第４期（总第２０６期） 文章编号：１００６—８１３９（２０１７）０４—０３９—０５ 山西水利科技 ３９ 地质雷达在水工隧洞衬砌检测中的应用 白 凡 车光朴 （１．山西省水利工程质量与安全监督站山西太原０３０００２；２．天津润泰工程监理有限公司天津３００２０２） 摘要：地质雷达检测以其高精度、高效性、无损性等优势，在市政、铁路、公路等工程领域得到了 广泛的应用，而在水利工程中的使用尚处于初级阶段。文中介绍了地质雷达的检测原理，并结合工作 实践，阐述了地质雷达在水工隧洞衬砌检测中的工作方法和图像分析。 关键词：地质雷达；水工隧洞衬砌；检测原理；工作方法；图像分析 中图分类号：Ｕ４５５．９１ 文献标识码：Ｂ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｇｒｏｕｎｄ Ｐｅｎｅｔｒａｔｉｎｇ Ｒａｄａｒ ｔｏ Ｍｏｎｉｔｏｒ ｔｈｅ Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ Ｔｕｎｎｅｌ Ｌｉｎｉｎｇ ＢＡＩ Ｆａｎ ＣＨＥ Ｇｕａｎｇ－ｐｕ Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＨａＶｉｎｇ ｓｏｍｅ ｓｕｐｅｒｉｏｒｉｔｙ ｉｎ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｗｏｒｋｓ ｑｕａｌｉｔｙ ｓｕｃｈ ａｓ ｈｉｇｈ—ａｃｃｕｒａｃｙ，ｈｉｇｈ－ｅｆｉｃｉｅｎｃｙ ａｎｄ ｎｏｎ－ ｆｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅ ｔｅｓｔｉｎｇ ｏｎ ｔｈｅ ｍｏｎｉｔｏｒｅｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｔｈｅ ｇｒｏｕｎｄ ｐｅｎｅｔｒａｔｉｎｇ ｒａｄａｒ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｕｓｅｄ ｅｘｔｅｎｓｉｖｅｌｙ ｉｎ ｒａｉｌｗａｙ，ｈｉｇｈｗａｙ ａｎｄ ｍｉｎｉｃｉｐａｌ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｓ．Ｂｕｔ ｕｓｉｎｇ ｉｔ ｉｎ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｉ‘Ｓ ｉｎ ｐｒｉｍｅ ｐｅｒｉｏｄ ｙｅｔ．Ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ｔｈｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｔｈｉｓ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ，ａｎｄ ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ ｔｈｅ ｗｏｒｋ ｐａｃｔｉｃｅ ｎａｒｒａｔｅｓ ｔｈｅ ｗｏｒｋ ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ ｉｍａｇｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｄｕｒｉｎｇ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｔｕｎｎｅｌ ｌｉｎｉｎｇ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｇｒｏｕｎｄ ｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎ ｒａｄａｒ；ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｔｕｎｎｅｌ ｌｉｎｉｎｇ；ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ；ｗｏｒｄ ｍｅｔｈｏｄ；ｉｍａｇｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ０引言 水工隧洞是水利枢纽中的重要组成部分之一，主 要包括引水隧洞和泄水隧洞两大类。对于地质条件较 差的洞段，水工隧洞常用锚喷支护作为初支，钢筋混 凝土作为永久性衬砌，以确保隧洞施工期和运行期的 安全。 地球物理勘察技术，地质雷达以其精度高、效率高、无 损性、抗干扰能力强、灵活方便等特点在如今的隧洞 工程质量检测中得到了普遍的认可和较为广泛的应用。 １检测原 】 地质雷达是利用电磁波探测目的体和地质现象 的一种无损检测设备，通过发射天线（Ｔ）将高频电磁 波（主频为１０～１ ０００ ＭＨｚ）以脉冲信号的形式入射到 被测物体，当电磁波遇到物理性质不同的两种物体界 面时发生反射，反射回的信号由接收天线（Ｒ）接收（图 １），电磁波往返行程走时ｔ值为拉、 。 当被测物体中的波速 已知。则根据上式代入ｔ 值（单位通常为ｎｓ，ｌｎｓ＝ｌＯ Ｓ）即可推出目的体距被测 隧洞衬砌质量在施工过程中的影响因素很多，可 能出现的质量问题包括衬砌厚度不足、脱空、不密实 等，更有甚者，因参建各方质量管理把控不严、施工队 社会责任感和道德观念不强，施工过程中存在偷工减 料的恶性行为，为及时发现和预防此类问题的发生， 需使用一种高效快捷、覆盖面广的方法来检测。传统 的检测手段所进行的目测、钻孔取芯和非金属超声波 物体表面的深度值（ｍ）。式中 值（ｍ）为发射天线与 接收天线的间距，由于两者通常会被集成于同一保护 等方法已不能满足实际工程的需要。作为一种新型的 收稿日期：２０１７—０６—１２ 修回日期：２０１７—０７—０４ 作者简介：白凡（１９９１一），男，２０１３年毕业于天津大学水利水电工程专业，助理工程师。 车光朴（１９９１一），男，２０１３年毕业于天津大学水利水电工程专业，助理工程师。 ４０ 白 凡，车光朴：地质雷达在水工隧洞衬砌检测中的应用 ２０１ ７年Ｉ １月 壳『人Ｊ，凶此 值是 定Ｉ１＿已 的 ｆｆ［（ｍ／ｌ１ｓ）可用宽 拟合的力 式求｝ｆＪ， 被洲物体的导Ｉ乜率ｆｌ！