关于地质雷达在超前预报及无损检测中的应用

关于地质雷达在超前预报及无损检测中的应用

许吉旭

中铁二十三局集团第二工程有限公司 黑龙江省齐齐哈尔市 161000

摘要：对地质雷达在公路及铁路工程中的作用进行了介绍，对地质雷达的工作原理、工作环境及优缺点进行了深入的探讨，用以推广地质雷达在工程中的应用。

关键词：地质雷达；电磁波；地质预报；无损检测

1. 前言

地质雷达作为最近几十年发展起来的地球物理高新技术方法，在工程建筑方面普遍应用到公路工程、铁路工程、市政工程、水利工程等基础设施建设中；在国家能源勘探中主要应用在固态矿物探测、石油天然气等国家能源探测中；同时地质雷达在考古中也有广泛的应用。

2. 基本原理

地质雷达工作原理主要是利用高频电磁波（雷达波）以宽频带短脉冲的形式。由于工作环境和工作要求不同，其发射主频可由数十数百乃至数千兆赫。通过发射天线发射到结构物（待检测区域）中，由于电磁波在不同介质中传播速率不同，以及通过地下不同介质或不同介质分界面时发生的反射传输到在地表的接受天线中，并同时由雷达的主机记录下该反射过程，形成原始的雷达剖面图，由于电磁波在介质中传播时其传播路径、电磁波强度及波形都随着传播介质和深度的改变而改变，从而导致该电磁波特性和几何形态的改变。因此根据接受到的电磁波特性，主要为波的幅度、频率、波形、旅行时间（即双程走时），对其进行分析和处理，对地下不可见目标的三维位置及物理特性进行评价。

由于地质雷达的发射天线和接受天线距离较近，所以电磁场方向近似法相穿过地面（或待观测结构的观测面）。由于地质雷达是通过发射和接受电磁波来进行检测的，所以也要遵循Snell定律即光（电磁波）的折射和透射定律，对通过不同密度介质中电磁波衰减率不同进行分析，同时参考波的形态及旅行时间，就可分析出地下不同介质分布情况。

接收天线所接收的反射回波旅行时间为：

式中：t­­­­­­­──────反射回波走时（ns）

h──────反射体深度（m）

x──────发射天线与接受天线间距离（m）

V──────雷达脉冲波速（m/ns）

3. 地质雷达在工程中的应用

3.1在隧道工程中的应用

3.1.1隧道开挖是隧道施工中风险最大的工序，在开挖中对掌子面前方围岩情况的预报就显得尤为重要了，用地质雷达对掌子面前方进行地质检测，对有特殊地质灾害的（溶洞、裂隙、富水、节理极其发育）的施工部位，采用超前钻探或者超前炮孔进行实际钻探，确定灾害部位、性质及地质灾害严重情况。从而及时计划应对方案，为提前预防施工风险做好准备，从而保障安全，提高工程效益。

3.1.2在隧道施工中，仰拱基础的围岩情况直接影响到施工以及施工完成后竣工通车时隧道安全，当隧道仰拱基础围岩较为破碎，或者有较大的溶洞和较宽的裂隙发育时，有可能造成隧道仰拱基础的不稳定，由于开挖隧道对山体原有的地质形态（溶洞、裂隙、地下水路）造成改变，如对水路造成改道或堵塞，当有大雨或其他较大水文变化时，地下水会汇集在隧道两侧裂隙发育较高一侧，这时如基础底不密实，在水压的作用下地下水会对仰拱下部产生压力，造成隧道涌水，严重时甚至会造成仰拱开裂或隧道产生不规则形变。这也是隐伏岩溶形成的条件之一。在隧道位置内存在原始地下水水系，如联通溶腔或大型溶洞群，裂隙发育岩层较为破碎的地质。在隧道施工完成后，原有地下水水路可能会受到改线或堵塞。在地下水的侵蚀下被破坏的水系会在隧道侧壁形成高压溶腔，如果水量较小会从隧道侧墙上预先布置的环状透水波纹管排到隧道内的拍水沟中。如水量较大时间较长，随着水的侵蚀在重力的作用下水会逐渐侵蚀到隧道下部。如果形成的溶腔较大，对隧道底部形成大范围溶腔或较宽的过水裂隙，会对极大的影响隧道底部承载能力。如果地下水系正常天气下水量不大，则其隐患较不明显，一旦有连续降雨或地下水大量汇集，在隧道侧壁或隧道底部溶腔形成高压水囊，就极有可能产生隧道侧墙漏水和隧道底部涌水或形变。

