地质雷达检测隧道衬砌常见病害模型实验研究

耿大新，李洪梅，郭 俊，梁国卿

（1.华东交通大学土木与建筑学院岩土研究所，江西 南昌330013；2.南昌市政公用投资控股有限责任公司，江西 南昌330000；3.江西省天驰高速科技发展有限公司，江西 南昌330103）

地质雷达（简称GPR），是利用不同媒质介电常数的差异对地下或物体内不可见的目标体或界面进行定位的一种浅层地球物理探测方法。因其检测连续、快速、无损、高效及易携带、操作简易等优点，地质雷达法在检测行业中运用广泛。然而，地质雷达检测法尚存在雷达图的准确分辨率不高、检测深度与检测精度相矛盾等缺陷。近几年，运用地质雷达检测方法测定隧道的衬砌结构（尤其二次衬砌）的质量和病害，以及地质雷达检测方法的使用精确度等问题颇受业界人士的关注。学者们对其应用于隧道衬砌的检测进行了大量的试验和正反演模拟研究。2000年，美国科研小组通过二次衬砌实验模型研究，对模型中布设的常见病害及不同媒质进行了地质雷达法检测，重点研究了地质雷达在此检测过程中的精确度和探测深度［1］；Michael Scott 和Park S K［2-3］也分别对不同埋设尺寸与深度的空洞和钢筋的桥面板和混凝土结构进行了实验模型研究，分析了这些布设对地质雷达图像的影响；朱彤，杨艳寿［4-5］分别对隧道素混凝土衬砌和钢筋混凝土衬砌背后空洞及不密实病害的辨识及精确度进行了试验模型研究；Bergner J P，刘四新，等［6-8］研究了FDTD防真的频散介质吸收边界条件的实现方法；戴前伟，等［9-10］对衬砌常见病害进行了各种地电模型的模拟研究，分析了病害的地质雷达时间剖面图的特点。

然而，这些研究主要是对常见病害进行单独的试验和模拟分析，少有考虑隧道衬砌布设钢筋网时对其常见病害检测的综合研究。为了对地质雷达在复杂的隧道衬砌病害的应用的进一步研究，制作了一个大型的隧道衬砌模型，并在模型中布设了空洞、空洞积水和混凝土析水等病害。通过对比地质雷达法检测的地质雷达深度剖面图和实际的衬砌布设情况，分析了衬砌分别在双层钢筋网、单层钢筋网和素混凝土区3种情况下病害的反射特征。

1 模型试验与GPR检测

1.1 试验模型的布局

为更贴近隧道衬砌的实际情况，在混凝土水泥路面（现场取样，厚25 mm）和防水板（塑料板模拟）上用预拌商用混凝土（C30）现浇了二次衬砌，其尺寸为6.0 m×1.5 m×0.45 m。试验模型分为素混凝土区，单层钢筋网区和双层钢筋网区；同时，在二次衬砌中的每一区段均布设了常见病害混凝土析水、空洞及空洞积水，布设示意图见图1～图3。

图1 二次衬砌病害布设平面图（mm）Fig.1 The damage layouts in the tunnel lining（mm）

图2 东测线病害布设剖面图（mm）Fig.2 Longitudinal section of the damage layouts（the East side）（mm）

图3 西测线病害布设剖面图（mm）Fig.3 Longitudinal section of the damage layouts（the West side）（mm）

鉴于研究的重点为钢筋网的存在对隧道二次衬砌常见病害检测的影响研究，所以，从外界环境限制、对比性等方面综合考虑，隧道衬砌的空洞和混凝土析水病害布设情况如表1、表2所示。

1.2 试验材料的确定

试验中用薄塑料板模拟初次衬砌与二次衬砌之间的防水层，以贴近实际情况。圆形空洞，用直径为110 mm 和50 mm 的PVC 管模拟，并通过PVC 管中密封自来水模拟积水；矩形空洞（脱空）用矩形三合板空箱模拟；混凝土析水，用满含碎石和湿砂的矩形三合板箱模拟。具体模型如图4。

图4 衬砌钢筋网及各病害的模型Fig.4 The model of the double rebar and diseases

1.3 衬砌表面测线的布设

鉴于隧道二次衬砌中的病害布设主要沿东西两个方向分布，在二次衬砌1/4和3/4宽度处分别布置东西测线，如图5所示。

表1 空洞病害布设Tab.1 The layouts of voids

表2 混凝土析水病害布设Tab.2 The layouts of concrete bleedings

图5 测线布置图Fig.5 The survey line

1.4 地质雷达检测仪器及参数设置

隧道衬砌模型洒水养护28天，采用配置有主机ProEX和中心频率为800 MHz的天线的瑞典地质雷达进行检测。综合考虑到病害的布设情况以及检测的分辨率，采样参数等依尼奎斯特采样定理计算和经验［11-12］取值如表3所示。

表3 800 MHz天线的采集参数Tab.3 The acquisition parameter of the GPR with antenna of 800 MHz

2 地质雷达检测结果与分析

依据地质雷达检测的原始数据，利用REFLEXW软件将检测信号进行滤波和增益处理等，可得东西测线的地质雷达时间深度剖面图，如图6、图7。

图6 东测线地质雷达时间深度剖面图Fig.6 Geological radar profile for the east line

图7 西测线地质雷达时间深度剖面图Fig.7 Geological radar profile for the west line

2.1 钢筋网的检测

对比分析图2、图3与图6、图7，钢筋的地质雷达图像辨识存在如下现象：①单层钢筋网，其数量与位置（深度与间距）显示清晰准确；②双层钢筋网，其数量及上层钢筋位置显示清晰且准确，而其下层钢筋的位置（深度）出现极大偏差，下层钢筋网与上层的的检测间距只有100 mm左右，这与实际布置间距（350 mm）相差太大；③下层钢筋网的反射波形的同相轴与上层钢筋稍有差异。

