事业的飞速发展，我国水电、　铁路、公路等基础设施迎来了建设的高峰　期。隧道衬砌作为隧道施工的一个重要部　分，其施工质量直接影响隧道的工程质量　和安全使用。传统的隧道工程质量检测方　法（如钻探抽芯和开挖取样等），不仅效率　低，局限性大，而且对防水要求极为严格的　隧道衬砌结构造成破坏，已经无法满足工　程建设发展的需要。地质雷达方法以其经　济、无损、快速、直观的特点成为隧道衬砌　施工质量检测最主要的方法。　探地雷达技术（Ｇｒｏｕｎｄ　Ｐｅｎｅｔｒａｔｉｎｇ　Ｒａｄａｒ，　原则。　Ｅ　ｆ，，　）＝Ｅｏｅ　ＣＯＳ（∞ｆ—ａｒ）　简称ＧＰＲ）是利用高频电磁脉冲波的反射探　（１）反射振幅的大小。界面两侧介质的　其中，　为ｒ＝０，ｔ＝Ｏ时的电磁场强度；　测地下目的体分布形态及特征的一种方法。　电磁学性质差异越大，反射波越强。空气跟　为衰减系数；　为相位系数；ｒ为传播距　１９０４年，德国人Ｈｕｌｓｅｍｅｙｅｒ首次尝试用电磁波　岩石或混凝土的介电常数差异较大，电磁　离，∞为电磁波的角频率。　信号来探测远距离地面金属体。ｌ９２６年，　波遇空腔会有较强反射。（２）反射波的极性。　当ＣＯＳ（ＣＯｔ一　，）＝ｌ时电磁强度最大，　波从介电常数小进入介电常数大的介质　Ｈｕｌｓｅｎｂｅｃｈ首次利用电磁脉冲技术研究地下　　≈１，可　岩性构造并获得成功，他指出地质雷达研究　同时在围岩中，由于　／嬲＜＜１，时，反射系数为负，即反射波振幅反向。反　领域的一条基本理论根据，即电磁波在介电　以得出探地雷达的电磁脉冲在介质中的传　之，从低速进入高速介质，反射波振幅与入　　常数不同的介质交界面上会产生反射。２Ｏ世　播速度为：射波同向。从空气中进入土层、混凝土反射　Ｃ　纪７０年代以来，随着电子技术的发展以及现　振幅反向，折射波不反向。从混凝土后边的　代处理技术的应用，地质雷达技术得到了巨　脱空区再反射回来时，反射波不反向，结果　大发展，覆盖了考古、矿产资源勘探　工程地　其中ｃ为电磁波在空气中的传播速度，　脱空区的反射与混凝土表面的反射方向正　质勘察、建筑结构调查、公路工程质量检测、　好相反。　为介质的介电常数。　地下管线探测等众多领域。地质雷达是在隧　１．２电磁波的反射　道无损检测方面得到了广泛应用。本文结合　地质雷达在探测过程中，雷达电磁波　３工程应用　江边电站引水隧道实际工程，对引水隧道拱　在传播过程中遇到不同的波阻抗界面时，　３．１工程概况　地层或目标体就会发生反射和透射，接收　天线收到反射波信号并将其数字化，然后　由电脑以反射波波形的形式记录下来。对　所采集的数据进行相应的处理后，可根据　反射波的旅行时间、幅度和波形，判断地下　目标体的空间位置、结构及其分布。　１．１电磁波传播特征　地质雷达探测过程中，雷达电磁波可　近似为均匀平面电磁波。在往地下介质　传播过程中，他的电场分量瞬时波动方　程为：　２地质雷达探测空腔原则　探地雷达是用发射天线向岩体发射有　定宽度的高频电磁波，岩体中的介质因　介电常数占的不同而反射雷达波被接收天　一一＋　线接收。介电常数差是雷达工作的基础。空　气的介电常数为１，岩石的介电常数为４～　２０，岩石的导电率远大于空气。经过相关理　论推导得到以下的地质雷达的探测空腔的　一架后空腔进行无损检测。结果表明，地质雷达　将同时产生反射波和折射波，它们均遵循　江边水电站位于四川省甘孜藏族自治　在隧洞空腔检测方面效果良好，与实际打孔　波德反射和透射定律。而在雷达探测过程　州东南部，地处九龙县境内的雅砻江左岸　验证吻合较好，以达到指导施工的目的。　中，我们主要关心的是反射波。反射波的强　级支流九龙河下游河段上，为九龙河“一　弱取决于反射系数ｋ，在隧道工程的探测中　库五级”开发方案的最后一级电站。电站采　１地质雷达的工作基本原理　可表示为：　用有坝引水式方案，主要建筑物为首部枢　探地雷达的基本原理如图１所示。