地質雷達在隧道襯砌工程檢測中的應用摘要:針對鐵路隧道施工中可能出現的質量問題,利用地質雷達技術進行隧道工程質量檢測。針對鐵路隧道,給出地質雷達在無損檢測應用中的工作方法,包括測線布置、采集參數設定、現場檢測和后期資料處理解釋。通過對現場數據處理分析,可以精確探測襯砌厚度,確定鋼筋及格柵鋼架的分布位置及數量,查明襯砌背后特別是拱頂存在的空洞和回填不密實區域。使用地質雷達對隧道混凝土襯砌結構進行檢測,實踐證明技術方法是切實可行的前言地質雷達法以其無損性、高效率、高分辨率等優點,正逐漸成為地下隱蔽工程調查的一種有力工具,現已廣泛應用于工程地質勘察、建筑結構調查、無損檢測、水文地質調查、生態環境等眾多領域。隨著交通事業的發展,隧道的大量建設,隧道病害也屢見不鮮。應用地質雷達檢測隧道襯砌,在鐵路、公路部門中已經普遍展開。應用地質雷達進行隧道襯砌檢測已有很多研究。檢測內容主要包括:隧道襯砌的厚度、隧道襯砌背后回填物的密實狀態、隧道襯砌背后與圍巖的脫空區域、圍巖的狀態及其地下水向隧道侵入的通路等方面。由于高頻電磁波在介質中的高衰減性,使得該方法的應用受到一定的限制。地質雷達的檢測效果不僅與地質雷達本身的技術,還與較多影響因素相關,因而使得實際工程中很多檢測效果并沒有達到預期的目的。因此,有必要分析影響應用地質雷達技術檢測效果的主要因素,解決地質雷達在隧道檢測中的有關技術問題,以便進一步提高檢測水平。

1．地質雷達檢測隧道襯砌目的隧道襯砌的質量檢測主要包括:①隧道襯砌厚度，②隧道襯砌背后未回填的空區，③復合式襯砌中兩層襯砌間較大的空段，④施工時坍方位置及坍方的處理情況，⑤襯砌混凝土回填密實度。有時還可檢測圍巖中地下水向隧道侵入的位置。近幾年來采用探地雷達來做主要檢測手段的越來越多。這是由于與其它方法相比，作為沿測線作掃描檢測的探地雷達工作效率較高。用探地雷達在全隧道噴錨初期支護完成后作一次全面檢測也是必要的，也應當進一步推廣使用以提高噴射混凝土質量。襯砌混凝土強度的現場檢測，目前常采用回彈儀法、超聲+回彈法、瑞利面波波速法等。2．隧道襯砌質量的檢測原理

與探空或通訊雷達技術相類似，探地雷達也是利用高頻電磁脈沖波的反射探測目的體及地質現象的，只是它是從地面向地下發射電磁波來實現.探測的，故亦稱之為地質雷達。探地雷達是通過天線將脈沖雷達波發射入被測物體，由接收天線接收不同物理性質物體的界面反射的雷達波，據此進行探查。實測時將探地雷達的發射和接收天線密貼于襯砌表面，雷達波通過天線進入混凝土襯砌中，遇到鋼筋、鋼質拱架、材質有差別的混凝土、混凝土中間的不連續面、混凝土與空氣分界面、混凝土與巖石分界面、巖石中的裂面等產生反射，接收天線接收到反射波，測出反射波的入射、反射雙向走時，就可計算出反射波走過的路程長度，從而求出天線距反射面的距離D（圖1）。

