运用地质雷达检测新建铁路隧道衬砌质量的应用研究

崔黎红

(中铁三局集团有限公司，山西 太原 030001)

运用地质雷达检测新建铁路隧道衬砌质量的应用研究

崔黎红

(中铁三局集团有限公司，山西 太原 030001)

为了控制隧道施工中的衬砌质量，工作人员应采用地质雷达进行无损检测。文章介绍了地质雷达的工作原理以及地质雷达对隧道衬砌中的密实、不密实、脱空、钢筋、钢拱架以及避车洞等的反射图像，分析了隧道衬砌中产生各种异常的主要原因。

地质雷达；隧道衬砌；无损检测

1 引言

随着我国铁路建设的快速发展，特别是近几年来一批新建铁路相继开工建设，隧道施工往往成为控制性工程，同时隧道的施工质量也成为整个铁路施工质量控制的重点。在施工中由于种种原因导致隧道衬砌中出现不密实、脱空等异常情况，严重威胁着隧道施工和后续铁路运营的安全。因此，隧道衬砌施工质量的检测越来越受到重视。地质雷达作为一种快速、高分辨率、连续的无损检测技术现已经广泛应用于工程地质勘测、灾害地质调查以及工程施工质量监测等诸多领域[1]。特别是近几年地质雷达在隧道检测中的应用被迅速推广，已经成为隧道衬砌检测中的一项重要手段，被越来越多的施工单位和科研检测机构所认可。

2 地质雷达技术

2.1 地质雷达原理方法

地质雷达检测方法是利用主频电磁波(106～109Hz)探测介质电性分布的一种地球物理方法。高频电磁波以宽频带短脉冲的形式，在介质表面通过发射天线将信号传入介质内部，其路径、波形将随所通过介质的电性质及几何形态而变化，经地下目标体或地层反射界面反射后返回地面，由接收天线接收，通过对所接收的雷达信号进行分析处理，达到探测地下或者隐蔽处目标体的目的[2~3]。

雷达的探测对象通常是多界面结构，例如，各类地层、岩性、松散层、风化层等都是多层结构。隧道中的围岩、初衬、二衬等，也是多界面结构。雷达波向介质内传播时，被称为下行波，经反射回表面的波被称为上形波。下行波每遇到一个界面就发生一次反射和折射，入射波能量即被分成两部分，一部分经折射继续向下传播，另一部分经反射掉头向上，变成上行波。上一界面的折射波就是下一界面的入射波，因而下行波的能量不断减少，同时每一界面都在产生反射的上行波。同理，每一界面反射形成的上行波，也会遇到介质的界面，形成二次的反射与折射。介质中每一上行波和下行波都是独立运行的，当遇到界面时都会按照Snell定律，进行折射和反射。因而多层介质中，多次反射与折射波是无尽的，只是反射、折射的经历越多能量越小。介质的介电常数或电导率差异越大，反射能量越强，反射的信息也越丰富，通过分析其中包含的地质信息异常情况越全面，了解的介质结构和组成越准确。

2.2 介质的电导率和相对介电常数

2.2.1 电导率

电导率是表征一个物体传导电流的能力或电荷在介质中流动的难易程度。电磁波在介质中的穿透深度与介质的电导率有关，其穿透深度随电导率的增加而减小。在低电导率介质中雷达采集的数据质量较好，深部信息丰富清晰，反之，在高电导率介质中信号衰减非常强，基本无深部信息。薄会申认为，当介质的电导率大于10 S/m时，雷达方法就不再适用，空气、干燥的岩石、混凝土属于低电导率(电导率小于(10~7)S/m)介质，属于雷达适用范围。

2.2.2 介电常数

在物理学中，当电容极板间充满电介质时，电容增大的倍数叫做这种电介质的绝对介电常数，用ε表示。电容器极板间充满电介质时，电容增大到的倍数，叫做这种电介质的相对介电常数，用 εr表示。 相对介电常数定义为 εr＝ε/ε0，ε0是真空中的介电常数，数值约为8.85×10-12F/m。电磁波在介质中的传播速度由相对介电常数确定。常见介质的电导率、相对介电常数见表1。

表1 常见介质的电导率、相对介电常数

2.3 地质雷达的分辨率

分辨率决定了地质雷达分辨最小异常介质的能力，可分为水平分辨率和垂直分辨率。

2.3.1 垂直分辨率

地质雷达图形中能够区分一个以上的反射界面的能力称为垂直分辨率。假定雷达波以锥面形式向下传播，物体上表面将大部分能量反射回来，则水平分辨率可根据下式估算：

式中：Rf:圆柱半径；

λ：电磁波长；

h：柱体顶面埋深。

2.3.2 水平分辨率

地质雷达在水平方向上所能分辨的最小异常体的尺寸称为水平分辨率。按波的干涉理论，物体上下界面反射波最小可识别双向波程差为λ/4～λ/8，因而垂向分辨率RV与工作频率有关：

