基于雷达技术的铁路工程检测探讨

曹原

摘 要：本文以近年发展起来的地质雷达作为铁路工程检测的工具，探讨了地质雷达的应用的可行性和方式方法，论文针对铁路工程检测中的隧道、挡土墙和路堤等几个重点检测点，分别论述了地质雷达用于上述检测的必要性和可行性，并结合笔者的工作实践，探讨了具体的应用体会，相信对从事相关工作的同行能有所裨益。

关键词：地质雷达 铁路工程 检测 挡土墙 路堤 隧道

中图分类号：TN959 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）07（b）-0000-00

0 简介

地质雷达（Ground PenetratingRadar，简称GPR）是近年发展起来的一种用于浅层地质结构、构造和岩性检测的新技术。它利用超高频脉冲电磁波为震源，多以自激自收的形式，可采用连续、间断两种方式探测介质分布，具有快速、无损、连续检测、实时显示等特点。在新建铁路施工过程中，雷达检测技术的应用越来越广泛，主要检测内容如图1所示。

图1新建铁路雷达检测主要内容

1 方法原理

用于工程检测的地质雷达脉冲波一般使用中心频率为几十、几百到几千兆赫的宽频带高频短脉冲电磁波。电磁波反射脉冲信号的强度与界面的反射系数和穿透介质对电磁波的吸收能力有关，当介质为非磁性介质时，反射系数为

下标1、2表示介质1、介质2。上式表明，电磁波的反射系数取决于界面两边介质相对介电常数的差异；差异越大，反射系数越大。当电磁波通过发射天线向物体表面发射电磁波时，由于不同介质具有不同的物理特性（如：介电性、导电性、电磁性等），对电磁波具有不同的波阻抗，进入墙体的电磁波在穿过墙体时，其传播路径、电磁场强度以及波形特征将随所通过介质的电性和几何形态而变化。因此，从接收到的雷达反射波走时、幅度及波形资料可以推断墙体的几何形态及其结构。

2 隧道检测

2.1 雷达技术隧道检测应用必要性

隧道施工过程中，超挖、欠挖、渗水、防水板脱落等问题一直存在，是隧道常见的质量问题。因振捣不够、漏浆或石子架空等造成的蜂窝状或因缺少水泥而形成的松散状以及遭受意外损伤而产生的疏松状混凝土区域，称作不密实。由于超挖、衬砌混凝土厚度不足等原因，造成衬砌混凝土和围岩以及混凝土初衬、二衬之间存在较大空隙；衬砌混凝土厚度达不到设计要求，为厚度不足（欠厚）。

Ⅴ级围岩、局部Ⅵ级围岩或大的塌方及溶洞段，需要采用钢筋网或钢拱架做为初期支护，加强衬砌的承载能力；钢拱架数量的缺失导致衬砌强度降低，钢筋网不均匀导致钢筋保护层太厚或太薄。

2.2 雷达技术隧道检测应用可行性

衬砌质量合格的雷达图像，雷达反映界面清晰，表现为一条亮线。

（1）在雷达图像上的“空洞”缺陷反映特点空洞缺陷发生在二衬和初期支护之间（防水板的位置）或喷射混凝土背后。由于混凝土和空气（水）的介电常数差异较大，空洞处会出现强烈的反射波组，表现有孤立的和连续的空洞。特别在拼装模板台车的挡头处容易出现空洞。

（2）在雷达图像上的“不密实”缺陷反映特点不密实缺陷发生在衬砌和围岩之间和二衬，由于回填片石灌注砂浆不饱满和混凝土灌注过程中振捣不够、漏浆或石子架空等造成蜂窝状细小空隙，空隙之间不连续。图像特征和空洞相似，在相同增益条件下，反射波的强度不如空洞，并且反射波相位紊乱。

（3）在雷达图像上的“欠厚”缺陷反映特点欠厚缺陷是由于隧道开挖过程中部分欠挖，在混凝土衬砌完成后导致衬砌厚度达不到设计要求。在雷达图像中二衬的界面清楚可见，但界面厚度变化较大，局部厚度不足。一般情况下，欠厚和空洞缺陷同时存在，二衬与初期支护有空洞导致厚度不足。