圖1

雷達探測原理示意圖

D=V·△t/2式中：D為天線到反射面的距離；Δt為雷達波從發射至接收到反射波的走時，用ns(納秒計)，1ns=10-9秒；

V為雷達波的行走速度，可以用幾何光學的概念來看待直線傳播的雷達波的透射和反射。V=C0/ε1/2其中，C0為雷達波在空氣中的傳播速度─30cm/ns；ε為介電常數，由波所通過的物質決定。即物體中的雷達波速由其介電常數決定。如空氣的ε=1，水的ε=80，混凝土的ε在6～14之間。實際上，雷達波之所以會在物體界面產生反射，是因為界面兩側物質介電常數不同。雷達天線可沿所測測線連續滑動，所測的每個測點的時間曲線可以匯成時間剖面圖像。從一個測點的反射波時間曲線上去判別哪一個波反映什么是困難的，但多個測點資料匯成的時間剖面，各測點接收到的同一反射面的反射波匯成一定圖像，就能直觀地反映出各種不同的反射面。例如，一個與測量平面近于平行的反射面，如襯砌的外緣面，在時間剖面上就是與時間0基線近于平行的線；襯砌與巖體交界面的起伏（反映了襯砌厚薄變化）表現為有起伏的圖像；鋼質拱架的反射圖像可能是一雙曲線，在彩色或黑白灰度的圖上也可能呈現一個個圓點；突入襯砌中的小塊巖石、襯砌背后的空洞、兩層襯砌間的空隙則多呈雙曲線圖像。根據這些圖像即可辯別不同的物體。時間剖面圖像是探地雷達成果的基本圖件，其橫座標為測點位置，縱座標為雷達波反射時。可以用黑白波型圖像（波形圖變面積黑白顯示）、黑白灰度顯示、彩色色塊顯示等形式制圖。3．檢測工作方法技術每座隧道沿隧道拱部軸向檢測5條測線：拱頂、左拱腰和右拱腰、以及左邊墻和右邊墻。可選用的雷達有多種，根據需要探測的深度來選定天線的頻率。頻率高的天線發射雷達波主頻高、分辨率高，但探測深度淺；頻率低的天線發射雷達波主頻低、分辨率低，但是探測深度大。若選用450～500MHz的工作天線，它的波長約為20～30cm，檢測厚于20～30cm的襯砌厚度有足夠的分辨率，并可達到2cm左右的探測精度，可探測約2.5m深，適合檢測復合襯砌和隧道仰拱；為探測深于3～5m的坍方情況，則需改用100～200MHz天線；對于采用地質雷達發做隧道超前預報則適宜使用更低頻率的天線。雷達檢測時，需將發射和接收天線與隧道襯砌表面密貼，沿測線滑動，由雷達儀主機高速發射雷達脈沖，進行快速連續采集。為此，需使用工作臺架，便于將天線舉起密貼襯砌。為保持工效，天線沿測線以5km/h左右的速度滑動。為此，在卡車車廂上或鐵路平板車上用鋼管搭架并鋪木板制成工作平臺。雷達每秒發射20～30個脈沖，若檢測時天線的行走速度為1m/s（3.6km/h），則每米有測點20～30個；若天線的行走速度為1.5m/s(5.4km/h)，則每米測線有測點15～22個。雷達時間剖面上各測點的位置要和隧道里程相聯系。為保證點位的準確，在隧道壁上每5m或10m作一標志，標上里程。當天線對齊某一標記時，由儀器操作員向儀器輸入信號，在雷達記錄中每5m或10m作一里程標記。內業整理資料時，根據標記和記錄的首、末標及工作中間核查的里程，在雷達的時間剖面圖上標明里程。

圖4

在在建隧道中用鋪設防水板的全斷面工作臺架作檢測（用裝載機牽引）4．探地雷達的資料處理與解釋4.1

資料處理和編錄整理以及設計資料的匯集現場采集的數據要經過濾波、去噪、均衡等處理，打印成時間剖面圖。時間剖面圖是用來作判釋和計算的基本圖件，需要精心制作。1km的測線，圖紙連接起來約有15～20m長，打印這些圖紙的時間往往要長于現場采集的時間。為了使圖紙的計算與實際里程相符，必須在圖紙上標注里程及5或10m的間隔標記，并要將一些特殊情況，如電氣化線路隧道中的錨節點位置、隧道中的變截面位置、燈或通風機位置等標于圖上。對隧道襯砌質量作檢測和評價，還必須掌握該隧道的設計情況，如圍巖分類、設計參數、施工方法和步驟等，特別是長隧道，地質復雜，設計參數變化多，有時還由不同單位分段施工，掌握這些資料，對探查資料判釋和隧道質量評價很有必要。而熟悉和掌握這些資料和情況又需要檢測人員下工夫去研究。4.2

資料處理及判釋：

4.2.1處理步驟：

原始雷達波形記錄

圖5數據處理與解釋流程圖

4.2.2

檢測若采用波形黑白灰度顯示形式打印雷達時間剖面圖，資料判釋時應在計算機屏幕上調出彩色時間剖面圖作對比。從圖件標記起每一步驟均需200%復核、檢查，實際上從制成時間剖面圖起需經歷約10道工序，每道工序均需仔細地研究時間剖面圖，打印時間剖面圖受打印機打印速度限制，資料處理及判釋與現場準備及采集時間比約為4：1到5：1。4.2.3

介電常數（）的確定我檢測中心檢測介電常數的確定常采用反演法，即由公式計算。其中C為光速（C＝0.3m/ns），△t雙程旅時（ns），D是已知厚度值（m）。通過對已知厚度的部位（隧洞口）標定，確定適合隧道二襯混凝土的相對介電常數值。4.3

資料的解釋原則⑴二襯砌界面的判識在探地雷達圖像的上部，一般振幅較強，同軸同相比較連續的第一組波形為襯砌界面反射信號。界面判識后輸入正常的介電常數值，即可由計算機自動計算出襯砌厚度值，厚度的計算公式為。⑵鋼拱架位置及判識在地質雷達圖像中，電磁波遇到鋼筋時產生極強的反射，反射波的位置為鋼筋距測試面的距離（背水面保護層厚度）；通過濾波處理，確定各里程段鋼筋拱架分布情況及背水面保護層厚度。⑶襯砌混凝土缺陷及位置判識由于襯砌混凝土與空氣的相對介電常數的差異較大，所以探地雷達圖像中表現為振幅較強的界面反射信號（多次波），所以空洞的明顯特征就是有強烈的多次反射，波從相對介電常數大的物質（C20混凝土為8左右）進入相對介電常數小的物質（空氣為1）中時，根據波動原理，在上界面處會先疊加為負波，

