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地质雷达在隧道工程检测的应用

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【摘要】隧道作为公路与铁路工程建设过程中一项基础性的工程,其工程的施工质量与后续施工项目是否顺利进行有着密切的联系。地质雷达因具有高分辨率、空间与无损的优势,称为现阶段检测机构与建筑施工企业常应用的一种检测技术。本文主要对地质雷达技术应用在隧道工程检测中进行研究。

【关键词】隧道工程检测;地质雷达;应用

1引言

随着公路和铁路的建设力度不断增加,全国各地的隧道工程的发展也进入了一个新的时期,隧道工程的质量检测任务也日趋加重,隧道超前地质预报和隧道衬砌质量的检测更是重中之重。探地雷达技术作为现代地球物理勘探技术领域最新成果的结晶,不仅可以连续测量而且不具破坏性,是一种行之有效的无损检测技术。

2地质雷达的基本原理

地质雷达技术主要是通过电磁波技术,分析无线电波检测地下介质分布情况,并对地下界面或人的肉眼不能看见的目标进行扫描,地质雷达的主要作用是确定其位置与内部的具体形态,属于电磁技术的一种。电磁波的传播取决于介质的电性,介质的电性主要有电导率μ和介电常数ε,前者主要影响电磁波的穿透(探测)深度,在电导率适中的情况下,后者决定电磁波在该物体中的传播速度。不同的地质体(物体)具有不同的电性,因此,在不同电性的地质体的分界面上,都会产生反射。如表1,不同介质的传输速度与介电常数。

3地质雷达的应用与功能

3.1隧道超前地质预报

隧道施工过程中由于地质环境复杂多变,故需更快更好的查清隧道开挖面工程地质条件和水文地质条件,为隧道工程施工提供准确的地质资料,及时调整施工工艺,以降低地质灾害的发生几率。地质雷达隧道超前地质预报就是利用电磁波在不同介质的传播速度不同,以及地质界面的反射来预报掌子面前方围岩地质情况及富水情况,重点预报突水突泥及断层破碎带等不良地质的具体位置、规模及影响程度。

3.2隧道初支与二衬检测

在实际开展衬砌的相关施工项目过程中,需要喷锚初期支护作为主要受力结构,二次模筑混凝土衬砌主要作为安全储备和防水等用。因此初期支护的喷射混凝土层厚度检测是十分重要的,但目前隧道衬砌检测中,因喷层薄(仅5~20cm),检测喷层厚度的不多,难度也很大。而衬砌质量的检测也是重中之重。在解决隧道衬砌质量检测的问题中,我国的工程技术人员以往通常使用稳态面波法、超声波法和钻孔取芯法,但是这三种方法都不同程度的存在一些弊端,钻孔取芯法具有破坏性且以点盖面,超声波和稳态面波法工作效率低,无法连续测量。探地雷达技术作为现代地球物理勘探技术领域最新成果的结晶,不仅可以连续测量而且不具破坏性,是一种行之有效的无损检测技术。

4应用实例

4.1隧道超前地质预报实例

杉杉木岗隧道为单向双洞公路,单拱长隧道,隧道界面尺寸采用半圆拱型,此次超前预报掌子面里程桩号为K21+519,掌子面围岩以泥岩及砂岩为主,岩体呈强~中风化。岩体完整性差,岩体风化差异较大;节理裂隙较发育、岩体较破碎、强度低,多呈碎裂状及碎块状结构,岩体层间存在砂岩及泥岩互层现象,岩体层间结合力差,地下水较丰富,主要以基岩裂隙水为主,掌子面拱顶出水呈淋雨状~股状流水现象,右侧呈渗水状出水现象,受地质构造影响,岩体自稳能力差,开挖过后建议及时支护,避免发生坍塌。为了了解和判断掌子面前方一定距离内不良地质的性质、位置、宽度和影响隧道的长度,由此判断地下水情况、围岩级别和对施工的影响。(1)掌子面前方0~200ns时窗区段内(对应桩号K21+519~K21+529,参考电磁波波速为0.1m/ns,下同):该区段电磁波信号总体较为规律,同相轴较为连续,局部地区呈断续状分布,反射信号以中~低频率信号为主,信号振幅偏强,且存在低频振荡特征,局部地区频率较高振幅较弱;初步判断掌子面前方围岩以泥岩及砂岩为主,岩体节理裂隙发育、较为破碎、强度较低,总体裂隙含水较为丰富。其中掌子面前方50ns深度(对应桩号K21+521.5)范围存在一条斜向贯穿裂隙,裂隙富水性较强,掌子面前方160ns深度(对应桩号K21+527)左侧含水较为严重,裂隙富水性较强。岩层完整性自稳性较差,注意层间的软弱泥夹层。(2)掌子面前方200~400ns时窗区段内(对应桩号K21+529~K21+539,参考电磁波波速为0.1m/ns):该区段电磁波信号同相轴较为连续,振幅较强,反射信号以低频率信号为主,且存在强烈的振荡衰减特征;结合电磁波反射波形特征及相关地勘资料,初步判断掌子面前方围岩该区段含水量丰富。

4.2隧道初支与二衬检测实例

隧道初支检测主要是检测隧道的初期支护与围岩接触情况。衬砌背后无空隙,混凝土与围岩密贴较好则为接触良好。当喷混凝土背后回填不密实,混凝土与围岩之间有空隙时,由于空气与混凝土介电常数差别较大,电磁波在喷混凝土与空气之间将产生强反射信号。当空洞比较大时,围岩界面清晰可见,在地质雷达剖面图上主要表现为在喷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。图1为某隧道右拱腰位置初支检测数据,可以很明显的格栅拱架位置,以及初期支护背后空洞。通过准确实测衬砌界面反射信号的反射时间,可以准确得出衬砌厚度值,从雷达图像中可以看见衬砌厚度变化情况。此次检测二次衬砌与初次支护的分界面并不特别明显,原因有两点:①二次衬砌与初次支护之间的界面结合质量较好;②二次衬砌混凝土未达固结期。

5结语

综上所述,在隧道工程检测的过程中,应用地质雷达技术,对隧道超前地质预报以及隧道的衬砌进行扫描,相关的工作人员可以根据雷达扫描的成果图,确认隧道存在的地质不良体隐患以及衬砌其厚度、脱空程度与密实度,同时还可以对其工程整体的施工质量进行有效的探测,确保后续隧道使用的安全性。

参考文献

[1]李大心.探地雷达方法与应用.北京:地质出版社,1994.

[2]李智毅,杨裕云.工程地质学概论.北京:中国地质大学出版社,1994.

[3]钟世航.隧道衬砌状态检测技术进展,铁路隧道及地下工程.中国铁道出版社,1993,4.

[4]魏超,肖国强,王法刚.地质雷达在混凝土质量检测中的应用研究.工程地球物理学报,2004(5).

作者:李如 单位:江西省地质矿产勘查开发局水文地质工程地质大队

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