講座之三：鐵路隧道襯砌質量的無損檢測第1節隧道襯砌質量無損檢測內容與方法隧道混凝土襯砌質量檢測包括：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襯砌混凝土強度。有時還可檢測圍巖中地下水向隧道侵入的位置。襯砌混凝土質量的現場檢測，曾經常采用電阻率法、瑞利面波波速法等來檢測前面的①-④項，近年來采用地質雷達檢測混凝土質量得到了廣泛的應用。美國勞雷公司生產的SIR-3000型地質雷達儀它是目前世界上最先進的地質雷達之一。序號名稱單位數量1主機臺12400M天線套13傳輸電纜套14270M天線套15軟件套1SIR-3000型地質雷達基本配置第2節地質雷達法檢測原理地質雷達法（GroundPenetratingRadar,簡稱GPR）利用主頻106Hz～109Hz波段的電磁波，以寬頻帶短脈沖的形式，由地面通過天線發射器發至地下，經地下目標體或地層的界面反射后返回地面，被雷達天線接收器所接收，通過對所接收的雷達信號進行處理和圖像解譯，探測隱蔽介質的分布和特征。在隧道襯砌厚度的檢測中，主要涉及到媒質有：混凝土、鋼筋、空氣、水和圍巖，其物性差異如下表常見物質的相對介電常數介質介電常數（相對值）電磁波速V（m/ns）空氣10.3水810.033花崗巖（干）50.15土（濕）150.077砂質土（濕）250.06混凝土6.5～120.09～0.13鋼筋∞——從表中可以看出，隧道內所涉及到的這幾種媒質物性差異較大，會形成較強反射。比如當襯砌內有脫空或鋼筋（鋼拱架）都會產生十分強烈的反射。

物性的明顯差異正是地質雷達法檢測隧道襯砌質量和鋼筋數量的前提條件。1、計算襯砌厚度：地質雷達發射天線向隧道壁發射高頻寬帶短脈沖電磁波，遇到相對介電常數差異較大的介質（如空洞、襯砌界面等）就會產生反射波，接收天線接收反射回來的電磁波并記錄其反射時間。根據電磁波在介質中的電磁波速（v）和雙程旅行時間（t）可以計算襯砌厚度。2、發現襯砌缺陷（初期支護背后回填不密實，初襯與二襯之間有空隙）：當天線沿隧道壁移動時就能得到襯砌內部電磁波走時圖像（見下圖）。電磁波由空氣進入二襯的混凝土層，會出現強反射；同樣，當電磁波由二襯傳播至初襯繼而由初襯傳播到巖層時，如果二襯和初襯接合不良，或存在空隙，亦會導致雷達剖面相位和幅度發生變化，由此可確定襯砌厚度和發現施工缺陷。3、確定鋼筋分布（鋼筋，鋼格柵，鋼筋網等）：電磁波遇到以傳導電流為主的介質，比如襯砌中存在的鋼筋，會出現強反射，在雷達剖面上呈現明顯異常，以此可確定鋼筋分布情況。第3節檢測方法1、測線布置對于雙線隧道，按照《鐵路隧道襯砌質量無損檢測規程》(TB10223－2004)，需在隧道中共布置7條測線，其中拱頂位置一條，左右拱腰、左右邊墻各一條及仰拱兩條。其中左右拱腰測線在兩邊起拱線以上1m左右，左右邊墻測線在兩邊水溝蓋板以上1.5m左右，仰拱測線布置為左右線路中心線（線路中心處，單線一條，雙線兩條）。左邊墻測線左拱腰測線右拱腰測線右邊墻測線左仰拱測線拱頂測線右仰拱測線2、介質參數標定檢測前對襯砌混凝土的介電常數或電磁波速做現場標定，對隧道長度小于3km的隧道，取一處進行實測，實檢不少于3次，取平均值為該隧道的介電常數或電磁波速。當隧道長度大于3km，應適當增加標定點數。標定采用以下方法的其中一種：（1）在已知厚度部位或材料與隧道相同的其他預制件上測量；（2）在洞口或洞內避車洞處使用雙天線直達波法測量；、（3）鉆孔實測。求取參數應具備兩點：①標定目標體的厚度一般不小于15cm，且厚度已知；②標定記錄中界面反射信號應清晰、準確。標定結果按下式計算：式中：—相對介電常數；v—電磁波速（m/s）；t—雙程旅行時間（ns）；d—標定目標體厚度或距離（m）。3、工作步驟（1）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。（2）檢查主機、天線以及運行設備，使之均處于正常狀態。（3）檢測：檢測時，將發射和接收天線與隧道襯砌表面密貼，沿測線以5km/h左右的速度滑動，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。第4節地質雷達的資料處理與解釋

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。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。2、數椐處理步驟：

數據處理與解釋程圖3、資料的分析判別（1）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：（2）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。（3）襯砌混凝土缺陷及位置判識（空洞和襯砌不密實）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）。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。第5節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。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。混凝土中布置的鋼筋網典型的格柵鋼架反射圖圖中兩標距之間為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。復合襯砌與圍巖間的不密實帶

某隧道仰拱部位混凝土中出現的不密實區第6節提高檢測精度的措施

1、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。

2、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