低时，可根 据公』弋 ｒ／、／／ 近似求出 值，其中ｅ表示被测物 体的卡日对介电常数ｆｆ［（现场测定） 表示光速（ｃ－＝ ０．３ １１｜／Ｉ ｓ） 地质酋达丰 应用于地顷勘探、公路道路、 隧洲付砌等力 而的榆洲，被测物体（岩 、普通混凝 上、澌青混凝土等）的导电率普遍很低，１人Ｉ此一般可根 近似式ｚ ｃ－／、／￡结合雷达主机 的电磁波双程 止时．直接求得ｌ＿｛的体的深度 值： ｃ’ｆ 一 ２、／ Ｔ卜． 、 Ｉ｛ ∞４ ，， ／ ， ，ｌ ， ／，／，， ｆ， ，，， ／ ／ ，，，，ｒ 体＆１１１＇１ ／ ＼ ／ ＼＝ 、 ， ＼ ＼ ／ ／ ＼ｌｌ １小＿Ｉ＿Ｊ＝物胚 ｝ＩＩ＇ｌ ｌ图１ 电磁波反射探测原理… 借达 像的 求彤式为脉￣Ｉ：ｔＩ反射波的波形，ｒｈ一 道道紧密卡Ｈ邻的 道波组成：每～・道单道波的止负波 峰分圳反映为黑ｒ１色（或者白黑色、彩色） 此连续 ｒ 道波的同相轴即可 现ｆ｝Ｊ日的体Ｎ＇，Ｊ ＪＪ．射界 雷达 像卜各测点的波Ｊｌｊ：Ｊ￣ｊ以垂直于物体ｌ表ｌ 的 ｉ 求，肜成｝］的体的削ｌｌｆ （网２），再通过滤波降噪、 号 、冈像合成等数槲处理手段，形成傲洲物体的 捕 像（图３） ｉｌｌ＝ｒ．＾次反射波信号衰减严重Ｆ＝Ｌ受初 次反射波信号绕射十扰较大，冈此Ｆ１的体下表面的反 射信号难于接收及以圳，从Ｉ冬Ｉ像中我ｆｉ、Ｊ通常只能观察 刮｝Ｉ的体的上表而，ｎ『殳１像中反映的¨的体较实际 篱 鲻 图３处理后的雷达图像 、ｒ偏人 介顷 的ＩＵ 后异越大，反 …的ｆ乜磁波能 趔 强，则 达ｆ冬Ｉ像Ｉｉｌ埘应的 Ｉ的ｆ小的 征ｔｈ．越消 ． 混凝上 ｊ钢筋、泓凝上 ｊ 气、 凝卜 水等均仃 ｛ 慢烈的反射， 此．通过刈雷达 像的刈读，便可僻 刮Ｉ：ｊ的体的分 似 和状态 ２ Ｔ作方法 根据《水利水 程物探规 》（ＳＩ ３２６—２００５）规 定，雷达７ＪｉｌＪｉｆ￣采ＪＩ Ｊ纵向 的力 ，分圳在隧洲的拱 、左右拱微、 １ 边墙、底板各 一条洲线（ ４） 愉测时，火线ｌ 作ｉｌｆｆ；Ａ７ ｊ衬砌表Ｉｎ 紧惭贴合 述洲 动，同【Ｊ、ｆ宙达 饥发射连续脉冲ｌＵ磁波进｝ｓ－Ｊ：ｔ椭¨ 捕隧洞拱部时需 川 专』１ｊ｝ 作 ，他Ｆ榆测人扶将 人线举起以 讨彻 同ｌＪ、ｆ，为保” 效和满 分 辨率的 求， 线沿测线以５ ｋｎｌ／ｈ ｌ 的速度滑动为 Ｉ’Ｉ＝ 一０ ≯ｊ ｔ０ 拱顶 ≮． 牟＿拱性 删埋 ７１ １ｊ，Ｌｓ Ｊｌ；￣ｄ ・ ・ 尚 ■ 晦板 ’‘０ ．。． 图４地质雷达测线布置示意图 在水【 隧ｆｌ『１Ｉ＝枪洲中使用频率较高Ｊ／－－７，￣，划阵遍从 ｌ１『的ｌ 作台 包括以下几类：１）移动 脚手架（ ５）； ２）汽车上搭载 平台（ ６）；３） 乍＿｝二搭载升降 』 台（ ７）；４）裟载机铲 ． Ⅵ定台 （ ８） ３数据处珥 现场采集的数 婴通过处 软ｆ＇ｆ：ｊ －．