地质雷达法在洞室回填灌浆质量检测中的应用

郑思伟

(福建省建筑科学研究院 福建省绿色建筑技术重点实验室 福建福州 350025)



地质雷达法在洞室回填灌浆质量检测中的应用

郑思伟

(福建省建筑科学研究院 福建省绿色建筑技术重点实验室 福建福州 350025)

地质雷达法具有高分辨率、准确定位、高效率、结果直观、实时图象显示等优点，通过发射高频宽脉冲电磁波，并在更深处的界面上产生反射,这样即可得到测点上随时间变化的反射波信号，通过数据分析得到目标体分布情况。工程实例表明，利用地质雷达法可以探测到洞室回填灌浆质量的密实、不密实和脱空情况，地质雷达技术检测速度快、效率高，可适合于现场的大面积快速检测。

地质雷达;衬砌;灌浆效果;检测

0 引言

地质雷达是用频率介于106Hz～109Hz的无线电波来确定地下介质分布的一种方法。由发射天线发射超高频短脉冲电磁波以60°～90°的波束角向地下介质传播，电磁波在电性分界面产生反射由接收天线接收，以此得到传播规律来探测地下介质的分布。

随着城市化进程，地质雷达作为近十余年来发展较快的物探方法，以其高分辨率、准确定位、高效率、结果直观、实时图象显示等优点，受到工程技术人员的青睐。地质雷达法应用于基岩深度、含水量、软土层厚度，断裂构造等地质工程探查[1]，城市路面塌陷、岩溶塌陷、土洞、滑坡面等地质灾害调查[2]，地下水污染带检测，市政道路路面、铁路路基、机场跑道、洞室衬砌检测，堤坝病害，地下泄露，地下管线、既有地基基础检测及考古探查等工程质量探测[3-6]。

1 地质雷达基本原理

地质雷达是以探测目标与周围介质的介电常数电导率差异为基础，如图1所示，通过发射高频宽脉冲电磁波，并在更深处的界面上产生反射,这样即可得到测点上随时间变化的反射波信号。该信号是发射、接收天线之间地下介质电性分布的平均影像。当发射天线和接收天线在地表沿一条测线扫描而过,可获得测线上的一组电磁波信号,高频电磁脉冲波对地下介质电性差异的反射影像特征即可再现地下介质的分布形态。

图1 地质雷达探测示意图

大多数小的目标异常体其电性参数与背景介质差别较大,在两者的交界面处雷达电磁波将产生明显的反射,波的运动学和动力学特征也有所不同,高分辨率、灵活的作业方式也为地质雷达探测提供了较为理想的前提条件，并根据接收到电磁波的振幅、波形、双程旅行时以及频率等运动学和动力学特征来确定和推断地下介质结构、地层岩性特征的一种地球物理探测技术。波的双程走时由反射脉冲相对于发射脉冲的延时而确定。雷达图形常以脉冲反射波的波形形式记录。波形的正负峰分别以黑色和白色表示，或以灰阶或彩色表示。这样，同相轴或等灰度、等色线，即可形象地表征出地下反射界面。在波形记录上，各测点均以测线的铅垂方向记录波形，构成雷达剖面。同传统的探空雷达不同，地质雷达是在地下有耗介质中传播的，所以存在着高频衰减[3]。雷达高频脉冲地磁波在地下有耗介质中传播过程中产生的衰减现象，一般认为是由于电导率、介电弛豫性质和磁弛豫性质等多种因素引起的。

2 地质雷达现场工作方法

地质雷达法现场工作，必须根据探测对象的状况及所处的地质环境并选择合适的测量参数，才能保证雷达记录的质量。现场工作方法分为剖面法、多次覆盖法和宽角法[7]。

剖面法如图2所示，是发射天线(T)和接收天线(R)以固定间距沿测线同步移动的一种测量方式，当发射天线与接收天线间距为零，亦即发射天线与接收天线合二为一时称为单天线形式，反之称为双天线形式。剖面法的测量结果可以用探地雷达时间剖面图来表示。该图像的横坐标记录了天线在地表的位置；纵坐标为反射波双程定时，表示雷达脉冲从发射天线出发经地下界面反射回到接收天线所需的时间。这种记录能准确反映测线下方地下各反射界面的形态。 多次覆盖法如图3所示，利用不同天线距的发射-接收天线在同一测线上进行里复测量，然后把测量记录中相同位置的记录进行叠加，这种记录能增强对深部地下介质的分辨能力。

图2 地质雷达剖面法示意图

图3 地质雷达多次覆盖法示意图

当一个天线固定在地面某一点上不动，而另一个天线沿测线移动，记录地下各个不同界面反射波的双程走时，这种测量方式称为宽角法，这种测量方式的目的是求取地下介质的电磁波传播速度。

