探地雷达在重载铁路隧道仰拱检测中的应用
2014-11-07吴青龚智敏张延林
吴青++龚智敏++张延林
摘 要：重载铁路隧道仰拱具有施工深度大、填筑层混凝土材料用量大且强度低、排水设施密集等特点。探地雷达检测难度远远大于其他铁路隧道。如何保证在重载铁路隧道仰拱质量检测中的准确性及可靠性一直困扰着铁路检测工作者们。本文以重载铁路隧道仰拱质量检测为例，结合工程实践，介绍了雷达法检测重载铁路隧道仰拱的方法、后期数据的分析与解释以及检测中常见干扰的解读。
关键词：重载铁路 隧道仰拱 探地雷达 质量检测
中图分类号：U45 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）02（a）-0021-04
重载铁路始于20世纪20年代，至今已经在世界上很多国家广泛采用，特别是对于幅员辽阔的大陆国家，具有更重要的现实意义。所谓重载铁路，是指年运量为2000万t的铁路、单元或组合列车达到或超过5000 t、车辆中车轴轴重为25 t，具备以上条件之二者，可视为重载。
随着国家重载铁路隧道数量的逐年增加，其在运营过程中暴露出来的病害也在接连发生。这就迫切需要一种高效、快速、全面的检测方法来解决隧道病害这一难题，使隧道病害能够提前得到治理。探地雷达检测方法不仅克服了传统方法只靠目测和打孔抽查对隧道质量检测的以点盖面的不全面的缺点，而且是一种采用高科技手段，以其快速、高效、无损、高分辨率和高准确率的优点，在重载铁路隧道质量检测中得到了广泛的应用。
受诸多因素影响，重载铁路隧道仰拱混凝土质量可能出现厚度未达到设计要求或脱空、不密实等质量问题。为及时发现这些问题，需对铁路隧道的仰拱质量进行快速且分辨率高的检测，为隧道工程的科学管理提供依据。
1 仰拱质量检测方法
由于重载铁路隧道仰拱具有施工深度大、填筑层混凝土材料用量大且强度低、排水设施密集等特点。检测时测线布置、波速标定及天线频率的选择与其他铁路隧道检测存在一定差异。
1.1 测线布置[1]
仰拱检测，测线布置以纵向布置为主，横向布置为辅，检测中发现不合格地段应加密测线。测线布置应尽量避开干扰物体，且不影响标记的识别。纵向测线一般布置于仰拱行车中心线附近，需要分段测量时，相邻测量段接头重复长度不应小于1 m；横向测线间距一般为8～12 m。
1.2 波速标定
检测前应对仰拱混凝土的波速进行现场标定，每隧道不应少于1处，每处实测3次，以平均值作为该处电磁波速。当隧道仰拱材料或含水量发生较大变化、或长度大于3 km时，应适当增加标定点数量。波速标定方法主要有两种：（1）在已知厚度的部位或材料与隧道仰拱相同的预制件上进行，且厚度不小于15 cm；（2）钻孔实测。标定波速按公式（1）计算。
（1）
式中：为电磁波在传播介质中的传播速度（m/s）；为标定体厚度（m）；为电磁波在介质中的双程走时（ns）。
1.3 天线频率选择[2]
雷达天线频率的选择应综合考虑不同频率的电磁波在介质中的探测深度、分辨率和目标体的几何特性等因素。天线中心频率的选择应满足式（2）要求。
（2）
式中：为天线中心频率（MHz）；为目标体预计埋藏深度（m）；为电磁波在介质中的传播速度（m/s），实际检测中，以标定波速为准。
以某重载铁路隧道仰拱质量检测为例，图1、图2分别为500 MHz天线和250 MHz天线在同一部位的仰拱检测图像，两图分层界面均清晰可见，层厚约1 m左右。但相对250 MHz天线检测图像，500 MHz天线检测图像分层界面下钢筋则更加明显。
当层厚超过1.5 m时，500 MHz天线不能满足检测深度要求，此时选择250 MHz天线进行检测。见图3、图4。250 MHz天线检测图像分层界面清晰，500 MHz天线检测图像则无法看清分层界面。