根据散射理论和有照射长度的最新研究结果，垂向分辨率应为半波长：

3 地质雷达隧道检测

3.1 检测设备

隧道衬砌检测中采用RIS-2K型地质雷达，天线采用600M屏蔽天线，最大探测深度为2.2m，时窗设置为44 ns。

3.2 测线布置

隧道竣工验收检测过程中沿纵向在隧道拱顶、左右拱腰、左右边墙和隧道底部各布1条，检测中发现不合格地段加密测线，测线每隔5m有一里程标记。在采集过程中天线紧贴隧道内壁，行进速度保持在3～5 km/h，及时记录测线编号、里程范围、周围可能对测量产生影响的物体及其检测对应的里程。

4 雷达图形判定依据[4]

4.1 衬砌背后回填密实度判定特征

(1)密实：信号幅度较弱，甚至没有界面反射信号。

(2)不密实：衬砌界面的强反射信号同向轴成绕射弧形，且不连续，较分散。

(3)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。

4.2 钢架、钢筋位置分部判定特征

(1)钢架：分散的月牙形强反射信号。

(2)钢筋：连续的小双曲线强反射信号。

5 地质雷达检测图形

隧道衬砌检测中雷达图像主要包括密实、不密实、脱空、围岩积水以及钢筋和钢拱架等反射。结合隧道施工工艺和支护方式分析产生异常和特征图像的原因，为图像判读和工程隐患排查提供参考。

5.1 密实

在二次衬砌施工采用台车，混凝土振捣均匀时，在雷达图像上可看到没有明显的差异性反射信号，图像均匀,表明衬砌混凝土密实性好，见图1。

图1 衬砌检测密实特征解释图

5.2 不密实

当隧道超挖，采用片石回填，且采用了灌浆法施工时，片石间空隙不能完全充满混凝土，或者在进行初支过程中由于部分位置施工未能完全按照规范施工，导致喷射混凝土和钢拱架之间存在空隙，在雷达图像上表现为小且不连续的反射界面，见图2。

图2 衬砌检测不密实特征解释图

5.3 脱空

一般在隧道的拱顶部位由于防水板施工中张拉过紧，在防水板和围岩之间会形成背后脱空，或者在两个衬砌循环的连接处的挡头模板位置会形成脱空，脱空一般表现为连续型，且纵向尺寸较大，见图3。

图3 衬砌检测脱空特征解释图

5.4 钢筋

金属导体中电磁波速为零，不能传播。钢筋对于电磁波的能量几乎全部反射回来，反射系数近乎为1，反射极强。应用高频天线探测，钢筋形成清晰的反射弧，呈半张开的伞形，见图4。在实际检测中可根据反射弧的数目确定钢筋的根数，判定钢筋施工是否符合设计要求。

图4 衬砌检测钢筋反射解释图

5.5 钢拱架

当混凝土中有钢拱，将出现特别强的月牙形反射信号,每一位号表示有一钢拱，见图5。通过实测的钢拱数目结合里程标记可算出钢拱数量是否满足设计要求。

图5 衬砌检测钢拱架反射解释图

5.6 避车洞

在进行左右边墙的检测中，天线需要经过避车洞，图6即为经过避车洞时的反射图像，从图中可看出，避车洞的反射图像类似于一交叉符号。

图6 衬砌检测避车洞反射解释图

6 结束语

通过对隧道衬砌检测图像的分析、判断和总结，可有效地帮助工作人员快速、准确对隧道施工进行及时检查，提前发现隧道施工中的工程隐患，做到提早发现、及时处理，确保隧道施工质量。地质雷达作为一种无损检测技术，在隧道衬砌质量控制显示出了明显的优势，但同时也看到，在采用地质雷达进行无损检测中还存在诸如抗干扰能力不强、尚不能对隧道衬砌进行全面检测等不足。随着技术的不断提升和设备的不断更新，地质雷达将在无损检测领域发挥更大的作用。

[1]李大心.探地雷达方法与应用[M].北京:地质出版社，1994.

[2]薄会申.铁路隧道衬砌质量检测与评价地质雷达技术实用手册[M].北京:地质出版社，2006.

[3]郭有劲.地质雷达在铁路隧道衬砌质量检测中的应用[J].铁道工程学报，2002，6( 2):71-74.

[4]TB 10223-2004，铁路隧道衬砌质量无损检测规程[S].

Use of the geological radar to detect the quality ofapp lied research of the new rail tunnel lining

CuiLihong

In order to control the quality of the lining in the tunnel construction,the staff should be Ground Penetrating Radar for Nondestructive Testing.This paper introduces the geological radar works and geological radar in the tunnel lining,dense,dense,and the reflection im age of the Void,steel,steelarch,as wellas the lay-by hole,etc.,the tunnel lining in a variety ofabnormalities of themain reasons.

U 452.1+7

A

1000-8136(2012)08-0004-03

(编辑：陈莺翡)