谈地质雷达在隧道衬砌质量检测中的应用

刘占文

(山西路桥第一工程有限责任公司，山西太原 030006)

近年来，随着公路事业得到迅猛的发展，工程建设项目中的质量和安全因素逐步成为重中之重，国家相关部门更是出台了一系列的政策、法规，要求各开工项目必须高度重视工程质量和施工安全，同时要求在施工过程中必须加大对隧道等重点工程的检测、监控力度，以避免各类事故的发生。隧道工程作为道路施工的重点和难点，具有隐蔽工程较多、施工条件较差、质量和安全不易控制的特点，常常由于施工原因造成隧道拱顶开裂、拱顶空洞、衬砌损坏、衬砌厚度薄等病害，给后期的营运带来较大的安全隐患。由此，采用快速、先进的现场检测、监控措施成为保证隧道施工质量和安全的重要手段，隧道检测、监控也成为隧道施工中的必要环节。

1 地质雷达检测原理

地质雷达由一体机、天线及相关配件组成。原理是基于地下介质的电性差异，向地下发射高频电磁波，并接受地下介质反射的电磁波进行处理、分析、解释的一项工程物探技术。其工作过程是雷达主机通过发射天线(T)在隧道衬砌表面向内部发射频率为数百兆赫兹的电磁波，电磁波反射探测原理见图1。当电磁波遇到不同媒质(岩土体、溶洞等)的界面时便会发生反射与透射，反射波返回衬砌表面，被接收天线(R)所接收。此时雷达主机记录下电磁波从发射到接收的时间域脉冲信号双程旅行时间Δt。因为电磁波在衬砌内的传播速度V可由已知衬砌厚度点测定出来，所以可由深度D=V·Δt/2式求出反射面的深度即衬砌厚度。根据雷达图像上发射波的强弱、频率特征及变化情况，确定衬砌背后是否存在脱空。并根据反射波组的波形与强度特征，数据处理得到雷达剖面图像，如图2所示。

图1 地质雷达检测原理图

2 资料处理方法

探测的雷达图形常以脉冲反射波的波形形式记录，以波形或灰度显示探测雷达剖面图。地质雷达探测资料的解释包括两部分内容，一为数据处理，二为图像解释。

数据处理是为了消除随机噪声压制干扰，改善背景;进行自动时变增益或控制增益以补偿介质吸收和抑制杂波，进行滤波处理除去高频，突出目的体，降低背景噪声和余振影响。数据处理过程包括:切除首尾废段→按10 m标记对记录进行水平均衡→调整测量方向保持一致→零点校正→水平、垂直滤波→识别界面及有效信号→输入介电常数→拾取衬砌(或二衬)厚度界面→分析回填情况→存入Excel表格并打印。经过处理后的检测剖面中黑白相间的强弱对应不同的幅度强度，横轴代表桩号(单位为m)，纵轴表示电磁波传播的双程走时(单位为ns)。从时间剖面上可直观地、清楚地看到衬砌和衬砌背后的情况。

图2 地质雷达衬砌检测原理示意图

3 地质雷达方法的检测应用

3.1 工程概况

晋侯高速公路阳城至翼城段，是山西省高速公路网中九横之一的重要组成部分，是山西省“十一五”期间的重点工程，西接大运高速，东接长晋、晋焦高速公路，是横贯山西南部的一条重要黄金通道，云台山隧道为分离式长隧道，左右线进出口段均地处晋城市沁水县境内，左线起讫里程ZK59+708～ZK63+082，长3 374 m，净空宽×高为9.75 m×5.0 m，进出洞门均为端墙式;右线起讫里程YK59+716～YK62+965，长3 249 m。净空宽×高为9.75 m×5.0 m，进出洞门均为端墙式。

3.2 检测目的

由于不同频率天线的测深能力不同，频率越低，探测深度越大。此次检测的有效深度在1 m以内，查找空洞、不密实体和脱空等，由于二衬，初衬及围岩的介电常数不同，且变化较大，综合场地的特点，RAMAC/GPR的工作参数为500 m的频率天线，65 ns的采集时窗，自动迭加，距离触发测试方式，道间距为0.03 m。

3.3 测线布置

本次隧道二衬地质雷达质量检测在该隧道相应里程段内共布置了左边墙、左拱腰、拱顶、右拱腰、右边墙五条纵向测线，测线布置情况具体如图3所示。

3.4 检测结果分析

根据所布置的地质雷达测线在该隧道里程段检测中发现的部分缺陷列举如下:

1)桩号为ZK59+876～ZK59+879，雷达图像见图4。图4同两边钢筋的反射图像明显不同，在ZK59+876～ZK59+879拱顶处开始出现强烈异常反射(见框出部分)，反射波振幅较钢筋反射振幅还大，存在多个反射波组。异常反射同相轴非常连续，其走向是先往上倾斜后向下倾斜，表明此处存在明显的脱空。

图3 隧道地质雷达二衬检测测线布置示意图

图4 ZK59+879～ZK59+882缺陷雷达图像（位置：拱顶）

2)桩号为ZK59+772～ZK59+776，雷达图像见图5。从图5可看出，雷达图像在ZK59+772～ZK59+776处突然出现框出部分的异常，与左边混凝土及右边二衬内钢筋的反射图像形成鲜明的对比。其雷达波反射非常强烈，振幅较钢筋的反射振幅还大，且异常反射同相轴连续，存在多个反射波组，表明此处存在脱空。

图5 ZK59+772～ZK59+776缺陷雷达图像（位置：左拱腰）

3)桩号为K60+025～K60+028，见图6。从图6可以看到，雷达图像在K60+025～K60+028段出现明显的异常(黑色框出部分)，且异常出现在二衬里面。异常的反射同相轴向上倾斜且连续，振幅强烈，表明此处存在裂缝。

图6 K60+025～K60+028缺陷雷达图像（位置：右拱腰）

根据JTG F80/1-2004公路工程质量检验评定标准所要求的二衬与初衬间不得存在空洞、蜂窝及脱空等缺陷的规定。因此，施工单位对该缺陷进行修补处理。

4 结语

通过地质雷达检测技术在某隧道衬砌检测中的应用情况得出以下几点:

1)地质雷达对隧道进行无损检测具有快速便捷，检测效率高，检测结果可靠度高，对施工影响小，且不影响隧道的使用寿命。2)检测过程中会经常有干扰因素存在，影响数据的分析和判读，如隧道台车和装载机等施工机械的影响，因此，如何正确识别干扰，从而得到正确的分析结果至关重要。3)能够准确检测隧道衬砌施工中存在的各种缺陷病害，也可以对营运中的隧道进行养护检测，给隧道的日常养护提供技术数据。4)地质雷达是一种正在不断发展的无损探测技术，虽然检测效果良好，但准确率不可能达到100%，对雷达图像异常情况的解释判断，需要积累大量的实际经验。

［1］夏才初，潘国荣.土木工程监测技术［M］.北京:中国建筑工业出版社，2001.

［2］夏才初，李永盛.地下工程测试理论与监测技术［M］.上海:同济大学出版社，1999.