初步分析，双层钢筋的间距误差的可能原因主要有3个：电磁波在钢筋与天线间多次反射导致双层钢筋间距的误差；双层钢筋间的其他病害布设，导致电磁波反射叠加导致上下层钢筋网的相位变化；距离测线75 mm的沿测线方向的钢筋对电磁波反射的影响导致相位变化。而双层钢筋的同相轴的差别主要源于钢筋网的安装工艺。

2.2 空洞及空洞积水的检测

试验模型中空洞病害主要从填充状态（满含水、半含水、无水）、形状与尺寸、深度及埋设位置（是否在钢筋网下面）4个方面予以设置。

1）空洞积水状况对检测结果的影响。对比图6、图7中的不同空洞的地质雷达图像，可知：无水空洞4～9只有一个反射界面，满含水空洞1和半含水空洞2则均呈现3个反射界面。这主要原因是电磁波遇不同媒质会发生反射，不含水空洞为混凝土-空气-混凝土，半含水空洞为混凝土-空气-水-混凝土，满含水空洞理论上为混凝土-水-混凝土（满含水的条件难以达到，出现混凝土-空气-水-混凝土的情况）。空气、混凝土、水3种媒质的相对介电常数分别为1，6.4和81，且电磁波进入相对介质较小的媒质时，反射波形为正波，从而反射波形的最外层表现为白色［13］。所以，空洞的含水状态可通过地质雷达图像明确判断。

2）空洞的形状对检测结果的影响。鉴于施工中的空洞（脱空）实际情况，试验中设置了矩形空洞（D/E/F）和圆形空洞（1～9）。从地质雷达剖面图不难发现：矩形空洞（脱空）的反射波强烈，且脱空的中间部分更为显著，反射界面表现为顶面水平、底面抛物线形；而圆形空洞的反射波形则表现为双曲线形。从而，实际检测中容易区分矩形脱空和圆形空洞。

3）空洞尺寸对检测结果的影响。鉴于矩形脱空的自身性，脱空宽度不会很小，反射波的特征差异也不大。所以，试验中，只考虑圆形空洞的尺寸影响。由地质雷达检测图像可知，800 MHz的天线对直径为50 mm的圆形空洞检测不明显，从而可知地质雷达（配800 MHz天线）的检测精度大约为50 mm。

4）空洞埋深对检测结果的影响。比较空洞7、8可得，埋深较浅的空洞其电磁反射波更加强烈，更易区分辨别。其主要原因是病害深度越深，电磁波在传播过程中的能量损失越大。空洞7、8均位于二衬和初衬的交界处，故用800 MHz天线检测埋深40 mm的较大尺寸病害可行。

5）钢筋网对空洞检测结果的影响。从图6、图7中可知：布设在双层钢筋网之间的空洞4因受上层钢筋的影响隐约可以判断识别，且空洞4对上层钢筋网反射波影响甚微。而半含水的圆形空洞3因双层钢筋反射影响呈现竖向条状多重反射，反射较强烈；并且与双层钢筋的反射波相互影响，反射界面无从分辨，从而不易判断空洞3的具体时间深度、尺寸与积水状态。

2.3 混凝土析水病害的检测

混凝土析水病害主要布设于西测线附近，故由图7可知：

1）布设于无钢筋区的析水区域C（湿砂）反射波很微弱。从而可知模型在养护28天后，析水区域的湿砂含水量由于木板箱的存在而没有大量减少，故含水量的存在显著削弱了反射波的能量，使得析水区域C在剖面图中很难辨识。

2）布设于单层钢筋网下的析水区域B（湿砂）的反射波却较强烈，其主要原因很可能是湿砂的水份大量流失。

3）布设于双层钢筋间的析水区域A（碎石）处的雷达反射波明显要比析水区域B和C要强烈，并且表现为明显的带状矩形区。经分析主要有4 个原因：析水区域A（碎石）埋深较浅，电磁波能量消耗少，反射强烈；碎石与混凝土见的相对介电常数差异比细砂的大；湿砂含水量比碎石大使得反射信号明显减弱［14］；下层钢筋的存在对析水区域A的反射起到一定的反射增强作用。

综上可得：钢筋网的存在，对其上方的析水病害的检测有一定的反射增强现象，而对析水病害的反射波形在地质雷达时间深度剖面图的表观特征无明显影响。

3 结论

目前，较多隧道的二次衬砌中布设有钢筋网，且多有空洞和混凝土析水等病害，故此，研究隧道二次衬砌内钢筋网的布设检测、空洞与析水等常见病害的检测以及钢筋网的存在对空洞、析水等病害检测结果的影响，具有很重要的实用价值。本文采用800 MHz中心频率屏蔽天线针对不同埋深、不同布设条件下的二次衬砌病害的GPR时间深度剖面图的特征与规律进行了初步的研究。试验结果表明：

1）上层钢筋的数量与间距可通过GPR剖面图清晰准确地判断，而双层钢筋网中下层钢筋的反射波明显比上层弱，且两层间的距离与实际状况却存在极大的差异；双层钢筋网的相位存在差异，主要因为钢筋网的安装工艺。

2）空洞存在积水时，GPR图像一般会出现三个反射界面，从而为判断空洞中是否含有积水提供经验依据。

3）无积水空洞的存在对钢筋网反射特征的影响甚微，而钢筋网的反射会削弱无水空洞的反射强度；另外，含水空洞的反射信号与钢筋网的反射相互影响，且影响较大。

4）钢筋网的存在，使其上方混凝土析水病害的反射波在一定程度上增强，而对析水病害的反射波形在地质雷达时间深度剖面图的表观特征无明显影响。

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