地质雷达工作原理及其在隧洞检测中的应用

ｌ　２０　文章编号：１００６—８１　３９（２０１６）０４—１２０—０３　山西水利科技　２０１６年１　１月　地质雷达工作原理及其在隧洞检测中的应用　王小利　（Ｉｌ　Ｊ西省水利工程质量　安令监督站…西太原０３０００２）　摘　要：文中介绍了地质雷达的发展以及工作原理，以山西省大水网工程为例，阐述了地质雷达　在隧洞检测中的应用，明确了雷达检测流程、　关键词：地质雷达；发展；原理；隧洞；检测；图像解释；识别　中图分类号：ＴＶ５２３　文献标识码：Ｂ　Ｇｅｏｌｏｇｙ　Ｒａｄａｒ　Ｗｏｒｋｉｎｇ　Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ａｎｄ　ｉｔｓ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｔｈｅ　Ｔｕｎｎｅｌ　Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ＷＡＮＧ　Ｘｉａｏ—ｌｉ　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ　ｔｈｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｇｅｏｌｏｇｙ　ｒａｄａｒ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ａｎｄ　ｉｔｓ　ｗｏｒｋｉｎｇ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ，ｔａｋｉｎｇ　ｔｈｅ　Ｓｈａｎｘｉ　Ｂｉｇ　Ｗａｔｅｒ　Ｎｅｔｗｏｒｋ　Ｐｒｏｊｅｃｔ　ａｓ　ａｎ　ｅｘａｍｐｌｅ，ｅｘｐｏｕｎｄｓ　ｔｈｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｇｅｏｌｏｇｙ　ｒａｄａｒ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ｔｏ　ｍｏｎｉｔｏｒ　ｔｈｅ　ｔｕｎｎｅｌ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｉｏｎ　ｔａｎｄ　ｅｌａｂｏｒａｔｅｓ　ｔｈｅ　ｒａｄａｒ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｐｒｏｃｅｄｕｒｅ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｇｅｏｌ０ｇｙ　ｒａｄａｒ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ；ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ；ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ；ｔｕｎｎｅｌ；ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ；ｉｍａｇｅ　ｅｘｐｌａｉｎｉｎｇ；ｉｎｄｅｎｔｉｆｖｉｎｇ　．