地质雷达在广西铁路隧道衬砌质量检测中的应用

2011-05-08李青燕曾召田张锦锦

铁道建筑 2011年1期

李青燕，曾召田，张锦锦

(1.湖南省地球物理地球化学勘查院，长沙 410002;2.广西大学土木建筑工程学院，南宁 530004)

铁路隧道的施工质量涉及到铁路的安全运营。因此，准确地检测出隧道施工质量隐患是一项十分重要的工作。

过去隧道衬砌的工程质量检测主要依靠打钻取芯进行抽样检查，这种方法的缺点:一是随机抽样，随意性大;二是成本高、工期长;三是容易对被检物造成损坏。20世纪80年代以来，国内开始运用地质雷达探测技术对工程结构物的质量进行无损检测。通过二十几年的发展，这种技术在铁路工程检测中已日臻完善。采用地质雷达探测隧道的衬砌厚度、密实情况，取得了良好的检测效果，为工程质量的评价和处理提供了可靠的基础资料。

本文结合近几年广西铁路隧道衬砌质量检测的工程实例，简要介绍地质雷达的检测原理、现场检测注意事项和数据处理方法;分析隧道检测中典型的雷达波形图像，以探求采用地质雷达对隧道衬砌混凝土质量进行检测的效果。

1 检测原理

地质雷达应用脉冲电磁波探测隐蔽介质的分布:向被测物发射高频宽带短脉冲电磁波时，电磁波遇到不同介电特性的介质就会有部分返回，接收反射波并记录反射的时间;根据接收到的波的旅行时间(双程走时)、幅度频率与波形变化资料，可以推断介质的内部结构以及目标体的深度、形状等特征参数(图1(a))。脉冲波走时t(ns)为

式中 x—— 发射天线与接收天线间的距离，一般是固定值(m);

v—— 电磁波在介质中的传播速度，可以利用已有数据或测定获得(m/ns)。

z—— 目标体的深度值(m)。

当发射和接收天线沿物体表面逐点同步移动时，就能得到其内部介质剖面图像，见图1(b)。

图1 地质雷达检测原理

地质雷达法检测内容主要为隧道衬砌混凝土密实性、脱空及厚度等。相关介质的物理参数见表1。从表1中可知:衬砌混凝土与围岩(花岗岩、砂岩、黄土等)之间存在着物性差异;缺陷部位衬砌混凝土被水或空气充填，与密实的混凝土的物性有明显差异。因此，采用地质雷达法对隧道衬砌混凝土质量进行检测是可行的。

2 现场检测注意事项

2.1 天线的选择

一般来说，隧道检测天线的频率为400～1 000 MHz。频率高的天线，精度较高，能量衰减较快，

表1 与隧道衬砌相关的介质的物理参数

探测深度较浅;频率低的天线，精度相对较低，能量衰减较慢，探测的深度较深。因此，选用天线时，应根据隧道衬砌设计的厚度及检测要求而定。如果建设方对厚度检测的精度要求较高，宜采用频率为900 MHz或1 000 MHz的天线，如果建设方不作具体要求，一般采用400 MHz或500 MHz的天线。

2.2 测线布置

隧道检测一般对拱顶、拱腰、边墙及隧底4大部位进行检测(见图2)。准确地说，拱腰测线应布置在起拱线1 m范围内，边墙测线有两种情况:①对直墙断面，应在边墙的中部和墙脚1 m范围内各布置1条测线;②对曲墙断面，应布置在边墙脚1 m范围内。

目前由于受经费限制，无论是直墙断面，还是曲墙断面，一般只进行3条或5条线的检测。因此，在检测前做好计划，对每个检测部位都应做到均衡布置测线，使检测结果能够较全面地反应工程整体质量分布情况。

图2 雷达测线布置示意

2.3 里程标记

为了保证时间剖面上各测点的位置与实际检测里程的位置相对应，在隧道边墙上，每5 m或10 m作一个标记，标注里程以供核对。同时，应尽量使天线匀速移动，即使是采用里程轮，也应对记录的里程与实际里程进行核对。特别是曲线隧道，边墙里程与线路不一致时，应进行相应修正，或给出边墙里程与线路里程对照表。

2.4 现场数据采集

现场数据采集时，应特别注意核定采样窗口长度和增益点设置、选择显示效果，同时应观测现场记录，它是资料解释的基础。因检测中有些环境干扰信号被同时记录下来，如电线杆反射、侧面墙反射、金属物品反射等，如不参考现场记录很容易将其错判为地下异常体。现场记录的要点是把那些可能产生反射干扰的事物都记录下来，注明其性质、与测线的距离、位置关系等。

检测时，需将发射和接收天线与隧道衬砌表面密贴，沿测线滑动。

3 数据分析处理

3.1 数据处理

雷达数据的采集是分析解释的基础，数据处理则是提高信噪比，将异常突出化的过程。首先对现场采集回来的数据进行预处理，即定标点的编辑、文件头参数设定及距离均一化。经过预处理后，还要进行一系列的数字化信号处理。

初始数据经过数字信号处理后，可以有效地压制干扰信号的能量，提高雷达信号的信噪比，使雷达图象更易于识别地质信息，清晰地反映地质现象，从而提供更准确的解释结果。

3.2 资料解释

地质雷达图像的解释有定量和定性两种。定量解释主要是对衬砌层厚度进行判定，定性解释主要是对混凝土内部空洞、裂缝、胶结质量等衬砌质量及其形态规模进行判断。

衬砌层厚度的判定主要是界面的追踪及电磁波速度的确定。电磁波波速与混凝土的潮湿程度及凝期等因素有关。在隧道检测中，计算各衬砌层的厚度时一般取介电常数εr=6.4。

对混凝土内部的衬砌质量情况，主要根据电磁波波形、振幅大小及电磁波同相轴连续性的好坏来进行判断。当衬砌层内胶结良好，或衬砌层与围岩之间接触良好，无脱空时，雷达图像上表现为雷达波同相轴连续性较好。反之，在雷达图像上会表现为反射能量强、同相轴连续性较差，甚至产生双曲线形态等异常现象。

4 典型雷达图像分析

不同的隧道，由于其施工参数不同，混凝土内部的衬砌质量不同，其雷达检测的时间剖面差别很大。但各种雷达图像的特征也有其规律可循，只要掌握了各种异常形态的特征，就能对各种隧道检测异常进行准确地判断。本文根据近几年在广西洛湛线、湘桂线、南广线、贵广线等几条铁路隧道的检测结果，对各种典型的雷达波形特征进行分析。

4.1 正常图像

当二次衬砌与初次支护混凝土胶结良好，初次支护与围岩之间紧密接触，无脱空等异常现象时，雷达信号反映为同相轴连续性较好，二衬、初支、围岩三者之间的反射界面连续清晰，振幅相对稳定。在完整围岩内部，反射振幅明显减弱，频率明显降低。雷达图像平直部分，表示衬砌接触界面平整。雷达图像起伏状况，直观地反映了衬砌厚度的变化。根据这种时间的变化及混凝土的相对介电常数，即可计算出各段衬砌层的厚度，从而判定衬砌厚度是否符合设计要求(如图3所示)。