地质雷达在隧道检测中的应用

杨永龙

摘要：隧道因其特有的结构和功能要求，往往施工难度大，容易出现初期支护背后脱空，二次衬砌混凝土厚度不足等问题，给施工和运营造成相当大的危害。为了避免类似问题的发生，就必须在施工过程中及时发现质量隐患并及时清除，通过地质雷达方法检测正好解决以上问题。它以其高分辨率和高准确率，快速、连续且高效的无损检测方法很快得到人们的认可，经过长期实践和不断发展被广泛应用于隧道衬砌质量检测中。本文介绍了地质雷达工作原理与工作方法，并探讨了地质雷达在隧道检测应用时的技术要点。

关键词：地质雷达；二次衬砌；背后脱空

一、地质雷达工作原理与工作方法

（一）地质雷达的工作原理

地质雷达作为一种电磁技术，可以对地下的不可见目标进行定位。其工作原理是：以高频电磁波的脉冲形式，通过电线定向传入地下，反射回地面的电磁波被地面仪器接收。由于地下不可见目标的不同，病害的类型也不同，那么电磁波到达之后会反射回不同的形式。再根据其返回波的性质进行分析，得到地底隧道病害的真实情况。地质雷达并不适用于所有类型的病害检测，其必须要具备一定的基础条件，即衬砌或岩体中存在的孔洞与周围物质的相对介电常数差异较大。此外，我们还可以根据病害的时间，将病害类型的检测分为建设之前和后期维护，即地质的超前报告以及隧道健康监测。只有两种检测同时应用，才能有效的施工建设，并且在建设中、完工后避免意外，从而保障隧道运营的安全。

（二）地质雷达工作方法

目前常用的时域地质雷达测试方法有环形法、宽角法、多天线法、剖面法等，其中。以剖面法结合多次覆盖技术应用最为广泛。剖面法是发射天线（Tx）与接收天线（Rx）以固定间距沿测线同步移动的一种工作方法当发射天线和接收天线的间距为零时，也就是发射天线和接收天线合二为一时、称为单天线形式，反之称为双天线形式。剖面法的测试结果可以用地质雷达时间剖面图像表示，其横坐标记录了天线在地表或衬砌面的位置，纵坐标为反射波双程走时，表示雷达脉冲从发射天线出发经过地下界面反射回到接收天线所需要的时间。这种记录能够准确描述测线下方地下各反射界面的形态，需要指出的是由于地下介质对电磁波的吸收，来自地下深处界面的反射波会由于信噪比过小而不易识别，这时可应用不同天线距的发射和接收天线在同一测线上进行重复测试，然后将测试记录中相同位置的记录进行叠加以增强对地下深部介质的分辨率。

二、地質雷达在隧道检测中的应用技术

（一）地质雷达检测参数

地质雷达检测时的参数设定是否符合紧切关系到检测的效果。主要的检测参数包括：采样率、天线中心频率、时窗、发射天线与接收天线的间距、测点点距。

1、时窗选择

W=1.32dmaxM（2）

其中：M为介质中电磁波的速度（单位：m/ns）dmax为探测深度（单位：m）。

2、采样率的选择

采样率（时间采样间隔）是记录的反射波采样点之间的时间间隔。按照尼奎斯特采样定律采样频率至少要达到天线中心频率的3倍。为了使记录波形更完整，建议采用连续测量工作方式，采样率取中心频率的6倍。

（二）地质雷达检测工艺

1、布置测线

检测隧道之前，一般沿隧道拱顶、左拱腰和右拱腰，以及左边墙和右边墙做5条测线。布线时要注意周围的详细情况，应该远离地面噪声源，剖面线必须能提供测区内充分的细节，并使工作量最小。注意，对于特殊的检测位置要特殊布线才能达到需要的精度。

2、标定里程

当雷达天线扫过检测剖面时，雷达设备不能自动地在图谱上标定出检测位置。主机采集到的数据是一系列平滑、连续的彩色图谱。因此，需在检测前对隧道作出里程标识。一般是从隧道的进口处开始，每5m用醒目的红色油漆在隧道的边墙上作出一个/o0标识。检测中，当天线扫描过该标识时，通过连接在主机上/Mark0端口上的打点器打点，每按动一次打点器，在与天线位置相对应的图谱上标出一条明亮的/Mark0线，如此才能准确地找出图谱上各检测点对应的实际里程位置。