０　引言　地质雷达探测技术是一种利用高频电磁波（宽带　电磁波）来探测介质内部不同物质（不同介质）分布规　律的一种新型地球物理方法，是最新发展起来的高效　的浅层地球物理探测新技术。与探空雷达技术相似，　探地雷达是向地下发射高频电磁脉冲波来探测目标　地下目标探测能力得到了很大的提高，自上个世纪７０　年代以来，探地雷达的实际应用范同迅速扩大，并且　由于微电子技术的迅速发展，现在的探地雷达早已由　庞大、笨重的设备演变成ＩＪ，ｘ５轻便、易携带、好操作的　＿ｊ　具。　自上世纪７０年代开始，地质雷达的应用领域逐　渐扩大，在考占、铁路、水利、公路、建筑各领域都有重　要的应用，例如对施工工作场地进行勘查，工程线路　的选择，工程质量检测，工程及地质病害诊断，一　程的　超前预报，地质结构、隧道内部以及地基和道路下空　洞裂缝、水坝、隧道、堤岸内部隐患，探测定位研究等　问题。地球物理领域中有地震ＣＴ、地震而波、反射地　震、地质雷达等多种丁程探测方法，因为地质雷达的　体及地质现象。地质雷达探测技术因具有高分辨率、　经济便捷、剖面直观、并可实时图像显示而受到工程、　探测等的欢迎。地质雷达技术已成功地应用于工程勘　察、无损检测、矿产资源调查、文物及考古探测等众多　领域．取得了显著的效果和社会经济效益，并在实践　中不断完善，从而必将在今后的工程探测领域发挥着　愈来愈重要的作用Ｉ　Ｉ。　分辨率高、图象直观、快速便捷、探测精度高，而受到　１地质雷达的发展　雷达原理应用于探地，早在１９１０年由德目的　ｒ程界广大技术＿Ｔ作者的信赖和欢迎。　２地质雷达探测的工作原理　２．１工作原理　地质雷达探测技术，首先利用主频为数十兆赫至　Ｇ．Ｌｅｉｍｂａｃｋ和ＩＡｗｙ以专利的形式予以阐明。随着设　备信噪比的提高和数据处理技术的应用，探地雷达对　收稿日期：２０１６—１０—２７　修回日期：２０１６—１０—３０　作者简介：王小利（１９８０一），女，２０１２年太原理工大学硕士研究生毕业，工程师．　第４期（总第２０２期）　王小利：地质雷达工作原理及其在隧洞检测中的应用　Ｉ２ｌ　干兆赫兹波段的电磁波，以宽频带短脉冲的形式，从　地面经由发射天线发射器发送至地下，经由地下目标　物或地层不同介质时发生反射，界面反射后，电磁波　３地质雷达应用　近年来，地质雷达在工程检测中的应用急速扩　返回地面，被天线接收器接收，通过处理图像解译信　号，以达到探测地表浅层日标物的目的。与传统的地　球物理方法相比，地质雷达最大的优点就是快速便　捷、探测精度高以及对原物体无破坏作用。因此，地质　雷达在铁路、公路和水利质量检测领域已逐渐被认识　到，并广泛应用起来。　大，在中国，地质雷达技术已广泛地应用于许多重要　＿Ｊ　程项目质量检测中。比如水利、公路、铁路、机场跑　道等Ｔ程，普遍采用地质雷达检测。检测项日有隧道　衬砌厚度、混凝土浇筑质量、空腔和空洞、混凝土内埋　藏物状况、渗漏带、回填密实等问题。日前阶段预报空　腔和空洞、渗漏带、回填欠实等的准确度，很大程度上　依赖于经验。　２．２地质雷达的组成　地质雷达的构成主要由主机、天线和后处理软件　部分构成。主机的作用是实现雷达系统的控制、数　据采集、处理和　示（日前，也有设备将主机和　示器　分离如意大利ＩＤＳ地质雷达）。天线是地质雷达的核　３．１原始数据形成　随着科技的发展，人类需求的增长，对隧洞１　程　婴求越来越多．