由此可知，天线频率的选择直接影响检测结果的可靠性。当目标体深度小时，500 MHz天线用于检测仰拱厚度及仰拱中钢筋数量及间距，250 MHz天线可用于检测仰拱厚度，但不能确定钢筋数量。当目标体深度较大时，500 MHz天线无法检测仰拱厚度及钢筋数量，250 MHz天线可用于检测仰拱厚度，但无法检测仰拱中钢筋数量及间距。
2 数据的分析及解释
探地雷达记录了电磁脉冲由发射到被接收的时间及达到接收天线的能量，并将上述信息以波形或灰度的形式显示在雷达图像上，从而间接地对地下结构物和埋藏物进行成像，使其“可见”。复杂地段，雷达图像具有一定的多解性，细致分析方能对雷达图像准确解释。
2.1 常规波谱的判读与解释
（1）钢筋。
金属的介电常数很小，雷达波对其比较敏感。钢筋在雷达图像上一般表现为有规律的连续的小月牙形强反射信号，月牙波幅较窄或连续点状强反射，如图5、图6所示。
（2）不密实。
当电磁波遇到不密实区域时，会在混凝土和空气中发生多次反射，雷达图像上，不密实表现为信号同相轴不连续，错断，一般区域化分布，如图7、图8所示。
（3）脱空。
当回填混凝土质量较差或混凝土收缩变形速度不一致时，均可能造成脱空。脱空处电磁波反射信号较强，一般呈条带状分布。如图9所示。
（4）夹层。
回填混凝土分层浇筑时，如果出现层间清渣不彻底，在交界面处，由于介质电性发生变化，会出现一反射层。仰拱回填时要求一次浇注，二次浇筑造成的夹层极易造成对仰拱厚度的误判。如图10所示。
（5）空洞。
由于混凝土、围岩与空气的电性差异较大，电磁波在介质-空气、空气-介质间传播时，上下两个界面会产生多次反射，在雷达剖面图上呈典型的孤立体相位特征，通常为规整或不规整的双曲线波形特征。如图11所示。
2.2 常见干扰信号的判读与解释
识别干扰波及目标体的探地雷达图像特征是进行探地雷达图像解释的核心内容。探地雷达在接收有效信号的同时，也不可避免地接收到各种干扰信号，产生干扰信号的原因很多，干扰波一般都有特殊形状，在分析中要加以辨别和确认。重载铁路仰拱检测中，常见干扰物有台车干扰、边墙干扰、排水管干扰等[3]。
（1）台车干扰。
对施工过程中的仰拱质量进行检测时，常遇到模板台车的干扰信号。如图12所示。对于台车干扰信号，要求检测人员现场检测时详细记录现场情况，以防误判。
（2）边墙干扰。
由于雷达波以球面波的形式向空间传播，少部分电磁波遇到边墙等障碍物时，发生反射，引起边墙干扰信号。图13中，测线距离边墙约4.5 m，空气中电磁波速约 0.3 m/ns，按式t=2 d/v计算得，其双程走时应为30 ns左右，与图中信号时间深度相符。
为了验证此信号是否来自边墙反射，调整天线与边墙距离后，再次进行检测，结果表明当天线与边墙距离改变时，时间深度随边墙距离变化。见图14。
（3）管道干扰。
铁路隧道仰拱是各种排水管道密集的地方，应防止管道信号与空洞信号混淆形成的误判。由图15可知，管道反射信号较空洞反射信号规整，单管道为单尖波，双管道为双尖波。
3 结语
（1）重载铁路隧道仰拱质量检测中，探地雷达能清晰的判断出仰拱厚度及内部缺陷，但当仰拱超过一定深度时，钢筋及拱架数量及间距无法判断。
（2）仰拱检测环境复杂，且笔者工作经历有限，因此，如何正确识别干扰信号和有效信号，尚待进一步研究。
参考文献
[1] 中华人民共和国铁道部TB10223-2004.铁路隧道衬砌质量无损检测规程[S].北京：中国铁道部，2004：5-7.
[2] 李大心.探地雷达原理及应用[M].北京：地质出版社，1994：55-56.