（三）地质雷达波形分析

隧道现场施工过程中，主要有过程质量控制和二衬成型检测，过程控制中，主要检测隧道初期支护完成后，初期支护厚度、钢拱架间距、初期支护背后脱空等；二衬施工完成后，主要检测二衬厚度、钢筋间距、二衬背后脱空等情况，就各种检测主要如下：

1、初期（二次）衬砌背后空隙判断

初期（二次）衬砌背后空隙是指隧道衬砌背后没有全部回填，初期（二次）衬砌与围岩间存在的空洞。由于空气与混凝土的介电常数差异较大，衬砌与围岩之间有明显的空隙，图像中就会表现为衬砌界面反射信号增强，如果空洞较大，还会在界面信号下方产生绕射信号。

2、初期支护钢架判断

隧道初期支护完成后，为分析钢架支架距离，判断钢筋有无，当混凝土中有钢架时，反射信号为分散的月牙形强反射信号。每一个月牙表示一根拱架。通过判断检测是否符合设计要求。

3、隧道二次衬砌钢筋判断

隧道二衬施工完成后，为分析二衬中钢筋距离，判断钢筋有无，连续的小双曲线形强反射信号，每一点信号代表一根钢筋，钢筋保护层越小，信号越明显，通过上面距离以及显示根数来判断，是否符合设计要求。

4、隧道二衬厚度判断

隧道二衬厚度检测，是隧道的主要检测项目，是隧道质量控制的重要指标，隧道衬砌厚度直接影响到衬砌结构承载能力和隧道使用寿命，使用雷达扫描已经成为重要的控制手段。二衬和初期支护由于物理成分和物理性质存在着很大差异，介电常数存在明显差异，特别是衬砌与围岩之间，电磁波从混凝土进入围岩时，反射波形振幅显著增大，频率降低。

隧道混凝土厚度是根据电磁脉冲在各结构层见面反射时间和各结构层中电磁波的传播速度计算得到的。厚度检测的关键是确定电磁波在隧道各结构层中传播时问。然后根据电磁波在混凝土中的传播速度计算出结构层的厚度。

三、隧道衬砌地质雷达检测时应注意的问题

地质雷达在隧道衬砌检测中已经得到了广泛的应用，但仍存在不少问题，如：（1）由于支护表面不平整引起的里程记录上的误差和对检测结果的误判；（2）隧道内的照明电缆、机械等对雷达波产生很大干扰，影响后期数据处理过程中对信号的解释。为此，现场检测时应确保天线与衬砌表面密贴。并尽最保证移动速度均匀，对表面不平整段落可采用时间触发进行探测，现场应随时记录可能对雷达波产生干扰的物体及其位置。另外，雷达检测二衬厚度的精度与所取介质的介电常数息息相关。因此，通过查表选取介电常数履然是不可取的，必须在检测前对衬砌混凝土的介电常数作现场标定。

地质雷达检测可用于施工过程质量控制和竣工验收质量检测。目前较多隧道建设管理部门存在重视竣工验收质量检测、忽视施工过程质量控制的现象，这是不可取的。隧道衬砌是隐蔽性工程，仅凭传统的目测或钻孔等方法难以对施工质量进行有效全面的控制，这就导致施工中容易遗留空洞、初喷或二衬厚度不足等质量问题，如果等到竣工验收再发现这些质量问题显然为时已晚。为此，施工过程中的地质雷达检查尤为重要。笔者建议隧道衬砌地质雷达检测可参考隧道衬砌质量检测流程图，以便更好地控制隧道建设质量。

参考文献

[1]中国铁路工程总公司.铁路隧道衬砌质量无损检测规程（TB10223/J341—2004）[M].北京：中国铁道出版社，2009.

[2]董嘉，李菊红.地质雷达在隧道检测中的应用及图像分析[J]. 城市建设理论研究（电子版），2013年1期.