ｔ－Ｅ￣ｎ隧洞贯穿距离长、埋藏深度大、地　质结构复杂、运行工况差等原因，往往造成施工进度　达不到要求，并且无法对施　质量进行准确监控。而　心，一般接收、发射天线、信号发射器和信号接收器都　封装在一个箱体内，统称为天线。一台主机可以设置　多个通道用以连接不同中心频率的天线，来满足不同　介质中不同探测深度和分辨率的要求。一般情况下，　浅层地下介质情况较为复杂，数据采集后，需进一步　经由后处理软件进行运算，通过增强异常区域数据，　以便于更容易获得探测区内部情况，得出探测物的准　确结论。　地质雷达检测的方便、快捷和对原物体无破坏等优　点，可以最大限度地满足施工参建各方准确掌控隧洞　施工状况和施工质量的要求。山西省某大水网隧洞Ｔ　程即采用地质雷达（意大利ＲＩＳ）检测技术对隧洞质量　进行检测，其中一段隧洞采集数据图像见图２。　２－３雷达图形特征　雷达图形主要特征是：当雷达电磁波在介质中传　播时，遇到不同介质分界面会产生连续强反射，即雷　达图像中不同介质界面层状面层位图随着分界面而　发生波动起伏；对于介质中空洞或球状物，随着雷达　天线从目标物正上方移动过去时，因为回波的走势是　从大变小再变大，所以，雷达图像会呈现“双曲线”特　征，“双曲线”顶点对应的深度为目标埋深；对于扁平　埋藏物，图形的边沿与柱状物类似，图形正上方与分　界层面类似＿２Ｉ。雷达特征图形见图１。　Ｔｘ一发自．ｊ火线　Ｒｘ一接收天线　纠ｉ离，ｌ１　图２隧洞原始数据　图２中视窗显示雷达图纵向以０　ｍ为起始深度，　０．６０９　ｍ为终止深度；横向为雷达的扫描方向（扫描距　离１～８．４　ｍ）；起始时间０　ｎｓ终止时间１２．】】ｎＳ（纳　藏物　秒）。滤波参数设定为时域垂直带通滤波器上下限频　率值为１００　ＭＨｚ和１　９００　ＭＨｚ；频域垂直带通带陷滤　波器上下限频率值为ｌ００　ＭＨｚ和ｌ　６００　ＭＨｚ；时域水　…状介匝界ｉｆｔｆ　ＩＩ－＿●＿＿－－－－＿－－－＿－－●●●＿－＿－－＿＿－　喜　－＝－　平带通（水平滤波）的高切及低切Ｅ下限值为０＿３［Ｉ／ｉｌ１］　薹　和１０［１／ｍ］；近程增益控制线性增益步长２　平滑增　益步长２　ｍ以及背景去除上下限深度０～１０　ｍ。此时的　｛　图１雷达特征图形　Ｉ　雷达图属于最原始的数据图，是所有有关数据的堆　积。要对地表浅层状况进行评判，就必须对采集的原　ｌ２２　王小利：地质雷达工作原理及其在隧洞检测中的应用　２０１６年ｌ１月　始数据图像进行进一步的处理。　获得该段隧洞钢筋以及钢拱架布置Ｊ睛况，比如测量段　３．２雷达剖面图的形成　根据检测目的不同，应用场合的不同，雷达原始　内钢筋和钢拱架数量，钢筋钢拱架埋藏深度。　雷达行进距离，ｎ　数据也千变万化，因此在处理数据前，需要确定合理　的处理流程。隧洞检测中我们的主要处理流程是通过　对振幅的强度以及显示进行图形凸显。首先去除雷达　直达波，即调整直达波位置，把雷达直达波调整到时　窗零点位置，这对于确定深度非常有效、直观，这样我　们可以直接从处理后的雷达剖面图上读取探测物的　００＿　皇　ｊ　６　７　８　＋钢筋保护层厚度　一钢筋保护层厚度平均值　ｅ一混凝土衬砌厚度　混凝土衬砌厚度平均值　—…！　