地质雷达在隧道衬砌无损检测中的应用实例

李 锐

0 引言

地下工程衬砌是地下工程开挖后构筑在其周边的支护结构。它的主要作用有两个:1)承重，即承受围岩压力、地下水压力、结构自重以及其他荷载的作用;2)围护，防止围岩风化、崩塌和防水防潮。是保证地下工程正常和安全使用的重要结构。但因其属隐蔽工程，施工作业空间有限、作业环境恶劣，极易造成衬砌厚度不足、衬砌与围岩结合部脱空、回填不密实、混凝土结构空洞、局部开裂、钢筋错位等质量事故。在常规的检验方法中，多采用局部开孔或开槽取样检测，该方法不仅效率低，代表性差，偶然性大，而且破坏了衬砌结构的整体性。因此，探索一种能够连续、全面、精确、快速且对衬砌结构无损伤的检测方法，使这些病害能够提前得到及时发现和治理，就显得尤其迫切和有意义。地质雷达是近年来应用于浅层地质构造、岩性检测的一项新技术，其特点是快速、无损、连续检测，并以实时成像方式显示地下结构剖面，使探测结果一目了然，分析、判读直观方便。因探测精度高、样点密、工作效率高而备受一些行业的关注。随着该项技术的不断完善和发展，其应用领域不断扩展。使用地质雷达技术对隧道衬砌结构进行无损检测，是我国物探应用领域发展较为迅速的方法之一。

1 地质雷达原理

地质雷达(GPR)是一种用于确定地下介质分布的光谱(1MHz～1GHz)电磁技术。地质雷达是利用一个天线发射高频宽频带电磁波，另一个天线接收来自介质界面的反射波。电磁波在介质中传播时，其路径、电磁场强度与波形将随所通过介质的电磁性质及几何形态而变化。因此，根据接收到波的反射时间(双程走时)、幅度与波形资料，可以推断介质的结构。隧道衬砌与支护、围岩的相对介电常数的对比决定分层是否“可见”。当存在缺陷时，由于缺陷与良好衬砌或围岩间的介电常数的对比差异，也使得缺陷“可见”。因此，应用地质雷达对隧道衬砌质量进行探测是适宜的。实测时将雷达的发射和接收天线密贴于衬砌表面，雷达波通过天线进入混凝土衬砌中，遇到不同介电特性的介质就会产生反射，接收天线接收到反射波，测出反射波的入射、反射双向走时，就可计算出反射波走过的路程长度，从而求出天线距反射面的距离。通过分析波形资料可以判释衬砌背后的缺陷，通过波的反射时间可以计算缺陷的位置以及衬砌层的厚度。

2 探测方法

2.1 检测仪器及采集参数

本次检测使用瑞典产的RAMAC/GPR型地质雷达(主机编号为CUⅡ)，选用800MHz屏蔽天线。

其技术参数为:

采样频率:12 000MHz～14 000MHz;

采样点数:390点～430点;

叠加次数:8次;

测量时窗:30 ns～33ns;

触发方式:距离触发。

2.2 测线布置

测线布置如图 1所示。数据采集时每隔 5m或者 10m应有一个里程标记，以便能够准确定位出缺陷位置。

2.3 介质参数的标定

检测前应对衬砌混凝土的介电常数和电磁波速做现场标定，标定的方法是在已知厚度部位或材料与隧道相同的其他预制件上测量，然后结合实际厚度尺寸和雷达反射波的波时进行计算。计算公式为:

其中，εγ为相对介电常数;εv为电磁波速，m/s;t为双程反射时间，ns;d为标定目标体厚度，m。

3 应用实例

使用GROUNDVISION和REFL EXW雷达资料处理软件，进行资料处理。对数据文件进行了预处理、增益调整、带通滤波和滑动平均等方法的处理。最终得到各测线的成果图，以此对隧道衬砌内部情况进行分析评价。判定工作主要包括衬砌背后回填密实度及空洞的判定。

3.1 工程概况

国家高速沪陕线陕西西安—商州高速公路某隧道位于陕西省蓝田县灞源乡境内，全长5 440m，为全线的控制性工程，隧道为上下行分离的六车道高速公路特长隧道。隧道围岩以风化细碧岩为主，最大埋深512.262m，节理裂隙发育，整体性差，由工程地质引发的工期风险较大。

3.2 地质雷达检测二次衬砌背后的空洞及钢筋网分布

钢筋的反射信号是连续的小双曲线形强反射信号，如图 2所示。

3.3 地质雷达检测初支衬砌背后的空洞

空洞，衬砌界面反射信号强，三振相明显，在其下部仍有强反射界面信号，两组信号时程差较大。

3.4 地质雷达检测初支背后的喷射混凝土密实度

不密实，衬砌界面的强反射信号同相轴呈绕射弧形，且不连续，较分散。

3.5 地质雷达检测二衬背后的脱空

空洞，衬砌界面反射信号强，三振相明显，在其下部仍有强反射界面信号，两组信号时程差较大。

4 结语

1)用探地雷达做隧道质量检测是一项较为成熟的技术，目前在国内得到大量应用。可以说，雷达方法是隧道检测最有效和快速的方法。用探地雷达方法进行隧道质量检测，可以确定衬砌厚度，围岩和衬砌内的缺陷，探测钢筋和钢拱架等。

2)用雷达做隧道质量检测时，要根据检测需要选择合适的天线，其中最常用的是500MHz天线，它的探测深度可以达到3m～4m，基本可以达到探测混凝土和围岩的目的。如果只检测二衬厚度，可以用800MHz或1 000MHz天线。

3)值得注意的是，在做二衬厚度检测时，如果衬砌做的很完美，二衬的界面是不太容易看出的(初衬和二衬的介质基本一样，不会有明显反射层)。但我们总可以根据其缺陷(层间空洞、脱空、不密实等)来找到该反射界面。

4)在做初衬检测时，由于隧道表面凸凹不平，特别是地面也不平整，给雷达检测造成很大困难，此时要注意观察天线的工作状况(是否离开隧道表面，是否突然移动到另外的地方等)，并在天线工作不正常处打标记，这样就不会产生误判。

[1] 穆维超，刘方元，霍二伦.探地雷达在隧道衬砌检测中的应用[J].山西建筑，2009，35(1):337-338.