3 地质雷达特征图像

经处理的地质雷达资料，通过观察反射波组的波形与强度特征及通过同相轴的追踪，介面出现绕射波、多次反射波，同相轴呈弧形，并与相邻道之间发生相位错位，反射信号明显增强。对常见的洞室回填灌浆质量地质雷达法检测图像进行归纳分为密实、不密实和脱空[8]。

曲线信号平稳没有明显的反射界面，则该处回填灌浆质量为密实,如图4所示。

而衬砌中及衬砌与围岩之间界面的强反射信号同相轴呈绕射弧形，且不连续、较分散，如图5所示，则为不密实。

图4 洞室回填灌浆质量密实地质雷达特征图

图5 洞室回填灌浆质量不密实地质雷达特征图

对于衬砌与围岩之间界面反射信号强，绕射现象明显，在其下部仍有反射界面信号，两组信号时差较大则判定为脱空，如图6所示。

图6 洞室回填灌浆脱空地质雷达特征图

4 工程实例及结果分析

4.1 工程实例1

某水域建设调蓄水库3座，截引点5处，截引支线总长17.55km；隧洞11条，总长约36km，单洞长0.54km～10.7km；压力输水管道11段，总长约38km；加压泵站3座；工程等级为Ⅲ等中型工程。属低中山地貌单元。总体地形为西高东低，北高南低。地震基本烈度为Ⅷ度，属抗震不利地段。11条隧洞已基本全线贯通，正在进行衬砌工作，采用地质雷达法检测洞室回填灌浆质量。

对3#洞进行地质雷达法检测，测线布置如图7所示，洞隧洞拱顶布置1条纵测线，沿隧洞轴线每隔100m布置1条横测线，横测线长度为拱顶120°范围内，对发现异常的区域可进行加密检测。

图7 地质雷达法测线布置示意图

对探测数据进行了整理、分析，发现有2处异常区域，具体异常分布情况如下：

如图8桩号25+533.5～25+535.5处，衬砌与围岩之间发现不密实异常。

图8 桩号25+533.5～25+535.5地质雷达特征图

桩号25+847～25+850.5处，异常信号显示含水较大，推测衬砌与围岩之间不密实，如图9所示。

图9 桩号25+847～25+850.地质雷达特征图

4.2 工程实例2

某电站坝后量水堰经过化学灌浆和水泥灌浆施工后，讯后边墙及顶拱混凝土渗水、裂缝较多，因此需要对中孔泄洪洞洞身及顶拱及边墙进行检测，采用地质雷达及面波法探査该部位混凝土衬砌质量(主要是脱空缺陷)及洞壁岩体可能存在的裂隙、裂缝、洞穴等地质问题。

测线分布如图10所示，雷达法测线4条Z1、Z2、Z3、Z4，面波法测线2条Z1、Z3。

图10 测线布置纵剖示意图

测线Z1既有地质雷达法也有面波法，现以测线Z1为例，说明地质雷达应用效果。

地质雷达图像特征如图10所示，面波法检测结果如图11～图12所示，在地质雷达特征反应脱空的情况，面波法也有相对应的低速异常区，二者情况吻合，由此判断在Z1测线存在以下缺陷：

混凝土不密实及透水带：16.0m～18.0m、深度1.0m～1.5m处；64.0m～77.0m、深度1.0m～1.5m处。混凝土衬砌背后脱空及围岩灌浆不密实区：19.0m～34.0m、深度1.5m～2.5m处； 53.0m～82.0m、深度1.5m～2.5m处。

图11 Z1测线地质雷达成果图

图12 Z1测线面波成果图

5 结论

(1)利用地质雷达法检测洞室回填灌浆质量检测,可以探测到空洞、不密实体及脱空缺陷体，采用地质雷达探测方法有效可靠。

(2)地质雷达技术检测速度快、效率高，可适合于现场的大面积快速检测。

(3)可以利用其它检测方法对比地质雷达检测结果，加强后期施工过程质量控制和施工后质量检测工作，保证施工质量。

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The application of ground penetrating radar in the detection of backfill grouting effect

ZHENGSiwei

(Fujian Academy of Building Research, Fujian Key Laboratory of green building technology，Fuzhou 350025)

Ground penetrating radar has the advantages of high resolution, accurate positioning, high efficiency, intuitive, real-time image display.The high frequency pulse electromagnetic wave is transmitted and the reflection is generated on the interface in a deeper depth, so that the reflected wave signal with time variation can be obtained.The study showed that the geological radar method can detect underground backfill grouting effect of compaction, density and void, geological radar detection speed, high efficiency, suitable for rapid detection in the field of large area.

Ground penetrating radar; Lining; Grouting effect; Detection

郑思伟(1990.5- )，男，助理工程师。

E-mail:469583413@qq.com

2017-03-27

P225.7

A

1004-6135(2017)08-0121-04