[3] 裴巧玲.地质雷达在隧道衬砌质量检测中的应用[J].常州工学院院报，2009，22（5）：8.
摘 要：重载铁路隧道仰拱具有施工深度大、填筑层混凝土材料用量大且强度低、排水设施密集等特点。探地雷达检测难度远远大于其他铁路隧道。如何保证在重载铁路隧道仰拱质量检测中的准确性及可靠性一直困扰着铁路检测工作者们。本文以重载铁路隧道仰拱质量检测为例，结合工程实践，介绍了雷达法检测重载铁路隧道仰拱的方法、后期数据的分析与解释以及检测中常见干扰的解读。
关键词：重载铁路 隧道仰拱 探地雷达 质量检测
中图分类号：U45 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）02（a）-0021-04
重载铁路始于20世纪20年代，至今已经在世界上很多国家广泛采用，特别是对于幅员辽阔的大陆国家，具有更重要的现实意义。所谓重载铁路，是指年运量为2000万t的铁路、单元或组合列车达到或超过5000 t、车辆中车轴轴重为25 t，具备以上条件之二者，可视为重载。
随着国家重载铁路隧道数量的逐年增加，其在运营过程中暴露出来的病害也在接连发生。这就迫切需要一种高效、快速、全面的检测方法来解决隧道病害这一难题，使隧道病害能够提前得到治理。探地雷达检测方法不仅克服了传统方法只靠目测和打孔抽查对隧道质量检测的以点盖面的不全面的缺点，而且是一种采用高科技手段，以其快速、高效、无损、高分辨率和高准确率的优点，在重载铁路隧道质量检测中得到了广泛的应用。
受诸多因素影响，重载铁路隧道仰拱混凝土质量可能出现厚度未达到设计要求或脱空、不密实等质量问题。为及时发现这些问题，需对铁路隧道的仰拱质量进行快速且分辨率高的检测，为隧道工程的科学管理提供依据。
1 仰拱质量检测方法
由于重载铁路隧道仰拱具有施工深度大、填筑层混凝土材料用量大且强度低、排水设施密集等特点。检测时测线布置、波速标定及天线频率的选择与其他铁路隧道检测存在一定差异。
1.1 测线布置[1]
仰拱检测，测线布置以纵向布置为主，横向布置为辅，检测中发现不合格地段应加密测线。测线布置应尽量避开干扰物体，且不影响标记的识别。纵向测线一般布置于仰拱行车中心线附近，需要分段测量时，相邻测量段接头重复长度不应小于1 m；横向测线间距一般为8～12 m。
1.2 波速标定
检测前应对仰拱混凝土的波速进行现场标定，每隧道不应少于1处，每处实测3次，以平均值作为该处电磁波速。当隧道仰拱材料或含水量发生较大变化、或长度大于3 km时，应适当增加标定点数量。波速标定方法主要有两种：（1）在已知厚度的部位或材料与隧道仰拱相同的预制件上进行，且厚度不小于15 cm；（2）钻孔实测。标定波速按公式（1）计算。
（1）
式中：为电磁波在传播介质中的传播速度（m/s）；为标定体厚度（m）；为电磁波在介质中的双程走时（ns）。
1.3 天线频率选择[2]
雷达天线频率的选择应综合考虑不同频率的电磁波在介质中的探测深度、分辨率和目标体的几何特性等因素。天线中心频率的选择应满足式（2）要求。
（2）
式中：为天线中心频率（MHz）；为目标体预计埋藏深度（m）；为电磁波在介质中的传播速度（m/s），实际检测中，以标定波速为准。
以某重载铁路隧道仰拱质量检测为例，图1、图2分别为500 MHz天线和250 MHz天线在同一部位的仰拱检测图像，两图分层界面均清晰可见，层厚约1 m左右。但相对250 MHz天线检测图像，500 MHz天线检测图像分层界面下钢筋则更加明显。
当层厚超过1.5 m时，500 MHz天线不能满足检测深度要求，此时选择250 MHz天线进行检测。见图3、图4。250 MHz天线检测图像分层界面清晰，500 MHz天线检测图像则无法看清分层界面。
