地质雷达(grp)检测技术应用.doc

地质雷达（GRP）检测技术应用
XX公司
一、前言
随着铁路客运专线的陆续施工，隧道工程以其改善线形、缩短里程和环境保护等无比的优越性和重要作用，成为路客运专线建设工程结构的重要组成部分。但隧道施工中因现有的施工方法及工艺、施工者的偷工减料以及检测控制、施工管理不到位等原因引发的质量通病，一直是工程管理部门十分关注的问题。地质雷达探测技术的广泛应用成为解决这一施工难题的有效手段。
地质雷达（GPR）是近十余年来迅速发展起来的一种无损伤高精度的物理探测技术，在工程地质勘测、古遗址探测、地下埋设物探测和地下污染带划分等方面已得到较广泛应用。在控制隧道施工时运用地质雷达进行隧道施工超前地质预报、支护结构的质量检测，在指导隧道工程施工中，对加强工程进度、质量和安全管理，提高隧道施工技术水平方面发挥着巨大作用。作为一种无损检测技术，地质雷达（GPR）以其仪器较为轻便、检测快捷、操作方便、精度较高和检测结果能以图象方式实现实时显示等优点，成为一种控制隧道施工质量的有效手段。
二、地质雷达（GPR）检测的原理
地质雷达（GPR）是利用电磁波在传播过程中遇到电性界面会发生较强烈的散射原理，通过向被测介质发生高频电磁宽带脉冲，并接收由被测介质反射的回波信号，通过对接收到的反射波进行分析即可推断被测体的情况。电磁波在介质中传播时，其路径、电磁强度与波形将随所通过介质的电性质及几何形态而变化。
仪器大体上可分为主机和天线两大部分组成。主机由显示、控制和储存三部分构成；天线由发射和接收两部分构成。发射部分由脉冲发生电路和发射天线构成，产生并发射尖峰脉冲电磁波；接收部分由接收天线、高频放大电路和采样电路构成，接收的高频信号经放大后，由采样电路变换为低频信号，然后送到处理电路；控制部分由基准同步信号发生器、采样控制器和信号处理器等部分组成。接受到的信号在主机上可以显示、回放和储存，以便作进一步数据处理和分析
R
T

图1 地质雷达反射探测原理图

发射天线发射的尖峰脉冲电磁波与其行进的速度有如下关系：
V =c/√ε
式中：v——电磁波在某一材料介质中传播的速度（ｍ／ｎs）；
c——电磁波在真空中的传播速度，等于光速（ｍ／ｎs）；
ε——介质的相对介电常数，无量纲。
GPR发射的是高频电磁波，因此GPR在被测介质中的传播速度主要由介质中的相对介电常数确定。
电磁波向被测介质传播过程中，遇到不同的波阻抗界面时将产生反射波和透射波。反射波由雷达接收天线接收，所经历的时间t可通过时间脉冲记录器测知，并与介质厚度有如下关系：
h=（c/2√ε）· cosβ· t

