铁路隧道衬砌地质雷达检测影响因素试验研究

2014-12-25齐法琳贺少辉

铁道建筑 2014年3期

齐法琳，贺少辉，江波

(1．中国铁道科学研究院基础设施检测研究所，北京 100081;2．北京交通大学土木建筑工程学院，北京 100044)

地质雷达作为工程物探检测的一项新技术，具有连续、无损、高效和高精度等优点，近年来已广泛应用于铁路及公路隧道衬砌、路基病害和高速公路路面检测，并取得良好效果。在既有线隧道衬砌检测时，需采用升降平台将操作人员抬升到较高位置，使操作人员能够将地质雷达天线贴近隧道衬砌表面，检测速度只能控制在3～5 km/h，并且一次仅能检测一条测线，检测速度不高，检测效率较低。由于铁路天窗时间有限，上述检测方式不能满足现场检测需要。配置先进的地质雷达隧道状态检测车，对铁路隧道的技术状态进行快速、准确的检测就显得尤为迫切。

要采用地质雷达检测车进行检测，需从两方面对既有的隧道衬砌检测模式加以改进:①将地质雷达天线离开衬砌表面一定距离，以提高检测速度;②安装多个雷达天线，可一次检测多条测线，以提高检测效率。本文结合实尺模型试验及现场试验，对地质雷达检测的影响因素进行研究，为研制地质雷达隧道状态检测车提供技术支撑。

1 试验概况

为使试验具有代表性，结合实尺模型试验及现场试验，采用不同地质雷达厂家的不同频率雷达天线和主机，对地质雷达检测的影响因素进行了研究。

1.1 实尺模型试验

根据我国铁路隧道模筑混凝土整体式和复合式衬砌结构的形式和尺寸，按实际尺寸制作整体式和复合式衬砌试件模型，并设置衬砌背后空洞、回填不密实等典型病害，进行地质雷达检测试验研究。

1.1.1 模型

为保证试验模型与实际隧道工程的一致性，专门委托具有隧道施工经验的施工单位进行加工。试验模型包括衬砌模型(图1，分为整体式衬砌和复合式衬砌)和隧底模型(图2)。

图1 隧道衬砌模型(左侧为复合式衬砌，右侧为整体式衬砌)

图2 隧底模型

衬砌模型长9.0 m，模拟了隧道衬砌内部、背后空洞和回填不密实等病害。整体式衬砌和复合式衬砌矮墙均为一半素混凝土衬砌，一半钢筋混凝土衬砌(复合式衬砌指的是二衬)。

隧底模型长6.0 m，宽5.0 m，模拟了隧底铺底破碎和铺底及仰拱均破碎两种病害情况。

实际工程中，隧道衬砌地质雷达检测的测线布置一般以纵向为主，横向为辅。纵向布线是在隧道拱顶、左右拱腰、左右边墙和隧底各布1条测线。本次模型试验布置4条测线，测线1和测线2检测衬砌，测线3和测线4检测隧底，见图3。为了使试验结果具有普遍性，采用的地质雷达天线来自于几个不同厂家。

图3 测线示意

1.1.2 衬砌检测

测线1检测复合式衬砌，测线2检测整体式衬砌，测线距离地面50 cm。主要完成了以下4种工况的检测:

1)测线1以人工牵引方式，按地质雷达天线距衬砌表面的距离分别为0(紧贴衬砌，见图4)，10，20，30 cm共4种情况对复合式衬砌进行检测。

图4 天线紧贴衬砌表面

2)测线2以人工牵引方式，按地质雷达天线距衬砌表面的距离分别为0，10，20 cm共3种情况对整体式衬砌进行检测。

衬砌实尺模型试验主要研究目的有:①离开被检测物表面的距离对检测效果的影响;②不同频率的天线对检测效果的影响。

1.1.3 隧底检测

测线3和测线4分别布置于两钢轨外侧。进行检测时，为减少钢轨对电磁波的干扰，天线离开钢轨中心线约25 cm，距道砟顶面30 cm。检测时以人工牵引方式，沿两条测线分别往返检测各3次，见图5。

图5 模拟隧底检测

隧底实尺模型试验的主要研究目的有:①天线类型(普通屏蔽天线和空气耦合天线)对检测效果的影响;②不同频率的天线对检测效果的影响。

1.2 现场试验

现场试验在北京铁路局良陈线2号隧道进行。良陈线2号隧道于1968年建成，全长986.2 m，衬砌为整体式混凝土及喷射混凝土衬砌。采用不同厂家、不同频率天线的地质雷达进行了隧道衬砌和隧底检测，见图6和图7。

图6 现场非接触式检测衬砌(距离30 cm)

图7 现场隧底检测

试验内容见表1。现场试验的主要研究目的有:①不同频率的天线对检测效果的影响;②离开被检测物表面的距离对检测效果的影响;③不同检测速度对检测效果的影响。

表1 试验内容

2 检测结果分析

2.1 天线频率对检测结果的影响

通过对不同频率天线测试的衬砌雷达图的对比可以看出，天线频率是决定分辨率的重要参数。在其他条件相同的情况下，频率越高分辨率越高，探测深度越浅。比如，采用900 MHz天线时可以识别出的空洞(图8(a)中空洞12)，由于体积较小，采用400 MHz天线就很难识别出来(图8(b)中没有明显的显示)。

2.2 天线类型对检测结果的影响

在模型试验中，分别采用400 MHz屏蔽天线和空耦天线对隧底进行了检测。隧底中人为设置了一段有裂损的铺底。从检测结果来看，采用400 MHz空耦天线进行隧底检测所得到的雷达图层位清晰，病害明显，较普通屏蔽天线检测效果理想，见图9。

图8 两种频率天线雷达图对比(5 km/h)

图9 铺底裂损不同天线检测雷达图对比

2.3 天线离开衬砌表面的距离对检测结果的影响

模型试验采用400 MHz屏蔽天线，研究了天线离开衬砌表面不同距离对检测结果的影响。分析复合式衬砌模型试验结果，可以看出:

1)所有工况雷达图上都能找出衬砌(包括初支，二衬)的层位，确定出的衬砌层厚度与实际情况吻合。

2)所有工况雷达图上都能找出全部病害，病害的位置、范围都比较接近，并与实际情况一一对应。

3)天线底面与衬砌表面密贴时以及离开10 cm时的雷达信号都只用进行增益处理就能形成清晰的雷达图，而离开20 cm和30 cm的雷达信号都需经过水平去背景、垂向滤波、增益处理才能形成可以判识的雷达图，而在离开30 cm以上距离时，雷达信号弱，增加了判识难度，影响检测效果。

在现场试验中，分别采用了 900，600，500，400 MHz天线，也得到了与上述同样的结论。

2.4 检测速度对检测结果的影响

现场试验在采样速率满足要求的条件下，采用400 MHz屏蔽天线分别进行了不同速度的衬砌非接触式检测试验，通过对不同检测速度下的检测效果对比分析得出:①检测速度在25 km/h速度以内时，雷达图像均较清晰，病害及异常的位置一致;②当速度超过30 km/h时，一些体积比较小的异常可能在雷达图上显现不出来。