由此可知，天线频率的选择直接影响检测结果的可靠性。当目标体深度小时，500 MHz天线用于检测仰拱厚度及仰拱中钢筋数量及间距，250 MHz天线可用于检测仰拱厚度，但不能确定钢筋数量。当目标体深度较大时，500 MHz天线无法检测仰拱厚度及钢筋数量，250 MHz天线可用于检测仰拱厚度，但无法检测仰拱中钢筋数量及间距。
2 数据的分析及解释
探地雷达记录了电磁脉冲由发射到被接收的时间及达到接收天线的能量，并将上述信息以波形或灰度的形式显示在雷达图像上，从而间接地对地下结构物和埋藏物进行成像，使其“可见”。复杂地段，雷达图像具有一定的多解性，细致分析方能对雷达图像准确解释。
2.1 常规波谱的判读与解释
（1）钢筋。
金属的介电常数很小，雷达波对其比较敏感。钢筋在雷达图像上一般表现为有规律的连续的小月牙形强反射信号，月牙波幅较窄或连续点状强反射，如图5、图6所示。
（2）不密实。
当电磁波遇到不密实区域时，会在混凝土和空气中发生多次反射，雷达图像上，不密实表现为信号同相轴不连续，错断，一般区域化分布，如图7、图8所示。
（3）脱空。
当回填混凝土质量较差或混凝土收缩变形速度不一致时，均可能造成脱空。脱空处电磁波反射信号较强，一般呈条带状分布。如图9所示。
（4）夹层。
回填混凝土分层浇筑时，如果出现层间清渣不彻底，在交界面处，由于介质电性发生变化，会出现一反射层。仰拱回填时要求一次浇注，二次浇筑造成的夹层极易造成对仰拱厚度的误判。如图10所示。
（5）空洞。
由于混凝土、围岩与空气的电性差异较大，电磁波在介质-空气、空气-介质间传播时，上下两个界面会产生多次反射，在雷达剖面图上呈典型的孤立体相位特征，通常为规整或不规整的双曲线波形特征。如图11所示。
2.2 常见干扰信号的判读与解释
识别干扰波及目标体的探地雷达图像特征是进行探地雷达图像解释的核心内容。探地雷达在接收有效信号的同时，也不可避免地接收到各种干扰信号，产生干扰信号的原因很多，干扰波一般都有特殊形状，在分析中要加以辨别和确认。重载铁路仰拱检测中，常见干扰物有台车干扰、边墙干扰、排水管干扰等[3]。
（1）台车干扰。
对施工过程中的仰拱质量进行检测时，常遇到模板台车的干扰信号。如图12所示。对于台车干扰信号，要求检测人员现场检测时详细记录现场情况，以防误判。
（2）边墙干扰。
由于雷达波以球面波的形式向空间传播，少部分电磁波遇到边墙等障碍物时，发生反射，引起边墙干扰信号。图13中，测线距离边墙约4.5 m，空气中电磁波速约 0.3 m/ns，按式t=2 d/v计算得，其双程走时应为30 ns左右，与图中信号时间深度相符。
为了验证此信号是否来自边墙反射，调整天线与边墙距离后，再次进行检测，结果表明当天线与边墙距离改变时，时间深度随边墙距离变化。见图14。
（3）管道干扰。
铁路隧道仰拱是各种排水管道密集的地方，应防止管道信号与空洞信号混淆形成的误判。由图15可知，管道反射信号较空洞反射信号规整，单管道为单尖波，双管道为双尖波。
3 结语
（1）重载铁路隧道仰拱质量检测中，探地雷达能清晰的判断出仰拱厚度及内部缺陷，但当仰拱超过一定深度时，钢筋及拱架数量及间距无法判断。
（2）仰拱检测环境复杂，且笔者工作经历有限，因此，如何正确识别干扰信号和有效信号，尚待进一步研究。
参考文献
[1] 中华人民共和国铁道部TB10223-2004.铁路隧道衬砌质量无损检测规程[S].北京：中国铁道部，2004：5-7.
[2] 李大心.探地雷达原理及应用[M].北京：地质出版社，1994：55-56.
[3] 裴巧玲.地质雷达在隧道衬砌质量检测中的应用[J].常州工学院院报，2009，22（5）：8.
