地质雷达在隧道拱架后空腔探测中的应用

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, 简称GPR) 是利用高频电磁脉冲波的反射探测地下目的体分布形态及特征的一种方法。1904年, 德国人Hulsemeyer首次尝试用电磁波信号来探测远距离地面金属体。1926年, Hulsenbech首次利用电磁脉冲技术研究地下岩性构造并获得成功, 他指出地质雷达研究领域的一条基本理论根据, 即电磁波在介电常数不同的介质交界面上会产生反射。20世纪70年代以来, 随着电子技术的发展以及现代处理技术的应用, 地质雷达技术得到了巨大发展, 覆盖了考古、矿产资源勘探、工程地质勘察、建筑结构调查、公路工程质量检测、地下管线探测等众多领域。地质雷达是在隧道无损检测方面得到了广泛应用。本文结合江边电站引水隧道实际工程, 对引水隧道拱架后空腔进行无损检测。结果表明, 地质雷达在隧洞空腔检测方面效果良好, 与实际打孔验证吻合较好, 以达到指导施工的目的。

1 地质雷达的工作基本原理

探地雷达的基本原理如图1所示。发射天线将高频短脉冲电磁波定向送入地下, 电磁波在传播过程中遇到存在电性差异的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:

其中, 0E为r=0, t=0时的电磁场强度;β为衰减系数;α为相位系数;r为传播距离, ω为电磁波的角频率。

当cos (ωt-αr) =1时电磁强度最大, 同时在围岩中, 由于σ/ωε<<1, µ≈1, 可以得出探地雷达的电磁脉冲在介质中的传播速度为:

其中c为电磁波在空气中的传播速度, ε为介质的介电常数。

1.2 电磁波的反射

地质雷达在探测过程中, 雷达电磁波在传播过程中遇到不同的波阻抗界面时, 将同时产生反射波和折射波, 它们均遵循波德反射和透射定律。而在雷达探测过程中, 我们主要关心的是反射波。反射波的强弱取决于反射系数k, 在隧道工程的探测中可表示为:

式中, ε1、ε2分别表示界面上下介质的相对介电常数。

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一定宽度的高频电磁波, 岩体中的介质因介电常数ε的不同而反射雷达波被接收天线接收。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原则。

(1) 反射振幅的大小。界面两侧介质的电磁学性质差异越大, 反射波越强。空气跟岩石或混凝土的介电常数差异较大, 电磁波遇空腔会有较强反射。 (2) 反射波的极性。波从介电常数小进入介电常数大的介质时, 反射系数为负, 即反射波振幅反向。反之, 从低速进入高速介质, 反射波振幅与入射波同向。从空气中进入土层、混凝土反射振幅反向, 折射波不反向。从混凝土后边的脱空区再反射回来时, 反射波不反向, 结果脱空区的反射与混凝土表面的反射方向正好相反。

3 工程应用

3.1 工程概况

江边水电站位于四川省甘孜藏族自治州东南部, 地处九龙县境内的雅砻江左岸一级支流九龙河下游河段上, 为九龙河“一库五级”开发方案的最后一级电站。电站采用有坝引水式方案, 主要建筑物为首部枢纽、引水系统和地下发电厂房等, 电站总库容为133万立方米, 装机容量330MW, 属二等大型水电工程。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8.5km, 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率、时窗、采样点数。

(1) 天线中心频率的选择取决于探测的目的、探测深度和精度、介质的介电特性以及所测的目标体大小。本次使用400MHz频率的天线, 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0.11m/ns, 要求探测深度在2.5m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, 可能导致检测盲区和缺失;而采样点数太大, 数据采集的效率将会降低, 一般情况下, 天线频率越高, 采样点数选取越小。在隧道检测中, 使用400MHz的天线, 采样点数为512。

3.3 侧线布置

为较全面检测隧道各位置的施工质量, 使得监测数据全面、真实、可靠, 在隧道拱顶、左右拱肩及左右边墙共布置了五条测线, 如图2所示。

3.4 采集信号时注意事项

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、重新采集。

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3的雷达解译结果来看, 在桩号引5+428, 深度约为1.0m～1.5m处 (用黑色曲线框标出部分) 。由于空气与混凝土介电常数差别较大, 电磁波在混凝土与空气之间将产生强反射信号。在脱空比较大时, 围岩界面清晰可见, 在地质雷达剖面图上主要表现为在混凝土层以下出现多次反射波, 同相轴呈弧形, 并与相邻道之间发生相位错位, 且其能量明显增强。

探测后现场作业人员对探测结果进行选点打孔验证, 现场验证与探测结果吻合较好。

4 结语

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。

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, 简述了侧线布置、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