Ｊｔ￣－一系列处 过程，才能形成便 ｒ我们分析 ｊ ｌ圳的图像 ， 对 像巾所做怀 进行校正许蜮 』 里程桩 他 与现场所标桩Ｉ 一一对应，必 Ｉｔ、 进行数 的 切、拼接、距离Ｕ Ｉｌ＿・化等处 ；其次，进ｉ 零点校ｉ 太 第４期（总第２０６期） 白 凡，车光朴：地质雷达在水工隧洞衬砌检测中的应用 直流漂移、滤波、增益调节等处理，使其达到较理想的 可分析状态；对处理后的数据进行分析判断，根据相 关规程规范和设计要求识别ｍ存在的质量缺陷，必要 时进行截图；将数据进行分段归档，根据ｒ作需婴确 定分段长度，如每１００ １ＴＩ的检测数据作为一个１ 程文 件进行存档，该 ｌ 程文件中应包含这１００ ＩＩ１范罔内 ６条测线的原始数据、处理过程数据和最终处理数据 ４图像分析 本文中所附雷达 像均采用巾 电波传播研究 所开发的ＩＤＳＰ６．０版本的地质雷达数据处理软件处 理，冈像中正波反映为白色，负波反映为黑色，横轴表 图５移动式脚手架 示所洲洞段的里程桩号，左侧纵轴表示时间标尺（ｎｓ）． 右侧纵轴表示深度标尺（ｎ１）。时间标尺即时窗，需住数 据采集前预设，深度标尺则是随着被测物体中电磁波 波速的变化而变化。下文针对水＿［隧洞检测中几种主 要日标物的明显特征进行简要描述 ４．１衬砌厚度 混凝土衬砌、喷射混凝土 ｊ同岩有明显的介电常 数差，因此在时问剖而罔ｌ二，混凝土和岩石之间有明 显的界线。雷达发射的直达波呈现几条平直的水平同 相轴的图像，而 岩开挖总有或大或小的不平整，故 衬砌界而一般为起伏不平的曲线图像（罔９）。需要指 图６汽车上搭载固定式平台 出的是，衬砌混凝土与喷射混凝土相对介电常数虽有 差别，但相差甚微，两者之间若接触较好，则可能不会 有明显反射，从而难以辨别。 ４．２钢筋网与钢拱架 隧洞衬砌结构中所布置的钢拱架和钢筋均为金 属导体（电磁波波速为０），电磁波从混凝土传播到金 属表而时，其能量几乎全部被反射，因此使用高频天 线探测混凝土衬砌中的钢拱架和钢筋时．可观察到明 显的反射弧（图１０），在图像中表现为“黑闩黑”的突 起，因此能够准确地检测ｍ钢拱架和钢筋的数量 如 存在偷ｊＩ 减料现象，雷达图像中会有明显体现（图Ｉｌ、 图７汽车上搭载升降式平台 图１２）。 ４．３脱空（空洞） 脱空现象在隧洞衬砌施工中较为常见，ｆＩＬ多发生 于隧洞拱部。由于空气与混凝土的电性差异较大，接 触而反射强烈，形成连续的同相轴图像、反射波振幅 越大，绕射信号越明显，说明空腔也越大 电磁波在空 气与混凝土两种不同介质界面的反射特征可从图像 中清晰地分辨 ，表现为一条“白黑白”的连续曲线 图８装载机铲斗上固定台架 （图１３），从而可确定空洞的位置和规模。 ４２ 白 凡，车光朴：地质雷达在水工隧洞衬砌检测中的应用 桩号 ２０１７年１ １月 ｕ／、ｆ鼍匿耄 ＼ 善垦言 ０ ２ ０．【）（） ５ ～崾譬一言 ０ ● ● ● ７ ｍ ｍ ｆ】．２０ ｍ ０．８０ 图９衬砌与围岩的分界面图像 桩号 （）．ｆｍ ０．２０ ０．４０ ０＿６（’巷 ０．８０ 图１０钢筋与钢拱架在雷达图像中有很强的反射 ０００ ０．２０ （ （ ４ ） ６ ） ０．４０ Ⅲ／ 藿越 壮 ０．６０ （）．８０ 图ｌ】 图像反映为缺少一层钢筋 Ｏ０ 图１２图像反映为缺少钢筋导致钢筋间距过大 第４期（总第２０６期） 白 凡，车光朴：地质雷达在水Ｚ－隧洞衬砌检测中的应用 ０（）ｆ】 ０． ｆ１ 一 、兰 ０．４０—－—ｊ 五 ０ ６０一 （１．