式中：h——界面R。入射到界面R1 的垂直距离，亦即被测介质的厚度（m）；
t——电磁波从界面R。到达界面R1 在返回到界面R。历经的时间（ｎs）；
β——电磁波在介质中与主法线的折射角。
上式为理论计算式，实际检测中可能发生误差，使被测的材料层厚度不能满足精度要求。因此，须对介电常数这一关键参数进行实测校正。
(一)介质、仪器参数确定
1 介质参数测定
工作前应对介电常数进行现场标定，标定方法可采用在已知厚度且材料与隧道相同的其他预制件上测量或钻孔实测。标定记录中界面反射信号应清楚、准确。
3、1、2 介电常数计算公式
ε=（0.3×t/2×h）2
式中符号意义同前。
2仪器参数确定
2、1 天线中心频率的选择
㎡天线中心频率是指天线的发射频率。一般天线发射频率有50MHz~2.5GHz多种。发射频率既要考虑发射的穿透程度，又要考虑仪器的分辨率，同时也要考虑被测介质的介电常数。一般来说，选用的频率愈高，其测量分辨率愈高；频率愈低，则其分辨率愈低。对于隧道混凝土来说，厚度一般在0.25~2.0m之间，其介电常数一般在12左右，因此，频率选择应根据混凝土衬砌厚度、围岩类型和检测部位的不同，在400~1000MHz之间选择。
2、2 工作时窗的确定
工作时窗即雷达工作记录时间，与测深有关，一般根据所测深度来确定。雷达探测愈深，其选用的时窗记录时间应愈长；探测愈浅，则选择的时窗记录时间愈短。可按下式估算：
t=2h·（√ε/ c）·α （α为调整系数，一般取1.5～2.0）
一般要保持所要探测目标体在时窗的2/3以内，这样以确保采集信号稳定可靠性，并给目标体的深度变化留出了余地。
2、3 采样频率的确定
根据采样定理，一个周期内不少于2个点，可由下式确定：
s=2tf×10-3
式中 s——采样频率 MHz
f——天线中心频率 MHz
t——工作时窗 ns
(二) 检测方法
根据隧道结构与断面特点，一般测线沿隧道纵向布设3～5条线：拱顶、左拱腰、右拱腰、左边墙、右边墙。重点地段采用纵向、横向综合布线或布点。事中质量控制可横向布线，线距10～20cm。需确定回填空洞规模和形状时，应加密测线。
工作时，天线与隧道混凝土表面应贴壁良好，否则，容易造成图形虚假异常或畸变异常。检测一般采用快速连续采集，天线沿测线以5km/h左右的速度滑动。为保证点位的准确，在隧道壁上每5m作一标志，标上里程。当天线对齐某一标志时，由仪器操作者向仪器输入信号，在雷达记录中每10m作一标记，便于内业资料整理时查找相应位置。
三、地质雷达在隧道施工中的应用实例
1地质雷达在隧道施工中进行超前地质预报的应用
地质雷达在隧道施工进行超前地质预报，是在探测开挖工作面前方几米至几十米的围岩工程地质和水文地质情况基础上，及时提出预报，对照勘测阶段的地质资料，指导施工。在云南大保高速公路大箐隧道施工中,由于大箐隧道位于构造侵蚀深层切割高山峡谷地形,主要发育顺层节理及层间、层内劈理，岩体结
构主要为块状或片状，裂隙、断层发育，隧道埋深大，地下水丰富，顾此，在施工中，为保障工程进度、质量和安全，采用了地质雷达进行超前地质预报。在开挖前，结合地质勘探报告，每15~20米进行一次地质雷达超前量测，围岩变化地段进行加密，把量测结果通过专用雷达数据处理软件，进行分析，预报围岩硬度；预报节理、裂隙、断层发育情况；预报可能发生的涌水及塌方情况，由此及时改进开挖参数和开挖方法，为支护结构的调整做好机械、材料和劳力的准备工作，通过运用地质雷达进行超前地质预报，隧道月平均进尺在100米以上，支护结构稳定、内实外美，加快了施工进度，提高了工程质量，合理地处理了断层、涌水等特殊情况，有效地避免了塌方的发生。在业主组织的检查评比中，大箐隧道工程在安全、进度、质量等各方面均名列前茅。
2地质雷达在隧道施工中进行混凝土衬砌、支护结构中的质量检测
地质雷达在隧道施工中进行支护结构质量的检测，是对已完支护结构空洞、混凝土衬砌厚度、混凝土衬砌背部脱空、所受应力、结构材质结构强度、隐蔽的结构数量、衬砌与围岩结合情况、超欠挖情况以及衬砌背后的支护情况等进行探测。隧道衬砌检测的基本原理由下图所示：

T
R
T
R
R
T

界面 钢筋
空洞

隧道衬砌剖面

衬砌表面

时

间

图2 地质雷达剖面

当雷达天线发出的电磁波在贯穿衬砌后，遇到围岩界面、空洞、钢筋、钢拱架或其它异常体时，会产生相应的反射波形信号，根据这些异常波形信号对隧道衬砌的厚度及其背后情况加以判断。
在大箐隧道施工完毕后，对已完支护结构进行了检测，检测中使用美国地球物理勘测公司生产的SIR System-2000型地质雷达主机进行无破损检测，检测采用剖面法，发射和接收天线保持固定间距沿测线同步位移，记录为发射和接收天线的中点，天线选用900MHZ，探测深度大于2米，对有疑虑点选用500MHZ天线复测。检测结果表明：钢筋属强的反射介质，接收的电磁波较强，在图像上呈双曲线形，经过偏移和反褶积处理，图像进行变化，钢筋的真实位置、数量和间距就基本判断出来（如图1）；型钢拱架判断与钢筋相同（如图2）；二衬界面起伏较大，同相轴不连续，说明厚度变化不均，主要是由于局部超、欠挖所致，但浇筑密实，强度较高（如图3）。经过探测证明，大箐隧道工程支护结构质量满足设计要求，质量优良。

图3

图4

图5 二衬砼厚度变化图像
四、地质雷达的检测效果
由于雷达检测的结果并不能直接给出目标体的深度（衬砌厚度），而是时间曲线，为了将时间曲线转
换成深度曲线，还需知道探测介质的介电常数和波速。为此，需在现场用钻孔资料反演拟合来求取雷达波速介电常数，而混凝土中的雷达波速或介电常数具有一定的离散性，亦即其检测厚度的精度与其波速或介电常数的离散性有关。而其离散性取决于混凝土本身的密实程度、潮湿程度以及空区中空气的潮湿程度和充填情况（如空气、水或不密实填充体等）。总之，雷达测的介质体的状况只是一个相对值，具有一定的误差。据有关资料介绍，衬砌混凝土的雷达波速离散可达5～10%，计算出的衬砌厚度误差可在2～4cm。
五、结语
长期以来隧道施工质量的判断一直是工程界困惑的问题，随着隧道工程施工水平、检测技术的不断提高，地质雷达在隧道施工中进行超前地质预报、支护结构的质量检测手段更加完善，方法更加先进和成熟，成为判断隧道施工质量的一种准确、先进的检测技术，在隧道工程施工中得到了广泛应用。
在检测过程中，需检测人员具有一定的经验，熟悉隧道地质情况和施工情况，收集与熟悉设计资料，特别应注意定量解释的精度，加强现场实测波速（介电常数）的基础工作，并应考虑天线收—发距引起的误差，只有这样，才能更好地为施工服务。