＝　＝＝ｉ　深度；然后进行背景消除，通常要凸显异常雷达信号，　我们采用消除背景的方法，去除背景噪声和驻波干扰　图４雷达检测结果　Ｄｅｐｔｌ１　ｌ　ＬＩＩ）ｌ（Ｘ）０３×ｌ５　信号，以期达到压缩水平干扰信号，提取有用信号的　目的，即以去除水平背景噪声和振铃效应所造成的干　扰；再进行时域垂直带通滤波，目前的雷达均以超宽　带雷达为主，因此雷达的原始数据中既有各种有效波　又有干扰波。滤波主要以压制干扰信号、提高信噪比、　获得介质响应特征信号为目的的雷达信号常用处理　方法，特别是一维滤波，即时域垂直带通滤波；最后对　勰　∞　嘏　雷达图进行线性增益和平滑增益处理。雷达数据经过　送　处理后，再利用数据解释与分析模块对雷达数据做进　一步的修饰、计算等操作。这就获得检测区域内的雷　图５利用软件处理后的剖面图　１．１１）１０００３×１５　１）ｅｐｌｈ［ｍ］　０　达剖而图，如图３。　根据施工后复核该段围岩类别为Ｖ类，图５中　Ａ—Ａ为第一层钢筋布设位置，图中显示约７　ｍ的检测　距离，布设钢筋３７根，７．３　ｍ内钢筋间距０．１９７　ｍ。Ｂ—Ｂ　为钢拱架布设位置，７　ｍ距离内有７榀钢拱架，间距约　１　Ｉｎ布１榀。图４是经过计算转化后得到的钢筋保护　层厚度和混凝土衬砌厚度。图中７．３　ｍ长度内钢筋保　护层厚度平均值为０．０２４　ｍ，混凝土衬砌厚度平均值　约０．３３８　ｍ　ｌ・ｆ】７　２　’　４７　８×【【ｌ１ｊ　实际应用中，隧洞经常是在岩体中开挖，混凝土　与岩石两种介质较为接近，所以在雷达图形中无法直　接获得混凝土浇筑的层位线，即隧洞的衬砌厚度。而　是通过钢拱架或防水材料以及实际施工的～Ｌ艺工序　计算得到。一般由于雷达电磁波的叠加作用，在布设　距离／距离　　ｍ　图３隧洞割面图　３．３图像解释和识别　获得雷达剖面图并不意味着检测工作的完成。还　需要利用软件中数据解释与分析模块，并根据设计图　纸以及实际施工过程对雷达数据做进一步的修饰、深　度汁算、图表转换等操作，即对雷达图像进行解释和　识别，对地表浅层做出明确描述。　多层钢筋网时第二层钢筋若层间距较小时，第二层钢　筋在雷达剖面图中不易找出。　即使经验丰富的技术人员，在数据处理后，图像　不可避免地出现人为或系统等误差。在雷达数据图像　该　程设计要求布设钢筋两层，钢筋间距０．２　ｍ，　钢筋设计保护层厚度０．０３５　ｍ、允许偏差不小于一２　ｃｍ。　并于隧洞开挖后立即设立钢拱架，混凝土衬砌厚度　中每个点的扑捉都具有较大的随机性和跳跃性。以在　水利隧洞检测中钢筋、钢拱架的间距、埋藏深度评判　时特别明显，所以，我们在数据导出后，经常对检测段　内钢筋、钢拱架的间距、埋藏深度做平（下转第１　１９页）　０．３５　Ｉｌｌ、允许偏差一８．８～８．８　ｃｍ。从图４、图５中可明确　第４期（总第２０２期）　构成一１…司　地Ｉ　Ｉ一水神常、暖泉分圳　王东华：水神堂泉域边界勘测研究　溶水系统的　排泄点、通过水文地质　ｊ物探渤　．』　ｉＪ没仃地质构　造作　定的隔水边　，【＾４此，　泉之　幢该　可移动　的岩溶地下水分水岭　Ｉ　影响水神　泉水水化下降的　原　，不仪　一Ｊｌｉ　的降水　地下水开采仃火，而且　蔚县境内的地下水开采有火协　蔚　境内的采　煤排水，　造成地下水水位急　下降干¨严　的地质灾　害，因此，以行政边界划为水｝ｆＩｌ　的泉域尔边界，只沣　重广灵县的地卜水管理．没囱‘ＩＷ　之　的协同配合，　是难以实现水神常泉域水资源的科　１－＾：　的　３．