８（） 图１ ３空洞在雷达图像中的反射 ５结语 地质甫达作为一种无损检测 段，为口 迎没 期勘探、建没期实体质量跟踪检测、竣Ｉ 验收成果提 法Ｉ－．Ｏ￣ｈ‘待改进， 探洲深 ｆＩ】分辨率力 ｉ（Ｉ ｊ仃 提 高 卡¨信任－４ 久的将来，地质卅达将作为水『 建筑物 的・利，弧 榆测丁・段．为１ 顷 扣叶、 一道 障 参考文献： １ Ｉ１＝ｌＩ『… 航，孙宏 ．畅峰．刘 ．Ｉ 荣．探Ｊ－￣＂ｊ ．Ｇ Ｊ－［ｉ！ｚ 交等力‘ 提供＿ｒ有效的技术支持ｆＨ住水１ 隧洲检测 Ｉ 作『ｆｊ，地质雷达的心 ｔＪ还处于摸索阶段，在ｌ 作办 也 止 — 止 Ｌ 也ｊ也 Ｌ 止ｊ止ｊ止 ｊ止 埂伶洲十Ｅ术 ＹＩ ．ｆ 海，『 海科 、 ￡术…版 ，２０１６． ｊ＾ ｊ屯 —§止—Ｓｌ上 ｝Ｌｊ－Ｉ— Ｊ也 也 Ｌ 止 （上接第３２页）略 后蚌，左岸水下稳定坡角１ １．０～ ｌｔｉ夷２可 Ｉ，Ｊ乍 最终Ｊ＝ｊ－｝ 总厅 乃ｌ０９．０× １０ ＩＩＩ 其中水 坍岸力‘量为６７．６×ｌ ０ １１１，，水ＹＪＬｔ－ｔ ４Ｉ．４×１０ ＩＩＩ、Ｉｌ 成戚 ，建议对 坡ＣＪＪＪ￣ｊ｛Ｉ 较人，对人 发个＝造 土质岸坡』＝Ｊ， 线范 Ｉ Ｊ、Ｊ的 坡进 １９．６。．、 均他１４．６。， 水下稳定坡角ｌ４．Ｉ～２Ｉ． 平 均值ｌ ７．３。，总半均仳Ｉ５．８。 综合孑虑，本 程ｄ取 ｌ５。参 ｔ 箅引用公』 十算参数收仇技汁算 表ｌ 表１ 代表性地质剖面参数取值及最终预测坍岸宽度计算结果表 洲 编 ｈ，１ Ｉｎ１ １０一１０ １１ ｉｆｉ＇ｉ＊Ｊ坡减裁并做防护处理， 水ｆ 以ｆ 坡『『Ｊ按２５～３０。 考‘ ，Ｊ车水ｆ 以卜按ｌ ３～ｌ５。 虑 ｔｔ Ｉ ●卢 ， ｜Ｉｌｌ ２．３淹没与浸没 现水库库 『』、Ｊ仃人造￣Ｊｔ：｝ｉｌｋ ｌ｛ｆｌ司土路，水阼 水 ，／（。） ／『Ｉｌ ／（。） ／（。。） １．０ 】 ０．５ ４２．０ Ｉ５．Ｏ ２０．０ ３０．０ ４３．（） Ｊ ３０．１ 仃住淹没 题 库区沟 尤常流水．仪ｍ零仃洪 地层多为ｆｌｆ￣，Ｊ－ 水层，透水性弱， １０—１０ ｆＩ‘ １．０ １ ０．５ １７．５ ｌ５．０ ２０．０ ３０．０ ３１．（） ＬＪ２．９ 水７ Ｉ ：沟底及 ：ｌ～地 水化 深大Ｈ．厍Ｉｘ ｆ、』 及企、【ｌ，等建筑物 库Ｉ≮ 岸发育冲沟３条，右 发育５条，冲沟范 不计人埘岸长度水库【ｆ１ｌ水范Ｉ｛；Ｉ『人Ｊ， 址 地 最 底高 ９３３ Ｉｌｌ，库尾地 最底高 ９６５ ＩＩＩ，ｉｔｌｉ．型 ｌＪｌｆｌ 处 地而最 高 ９４９ １１１，－叮作为平均断ｍ汁算，坍 算详 丧２ ￥）－，ｔｉｉ。【ｌ『 考虑波没问题 ３结语 ｌｑＪ芊区沟底救 大部为第【Ｊｕ系全新统冲 ，、Ｉｆ：￣．，ｒ｛ （Ｑ 。） 黄色、 灰色低液 黏土及中 新统洪积 汁 （（１）！ ）幸｝ｊ红色低液 黏士，属・ｔ１等一微透水 ，起到很 防渗效果．不 进行处理． 埘于丛岩 露区建议 做铺 以达到防渗效果 埘。－库岸稳定的塌Ｈ 现象， 建议采用：Ｉ）削坡减载， 以降低坡高或放绥坡伯米 改黔ｆｉＩ 坡的稳定性？削坡设计ｆ、 量消减／ｆ 稳定上体 的高度，而阻滑部分岩上体．４Ｋ Ｊ；Ｌｉ＇ｇｊ除２）人 枷ｌ占ｌ，如 修筑 上墙、护墙等吏挡不稳定体