摘 要：重载铁路隧道仰拱具有施工深度大、填筑层混凝土材料用量大且强度低、排水设施密集等特点。探地雷达检测难度远远大于其他铁路隧道。如何保证在重载铁路隧道仰拱质量检测中的准确性及可靠性一直困扰着铁路检测工作者们。本文以重载铁路隧道仰拱质量检测为例，结合工程实践，介绍了雷达法检测重载铁路隧道仰拱的方法、后期数据的分析与解释以及检测中常见干扰的解读。
关键词：重载铁路 隧道仰拱 探地雷达 质量检测
中图分类号：U45 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）02（a）-0021-04
重载铁路始于20世纪20年代，至今已经在世界上很多国家广泛采用，特别是对于幅员辽阔的大陆国家，具有更重要的现实意义。所谓重载铁路，是指年运量为2000万t的铁路、单元或组合列车达到或超过5000 t、车辆中车轴轴重为25 t，具备以上条件之二者，可视为重载。
随着国家重载铁路隧道数量的逐年增加，其在运营过程中暴露出来的病害也在接连发生。这就迫切需要一种高效、快速、全面的检测方法来解决隧道病害这一难题，使隧道病害能够提前得到治理。探地雷达检测方法不仅克服了传统方法只靠目测和打孔抽查对隧道质量检测的以点盖面的不全面的缺点，而且是一种采用高科技手段，以其快速、高效、无损、高分辨率和高准确率的优点，在重载铁路隧道质量检测中得到了广泛的应用。
受诸多因素影响，重载铁路隧道仰拱混凝土质量可能出现厚度未达到设计要求或脱空、不密实等质量问题。为及时发现这些问题，需对铁路隧道的仰拱质量进行快速且分辨率高的检测，为隧道工程的科学管理提供依据。
1 仰拱质量检测方法
由于重载铁路隧道仰拱具有施工深度大、填筑层混凝土材料用量大且强度低、排水设施密集等特点。检测时测线布置、波速标定及天线频率的选择与其他铁路隧道检测存在一定差异。
1.1 测线布置[1]
仰拱检测，测线布置以纵向布置为主，横向布置为辅，检测中发现不合格地段应加密测线。测线布置应尽量避开干扰物体，且不影响标记的识别。纵向测线一般布置于仰拱行车中心线附近，需要分段测量时，相邻测量段接头重复长度不应小于1 m；横向测线间距一般为8～12 m。
1.2 波速标定
检测前应对仰拱混凝土的波速进行现场标定，每隧道不应少于1处，每处实测3次，以平均值作为该处电磁波速。当隧道仰拱材料或含水量发生较大变化、或长度大于3 km时，应适当增加标定点数量。波速标定方法主要有两种：（1）在已知厚度的部位或材料与隧道仰拱相同的预制件上进行，且厚度不小于15 cm；（2）钻孔实测。标定波速按公式（1）计算。
（1）
式中：为电磁波在传播介质中的传播速度（m/s）；为标定体厚度（m）；为电磁波在介质中的双程走时（ns）。
1.3 天线频率选择[2]
雷达天线频率的选择应综合考虑不同频率的电磁波在介质中的探测深度、分辨率和目标体的几何特性等因素。天线中心频率的选择应满足式（2）要求。
（2）
式中：为天线中心频率（MHz）；为目标体预计埋藏深度（m）；为电磁波在介质中的传播速度（m/s），实际检测中，以标定波速为准。
以某重载铁路隧道仰拱质量检测为例，图1、图2分别为500 MHz天线和250 MHz天线在同一部位的仰拱检测图像，两图分层界面均清晰可见，层厚约1 m左右。但相对250 MHz天线检测图像，500 MHz天线检测图像分层界面下钢筋则更加明显。
当层厚超过1.5 m时，500 MHz天线不能满足检测深度要求，此时选择250 MHz天线进行检测。见图3、图4。250 MHz天线检测图像分层界面清晰，500 MHz天线检测图像则无法看清分层界面。