3.2在路基工程上的应用

众所周知，一直以来水都是对路基造成损害的最常见因素，因此在路基填筑前对路基基床下采用地质雷达观测其裂隙走向及溶洞发育情况，同时配合对边坡等可眼观的外露的岩层进行地质调查，从而及时对有可能产生的有损路基的水害进行预防或提前采取措施，减少不必要的损失。

3.3在对成品工成无损检测中的使用

工程产品质量一直都是施工中除施工安全外最重要的一项，采用地质雷达对施工成品、半成品进行检测也广泛的应用到各个工程项目中，更便捷、更经济、更准确的保证施工成品的质量检测。同时也减少接收半成品工程中的风险。

拿混凝土工程来说，当结构物为钢筋混凝土时，采用相应频率的雷达对结构物进行检测，可对该工程的隐蔽结构进行检测，如：保护层厚度、钢筋间距、钢筋数量及钢筋网层数进行检测。当结构物为素混凝土时也可对其混凝土密实程度及是否有其他填充物进行检测，从而对工程质量进行自检。

如；在隧道复合式衬砌施工中，初期支护和二次衬砌之间要设置防水板和无纺布填层，从而达到防水的目的，当隧道完成后对复合式衬砌进行质量检验，如果采取破坏检验（如钻芯取样）的方法，就会对隧道结构、防水、美观等方面造成不同程度的损害。采取地质雷达进行无损检测在不会对隧道造成破坏的前提下，同样准确的对混凝土密实情况、钢筋排列情况、各个结构层尺寸进行观测。

图中由于钢拱架为金属材料，雷达波在金属结构中衰减极大。从而形成较为直观的雷达波形图。由于初期支护和隧道原有的围岩材料有所差异，根据电磁波在不同介质中传播速率和在不同介质分界处的反射情况，经过成图分析也能形成较为直观的波形图。

该图为二次衬砌为素混凝土情况下，二次衬砌与原围岩分界处，本图由于素混凝土中没有钢筋，对雷达波衰减相对较弱，同时由于分界处为无纺布和防水板组成的复核防水结构，故雷达波反射教强烈，相比有金属结构混凝土雷达波形图更为明显。

4. 适用环境

地质雷达作为成熟的检测设备，它能适用大部分环境，但是由于地质雷达使用雷达波（电磁波）为工具进行检测，在施工现场大型的施工机械启动也会产生大量电磁波，难免会对检测产生一定程度的干扰，对后期雷达波形图处理上制造麻烦。同时通电的电路也会产生大量的电磁波，当在施工现场布置测线的时候尽量避免与施工现场与现场通电电线近距离平行。

5、总结

下面是我在使用地质雷达过程中总结的地质雷达优缺点，不妥之处，请批评指正。

5.1优点：

使用灵活、便捷。由于现在科学的突飞猛进，地质雷达的体积也逐渐变小，从以前的人抬肩扛到现在的单人手持。

操作简便。在成图分析软件的处理下使现场实际操作和后期数据分析都能采取简单的步骤操作，更方便人们操作。

直观、形象。在数据处理后形成成果图，能更形象和准确的将检测结果以图形的形式展现，更直观。

5.2缺点：

在磁性和具有导电介质中电磁波强度衰减迅速，在被磁性和具有导电性介质包围的岩层检测信号较弱。

参考文献：《地质雷达在水利工程质量检测中的应用》 刘康和

《地质雷达的工作原理及应用》 常铮

《雷达技术在隧道工程中的应用》 李永生