可在雷達圖像中準確拾取界面反射的雙程旅時，根據公式求得缺陷的位置；襯砌不密實可能是由于混凝土離析振搗造成的，從波形特征與空洞的反射相似，但反射很弱；混凝土中有鋼筋時也會產生反射，波從相對介電常數小的物質（C20混凝土為8左右）進入相對介電常數大的物質（鋼筋為∞）中時，根據波動原理，在上界面處會先疊加為正波。對于復合襯砌隧道,當第一次襯砌與第二次襯砌之間存在空隙時,界面上讀取的厚度值為隧道的二次襯砌厚度，若二者密貼良好，則為一、二次襯砌合值；對于非復合襯砌隧道,該界面上讀取的厚度值即為隧道的襯砌厚度值。

5.雷達探查的典型圖象

1.襯砌界線混凝土襯砌、噴射混凝土與圍巖（或其間空區中的空氣）有明顯的介電常數差，因此在時間剖面圖上，襯砌底面和巖石之間有明顯的界線。雷達發射的直達波延續4個周期以上，0～12ns左右的目標物的反射波均與它相疊。雷達的直達波呈現幾條平直的水平同相軸的圖像，而圍巖開挖總有或大或小的不平，故襯砌底界，即它與圍巖的分界面的反射波同相軸一般為有起伏的非直線圖像，這是很易辨認的。噴射混凝土與模筑襯砌介電常數有差別，但不是很大，它們之間若接觸很好或粘結，則可能沒有明顯的反射波或僅有微弱的反射波。如果噴射混凝土中有鋼質拱架和鋼筋網，則由于它們可強烈地反射雷達波，故可看到連續的綿延的反射圖像。

圖6某隧道雷達剖面圖圖6中由于混凝土與圍巖的介電常數差異明顯我們能很好的分辨不同介質的分界面。2.拱架與鋼筋網在地質雷達圖像中，電磁波遇到鋼筋時產生極強的反射，反射波的位置為鋼筋距測試面的距離（背水面保護層厚度）；通過濾波處理，確定各里程段鋼筋拱架分布情況及背水面保護層厚度。圖7混凝土中布置的鋼筋網圖7中由于鋼筋的界電常數為∞，圖中可見連續的小雙曲線反射，這是鋼筋網的代表性反射圖。

圖8

典型的格柵鋼架反射圖8中兩標距之間為10米，每10米的鋼架為9榀達到了設計要求。

3.襯砌混凝土缺陷混凝土內部缺陷包括欠密實、脫空等現象，欠密實其表現為波形雜亂且不連續的反射波形。

圖9復合襯砌與圍巖間的不密實帶

圖10某隧道仰拱部位混凝土中出現的不密實區圖10脫空圖11鋼拱架后出現的空洞異常6.提高檢測精度的措施

⑴詳細了解檢測區間物理狀態襯砌層物理狀態的變化直接影響到雷達波的變化，影響因素主要是含水量的變化、檢測面平整度、襯砌層砼材料配比變化、襯砌層結構變化。隧道檢測有許多條測線，分若干次檢測，每條檢測的襯砌層物理狀態變化情況并不完全一致，這就需要較為詳細地了解設計資料、隧道的施工記錄，同時在檢測過程中還要做好外業記錄(如滲水、平整度等)。只有這樣才能根據客觀情況，有針對性地對地質雷達資料進行合理的分析。⑵合理布置取芯點位影響檢測精度的主要問題是標定的地質雷達的電磁波速度，根本問題是不同區間介質物理狀態的變化，實質問題是介電常數的變化。當使用地質雷達進行隧道檢測時，合理布置用于標定雷達波速的取芯點位，對襯砌層在不同物理狀態下的雷達波速進行分別統計，并分析雷達波速的變化規律，有效控制因雷達波速的誤差帶來的探測偏差或較大誤差。⑶注意區分多次反射信號襯砌層厚度相對較薄，且內部結構比較復雜，襯砌層的面層和內部結構層會形成多次反射信號，多次反射信號可能與內部結構界面形成的反射信號重疊或偏離，當多次反射信號與雷達波同相軸存在連續性偏離的情況下，容易對結構界面的厚度誤判。不平整的表面由于與天線不能緊密結合時，也會形成反射界面，同時會有若干個多次反射信號。注意區分多次反射信號，是避免地質雷達資料判讀偏差的重要環節。7.結語地質雷達檢測隧道襯砌層是一種先進的無損檢測技術，與傳統的人工取芯相比，地質雷達檢測采集的數據量大，更加客觀且經濟、快捷，采用將地質雷達無損檢測,可以將施工中存在的各種質量隱患排除在建設施工階段。