２关于泉域南边界　关于水冲堂泉域的南边　，…十将，　流河断裂　为阻水断裂，故将，、　流河断裂划为泉域ｒ｝ｊ边界，并据　此制定卡Ｈ成的管理条例，得刮泉域ｉｌｆｆ６＂，为５１８　ｋ，１１：本　文研究成果表叫，壶流河断裂小属于¨ｉ　性阻水断　图７　水神堂泉现状边界与修正边界　为保　ｌ　泉域水资源的科　：僻州提供Ｊ　科学依据　４结语　本文根据水｝【｝Ｉ常泉域水资源保护ｌ　程提　的要　求，啦用水文地质　ｊ地球物　力‘法刈　ｊ泉域管理有直　接联系的尔边　南边界地匝卡勾造搜其性质进　Ｊ　十阻水断裂、而　调查，取得ｒ东边界没行　水地质十勾造、可按地下水　移动分水岭划分．　流河大断　层，而是南部下降、北部｝　升的张　ｌｌ　断　．断层倾角　大于６Ｏ。，属于导水断裂带，…　级断裂　成：显然，　泉域南边界需要向南扩展剑广　一　ＩＩＩＫ间的地　表分水岭　按现状边界制定泉域水资源竹　条例，将　本来属于泉域以『人Ｊ的管　水断流的　素之一。　域，却按泉域以外对待．　足张性导水正断层的成果，迎ｃ义将南边　扩大到南山　分水岭，泉域　积呵增加一俯，、泉域范　的划分小当，　Ｌ［￡是泉水断流的ｆ　索之一。血建、　符合泉域范　的水　资源管理条例，力‘／ｔＪ‘实现泉水的科　护　显然，难以保证泉域水ｊ｝ｆ泺的科　僻　．也址导致泉　３．３关于泉域范围　Ｆ｝１卜述讨沦可知，按照地表分水岭将水ｆｌ｝ｊ堂泉域　南边界确定住广灵县南¨１　１ｊ灵　的，即冈７的扩展边　分水岭处是合理　、　流河断裂带（【ＪＩｊ脱状边界）　参考文献：　［１］１　干小，等．求　＿ｊ匕蔚　一广　、卜地　ｉ　地Ｉ÷ｉ缘断裂　的断　，卜ＫｆｆＪ｝＝究ｌＩｌ１．地　地质，２０１　ｌ，３３（４）：８２８～８３０．　南部的地下水补给埘泉域水资源仃什Ｊ＿ＩＩ＝接　系一这　样，泉域而积扩火到ｒ　ｌ　２００　ｋｍ　，比　定　积增加了　一［２　梁水平．等．　』叫』七力　溶地卜水环境ｎｔＪ题　保护Ｍ：．』匕　‘　：地质Ｈ；版什．２０１４：２２—２４．　倍，不仪扩大　水伸常泉现状的补给范　Ｉ，由原来　￣９－１１：Ｌ【１、西…地区的降水补给，扩人刮南１Ｉ１地区及盆　地南部降水补给径流区，而ｌｌｌ｛．改变Ｊ　泉域僻理范同，　止　儿　ｊ也　—　ｊ止ｊ止　—　：３　帏行瑞，等。　溶水系统１　Ｍｊ．，ＩＬｊ　：地ｈ矗…版礼．１９９３：２０Ｉ一　２【１　皂　ｊ也．—　—　ｊ止　ｊ止　Ｊ－　（上接第１２２页）均ｆ￣ｉ，＇ｔｚ价ｊ比ｆ“１何２　ＩＩＩ多少俐筋（钢拱　架），间距为多少，是　满　没汁问　求等　Ｉ冬１像的Ｉ　演结果和　程实践成　这　个　而来完成　解释　ｊＩｊ｛别的　所以，　得刽Ｉ　Ｊ：１“１１‘＇：－、准确的雷达检测结　果，必须是经验技小＝索质过碰的技术人员对高质垃的　雷达Ｉ冬Ｉ像进　ｎＦ确的　常削圳、　４结语　地质雷达应川于隧涮枪测，对于隧ｆｌ，￣Ｊｔｌ４凝上浇筑　质量，混凝土内部缺陷的检验削定　ＪＪＩｌ简　快速，　像解释和识别是一个经验积累的过程，　人程度上在　于技术人员的经验．　参考文献：　１］常　协．地顷　｝　（２Ｉ］：ｌ２６．　的Ｉ‘ｆ１　搜ｈ；／川Ｉ．Ｉ．ＩＩＩ　ｐ　建筑，２００７　１２　卡勿峰．彭　萍．地质　达　洲　利．　ＩＩ；版｝ｆ　，２０１０：５２．　，Ｊ‘　：研究　Ｍ　＿Ｊ　：　雷达探洲结果【殳］像解释和识别　嘤依赖于雷达