发射　纽、引水系统和地下发电厂房等，电站总库　天线将高频短脉冲电磁波定向送入地下，　ｋ：　容为ｌ　３３万立方米，装机容量３３０Ｍｗ，属二　电磁波在传播过程中遇到存在电性差异的　一发射　图１　地质雷达探测原理　图２测线布置图　科技资讯ＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ　ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ　９３　工业技术　等大型水电工程。引水系统主要由引水隧　洞、上室调压井、高压管道等建筑物组成。　引水隧洞布置于九龙河左岸，引水隧洞由　进水口至调压井段，洞线长度约８．５ｋｉｎ，开　挖洞径８．４ｍ，隧洞埋深１００ｍ～１６９４ｍ。　３．２地质雷达探测及参数设置　江边电站引水隧洞２　支洞下游检测桩　号为引５＋３０８至引５＋４５０，该段区域为多岩　爆洞段，为检测超挖区域的回填是否密实　和拱架后有无空腔，进行了地质雷达探测。　采用美国ＧＳＳＩ公司的ＴｅｒｒａＳＩＲｃｈ　ｓＩＲ　３０００　地质雷达（简称ＳＩＲ－３０００），参数的选择是最　关键的环节之一，其主要包括雷达天线频　及所测的目标体大小。本次使用４００ＭＨｚ频　重新采集。　率的天线，发射频率４００ｋＨｚ，测量方式采用　连续测量，可保证探测的精度要求。（２）时　窗的选择主要取决于最大探测深度与介　质中电磁波速度，在隧道质量检测中，介　质主要是混凝土和岩石，若取电磁波的速　度为０．１　ｌｍ／ｎｓ，要求探测深度在２．５ｉｎ以　内，时窗可取为５０ｎｓ（包含采集背景噪音所　需的时间）。（３）采样点数的选择直接影响到　波形采集的质量。对于规模较小的空洞异　常，采样点数选取太小时，可能导致检测盲　３．５地质雷达探测结果及实际开挖情况　由于隧道内岩体构成的复杂性及各种　介质对电磁波反射和吸收程度的差异，同　时受到各种噪声的干扰，使得接收天线接　收到的雷达波叠加后，振幅降低、波形杂　乱，难以直接从图像识别岩体的构成，所以　要对接收到的信号进行适当处理。图２是处　理后的地质雷达波形图。　从图　的雷达解译结果来看，在桩号引　５＋４２８，深度约为１．０ｍ～１．５ｍ处（用黑色曲　区和缺失；而采样点数太大，数据采集的效　线框标出部分）。由于空气与混凝土介电常　率将会降低，一般情况下，天线频率越高，　数差别较大，电磁波在混凝土与空气之间　率、时窗、采样点数。　采样点数选取越小。在隧道检测中，使用　将产生强反射信号。在脱空比较大时，围岩　（１）天线中心频率的选择取决于探测的　４００ＭＨｚ的天线，采样点数为５１２。　界面清晰可见，在地质雷达剖面图上主要　目的、探测深度和精度、介质的介电特性以　３．３侧线布置　表现为在混凝土层以下出现多次反射波，　为较全面检测隧道各位置的施工质　同相轴呈弧形，并与相邻道之间发生相位　量，使得监测数据全面、真实、可靠，在隧道　错位，且其能量明显增强。　拱顶、左右拱肩及左右边墙共布置了五条　探测后现场作业人员对探测结果进行　测线，如图２所示。　选点打孔验证，现场验证与探测结果吻合　３．４采集信号时注意事项　较好。　由于施工隧道现场情况复杂，干扰因　素多，在进行现场雷达空腔探测时要注意　４结语　以下几点。　（１）用明显标记，按照５ｍ点距在两侧边　墙上做标记，并每隔一段标明隧道里程。（２）　进行探测时，要尽量保证天线在移动过程　中能匀速移动并能贴紧二衬或围岩外表　面。否则，容易造成采集信号的异常。（３）在　采集过程中要及时记录环境中的干扰信　号，如金属管件、台车等的反射信号。如不　参考现场记录则很容易将其判断为地质异　常体。