由此可知，天线频率的选择直接影响检测结果的可靠性。当目标体深度小时，500 MHz天线用于检测仰拱厚度及仰拱中钢筋数量及间距，250 MHz天线可用于检测仰拱厚度，但不能确定钢筋数量。当目标体深度较大时，500 MHz天线无法检测仰拱厚度及钢筋数量，250 MHz天线可用于检测仰拱厚度，但无法检测仰拱中钢筋数量及间距。
2 数据的分析及解释
探地雷达记录了电磁脉冲由发射到被接收的时间及达到接收天线的能量，并将上述信息以波形或灰度的形式显示在雷达图像上，从而间接地对地下结构物和埋藏物进行成像，使其“可见”。复杂地段，雷达图像具有一定的多解性，细致分析方能对雷达图像准确解释。
2.1 常规波谱的判读与解释
（1）钢筋。
金属的介电常数很小，雷达波对其比较敏感。钢筋在雷达图像上一般表现为有规律的连续的小月牙形强反射信号，月牙波幅较窄或连续点状强反射，如图5、图6所示。
（2）不密实。
当电磁波遇到不密实区域时，会在混凝土和空气中发生多次反射，雷达图像上，不密实表现为信号同相轴不连续，错断，一般区域化分布，如图7、图8所示。
（3）脱空。
当回填混凝土质量较差或混凝土收缩变形速度不一致时，均可能造成脱空。脱空处电磁波反射信号较强，一般呈条带状分布。如图9所示。
（4）夹层。
回填混凝土分层浇筑时，如果出现层间清渣不彻底，在交界面处，由于介质电性发生变化，会出现一反射层。仰拱回填时要求一次浇注，二次浇筑造成的夹层极易造成对仰拱厚度的误判。如图10所示。
（5）空洞。
由于混凝土、围岩与空气的电性差异较大，电磁波在介质-空气、空气-介质间传播时，上下两个界面会产生多次反射，在雷达剖面图上呈典型的孤立体相位特征，通常为规整或不规整的双曲线波形特征。如图11所示。
2.2 常见干扰信号的判读与解释
识别干扰波及目标体的探地雷达图像特征是进行探地雷达图像解释的核心内容。探地雷达在接收有效信号的同时，也不可避免地接收到各种干扰信号，产生干扰信号的原因很多，干扰波一般都有特殊形状，在分析中要加以辨别和确认。重载铁路仰拱检测中，常见干扰物有台车干扰、边墙干扰、排水管干扰等[3]。
（1）台车干扰。
对施工过程中的仰拱质量进行检测时，常遇到模板台车的干扰信号。如图12所示。对于台车干扰信号，要求检测人员现场检测时详细记录现场情况，以防误判。
（2）边墙干扰。
由于雷达波以球面波的形式向空间传播，少部分电磁波遇到边墙等障碍物时，发生反射，引起边墙干扰信号。图13中，测线距离边墙约4.5 m，空气中电磁波速约 0.3 m/ns，按式t=2 d/v计算得，其双程走时应为30 ns左右，与图中信号时间深度相符。
为了验证此信号是否来自边墙反射，调整天线与边墙距离后，再次进行检测，结果表明当天线与边墙距离改变时，时间深度随边墙距离变化。见图14。
（3）管道干扰。
铁路隧道仰拱是各种排水管道密集的地方，应防止管道信号与空洞信号混淆形成的误判。由图15可知，管道反射信号较空洞反射信号规整，单管道为单尖波，双管道为双尖波。
3 结语
（1）重载铁路隧道仰拱质量检测中，探地雷达能清晰的判断出仰拱厚度及内部缺陷，但当仰拱超过一定深度时，钢筋及拱架数量及间距无法判断。
（2）仰拱检测环境复杂，且笔者工作经历有限，因此，如何正确识别干扰信号和有效信号，尚待进一步研究。
参考文献
[1] 中华人民共和国铁道部TB10223-2004.铁路隧道衬砌质量无损检测规程[S].北京：中国铁道部，2004：5-7.
[2] 李大心.探地雷达原理及应用[M].北京：地质出版社，1994：55-56.
[3] 裴巧玲.地质雷达在隧道衬砌质量检测中的应用[J].常州工学院院报，2009，22（5）：8.