3 挡土墙检测

3. 1 雷达技术挡土墙检测应用必要性

挡土墙检测主要是针对重力式和衡重式类型挡土墙工程。挡土墙是由片石和砂浆砌筑，依靠墙体自重或填土重量抵抗土压力，防止土体坍塌的支挡结构。墙体的施工质量和现有状况成为影响铁路安全运营的重大隐患问题。

浆砌片石挡土墙在砌筑和使用过程中，由于施工控制不严格或地质条件复杂，容易产生以下质量隐患。（1）空洞和不密实：砌体沙浆不饱满，墙体砌筑片石之间架空，砌体疏松。（2）欠厚：局部砌体厚度达不到设计要求。（3）砌体局部片石尺寸偏小：影响整体结构的强度。（4）墙体背后没有设置反滤层或反滤层设置达不到设计标准；或泄水管堵塞、数量不足，排水不畅，导致挡土墙背后积水，造成墙体受压，发展成墙体出现变形、裂缝甚至坍塌。

3. 2 雷达技术挡土墙检测应用可行性

挡土墙质量合格的雷达图像，雷达反映界面与隧道有所区别，不是表现为一条明显亮线，而是一条可追踪、无明显连续的界面。

（1）在雷达图像上的“空洞、不密实”缺陷反映特点挡土墙的缺陷“空洞、不密实”在雷达图像上的反映与隧道类似，是由于片石空隙过大，砂浆填筑不饱满或强度不够。（2）在雷达图像上的“反滤层填筑”缺陷反映特点挡土墙背后地层为土质地层时，界面两侧介质的相对介电常数差异较大，反射能量较强，雷达反射波频率相对较高，振幅相对较大，雷达图像同相轴连续性好。

4路堤检测

4. 1 雷达技术路堤检测应用必要性

路堤是在原地面上，用土、石填筑的路基。路堤是分层填筑、分层碾压，要求填料级配较好，碾压均匀，并要求压实系数或地基系数不应小于设计的Kh或K30值。每层填筑的厚度为0.5～0.8 m。但由于施工过程中路堤往往由于填料软弱、不均或施工质量差，导致承载力不足、压实度达不到要求等，而使路堤产生局部沉陷、滑坍外挤等。特别在桥台背后及涵洞缺口由于填料不密实，极易产生坑槽、桥头跳车等病害。因此，在基床表层铺设前，对路堤特别是桥台背后及涵洞缺口的填实情况进行雷达检测是非常必要的。雷达检测作为路堤评价的一种手段，可定性的对路堤填料密实情况、空洞、地表处理及隐患进行检测试验。

4. 2 雷达技术路堤检测应用可行性

（1）分层填筑碾压情况调查：通过对各对雷达剖面图追踪、对比可看出各填筑层的情况。各层同相轴呈水平连续，路堤中无杂乱的反射信号时为压实均匀，反之则整体性差。

（2）隐患调查：填料级配较差，石块较大，路堤难以压实，导致路堤填料疏松，小空隙分布或含水量不均，雷达图像上可见到较多、较强的反射信号。

因此，利用雷达图像可以判断路堤的整体工程质量，对填料的均匀性、密实情况、空洞、地表处理及隐患能给予分析判断。

5 雷达检测工程实际应用体会

（1）在检测之前对工程项目的设计、施工资料必须进行细致的了解。（2）检测过程中保证每一条测线采集数据的有效性，对于现场发现问题的段落或测线进行重复性测量。（3）数据处理过程中遵循缺陷的特征规律，着重对缺陷的识别和分类，对缺陷的规模、严重程度进行判别。（4）后期对检测出的缺陷进行开挖、钻孔验证，并结合验证结果对资料复解，积累检测的经验。

参考文献

[1] 张峰，陈曦.探地雷达在铁路隧道衬砌质量检测中的应用[J].铁道勘察，2006，32（1）.

[2] 李英杰，孙建发，李迎春.胶济铁路电气化工程地基与基础的质量检验[J].铁道勘察，2006，31（1）.