在记录过程中，要记录干扰物的性质　通过在江边电站引水隧道进行的多次　地质雷达拱架后的空腔探测，得到了如下　认识：（１）地质雷达作为一种无损检测技术，　具有施工快捷、数据采集与处理全自动化、　探测精度高、目标物图像异常清晰且易为　人们识别等特点，能有效探测拱架后空腔。　（２）空洞区雷达反射波振幅明显增大，空腔　的反射波同二衬表面的反射波相位相反。　（３）空洞区域的径向电磁参数差异较大，空　腔的反射波频率表现为低频大振幅。（４）在　进行数据采集过程中，要尽量避免和压制　噪声，排除其他的高导电导磁物体的影响，　突出有用信号。为此，所有施工作业要尽可　能停止，大型衬砌台车要远离探测区域。　图３地质雷达解译结果　及其与侧线的位置关系，以便分析。（４）天线　移动过程中要及时打标记，并且标记位置　准确。（５）采集过程中，需要时刻观察所采集　的数据，若发现波形失真、零点同相轴错断　等异常，要停止工作，查明原因，重新调零、　（上接９２页）　的支反力。　后下横梁为工字钢叠加，按简支梁中　间最大跨度计算。　（３）前上横梁荷载计算：Ｑ　为前上横梁　悬臂端的自重；Ｑ　为前上横梁中间段自重；　Ｐ・为顶板模架及模板＋顶板砼重；Ｐ　为翼板　模架及模板重＋翼板砼重；Ｒ　、Ｒ　、Ｒ　为吊杆　所承受的力。　前上横梁中间部分为工字钢叠加。　３．３挂蓝的预压试验　３．３．１试验目的　挂蓝加载试验，主要是通过测量挂蓝　在各级静力试验荷载作用下的变形，了解　挂蓝结构在工作状态时与设计期望是否相　箱悬挂于底蓝前横梁上以水箱和水自重作　为试验荷载，采取逐级递增加载逐级测量　的试验方法。加载总重量为最不利块段荷　载的１．２５倍。水箱加载布置示意见图１所示。　利用底蓝拼装平台作为挂蓝加载试验　的操作平台。在平台上放置水箱，一只挂蓝　设置２个水箱，一个水箱上设嚣２个吊点。然　后将水箱与底蓝之间用２根精轧螺纹钢筋　连接，在未加水前用千斤顶提升水箱脱离　平台３Ｏｃｍ左右。然后采用水泵逐级加水，　加水时两边平衡进行，直至试验完毕　并用　精密水平仪观测挂篮各个部位的变形值，　并观测主桁前端的挠度。两斜拉钢带的受　力变形情况及吊杆的受力。　及施工荷载及预应力筋张拉锚固的增多而　随机变化等。　连续箱梁悬臂浇注时的产让的挠度包　括：（１）各墩上分段悬臂浇注时形成的Ｔ构　静定体系的挠度。（２）体系转换后各阶段连　续梁体系的挠度和全联连续体系形成后由　于静活载及后期收缩徐变引起的挠度。（３）　挂篮承载后的弹性变形。　悬浇施工箱梁由于受到上述因素的影　响，使箱梁产生标高变化，这种变化随着跨　度的增大而增加。必须在悬臂浇注时进行　标高控制，随时调整悬浇段的立模高度。　立模标高控制值＝箱梁顶面设计标高＋　设计施工预拱度＋挂蓝自重及浇注砼后的　变形值±日照温差修正值。　４悬浇施工影响挠度的因素及标高控制　符。　（１）消除挂蓝主桁、吊带及底蓝的非弹　施工过程中，影响挠度的主要因素包　５结语　通过对大跨度桥梁悬臂施工所采取的　括：施工阶段的一期恒载，临时荷载、挂篮、　性变形。　（２）测出挂蓝前端在各个块段荷载作用　模板、机具设备、人群荷载、温湿度变化、风　挂篮技术的介绍，可以更好的了解挂篮的　荷载、桥墩变位、基础沉降，施工误差等，这　结构，挂篮的设计及挂篮技术在施工的具　下的竖向位移。　些因素还包括了许多模糊不定及随机变化　体应用，为该技术的更大推广发挥积极的　３．３．２试验方案　　挂篮的预压通常采用水箱加压法、试验　的情况，如砼材料本身的弹性性能，收缩徐　作用。台加压法及砂袋法，本桥用水箱加压法，水　变、温湿度使得结构内外温差的不均衡，以　９４　科技资讯ＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ　ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