隧道衬砌质量地质雷达法检测及应用实例分析

摘要：随着铁路工程的发展，地质雷达在隧道衬砌质量检测中得到了广泛的应用。作为一种高效、先进的无损检测方法，地质雷达法能够对隧道衬砌进行连续探测，获得直观的雷达图像。文章从地质雷达基本原理入手，探讨了施工过程中各种隧道衬砌缺陷的形成机制，分析了相应的地质雷达图像特征，用以讨论各类隧道衬砌缺陷的判识。

关键词：地质雷达；衬砌缺陷；隧道衬砌质量；雷达检测；铁路工程 文献标识码：A

中图分类号：U414 文章编号：1009-2374（2016）14-0047-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.14.024

隧道工程的地质条件一般情况下较为复杂，其施工难度大、环境恶劣，对施工工艺和施工工序要求较为严格，一旦卡控不严就很容易导致隧道质量缺陷。铁路建设单位为保证行车安全，越来越重视隧道的施工质量，由于地质雷达无损检测技术，具有操作简便、检测效率高、检测结果准确等优点，被广泛地应用于铁路隧道衬砌质量检测中。本文首先介绍了地质雷达无损检测的基本原理，然后结合隧道施工、检测的实际情况给出了几种常见的隧道衬砌缺陷类型，并从施工角度分析了衬砌缺陷的形成原因，同时针对每种缺陷类型给出了对应的典型的地质雷达检测图像，分析了缺陷图像特征，为隧道衬砌质量检测数据分析工作提供指导，最后给出了地质雷达应用于隧道衬砌检测的实例。

1 地质雷达缺陷检测的基本原理

1.1 地质雷达隧道检测理论基础

地质雷达检测隧道衬砌质量是利用工程介质不同介质的电性差异来实现的。地质雷达系统将高频电磁波向工程介质发射，当电磁波穿透工程介质时，由于不同的工程介质或者工程介质与缺陷介质存在着电性差异，电磁波将在电性不同的介质界面发生反射。地质雷达就是根据介质的反射波特性以及电磁学性质来揭示工程介质内部结构和缺陷的，地质雷达的工作原理如图1所示：

1.2 电磁波在衬砌不同介质中的反射特性

电磁波在传播过程中遵循波的反射和折射定律，一般雷达电磁波被认为是近垂直入射，对于非磁性介质而言（如混凝土等），反射系数R可简化为：

式中，、为反射界面两侧介质的相对介电常数，由式（1）可知，相邻介质的介电常数差异越大，则反射信号超强烈。

而对于金属良导体（如钢筋、钢架等），反射系数R则简化为另一种形式：

式中，为电磁波的角频率；为金属的电导率。从式（2）可以看出，由于金属的电导率趋于，即当电磁波传播至钢筋、钢架时，电磁波将发生全反射。

2 衬砌缺陷的形成机制及雷达图像形态特征

分析隧道衬砌缺陷形成原因，研究不同缺陷在地质雷达图像中的形态特征，对于隧道衬砌缺陷的辨识有很大的帮助，下面就四种常见的隧道缺陷进行分析：

2.1 各种衬砌空洞

衬砌空洞可能存在于隧道衬砌的任何部位，衬砌空洞不仅会造成衬砌混凝土开裂，严重者还会使衬砌产生掉块，危及行车安全，更有甚者会使围岩失稳。混凝土与空气或混凝土与水的介电常数差异很大。通过上述可知，不管空洞内有没有水的存在，电磁波在空洞处都会产生强烈的反射，这种强反射在雷达图像上可以比较清晰地表现出来。按照空洞出现位置及成因的不同，主要可以分为以下两种：

2.1.1 防水板与初支之间的空洞。此类空洞多是由于光面爆破效果不好或者防水板铺设不当造成的。

2.1.2 防水板与衬砌之间的空洞。在浇筑二次衬砌时，如果混凝土灌注不满，加上混凝土本身存在的“干缩”现象，往往会在衬砌中形成空洞，受混凝土流动性影响，空洞多集中于拱顶、拱腰部分。这类空洞一般表现出连续性，且纵向尺寸较大。为了解决这个问题，隧道在设计时往往会在拱顶设计一定数目的注浆孔，以留作后期二次注浆之用。

2.2 衬砌不密实

2.2.1 混凝土内部不密实。混凝土内部不密实可能是由于混凝土振捣不充分、漏浆或者混凝土离析等原因造成的，这时混凝土内部一般呈蜂窝状或者松散状。这类问题一般容易出现在钢筋混凝土或隧道仰拱填充中。

2.2.2 仰拱虚渣、积水。按照施工要求，隧道充填混凝土层和仰拱应该分开浇筑，图2为隧道仰拱上表面积碴、积水导致仰拱和仰拱填充层交界面不密实。

2.3 钢架及二衬钢筋数量

当隧道围岩较差时，为了增加衬砌的支护抗力，一般在初期支护中加设钢拱架，同时使用钢筋混凝土作为二次衬砌来共同承担围岩压力和变形。钢拱架、二衬钢筋数量不足将严重危及隧道结构安全，给线路运营期间行车安全埋下巨大隐患。钢架及二衬钢筋数量的判识较为简单，二衬钢筋在地质雷达图像上呈现为连续的小双曲线形强反射信号，

而钢拱架则呈现为分散的月牙形强反射信号，如图3所示：

2.4 衬砌厚度不足

衬砌厚度不足属于隧道工程质量通病，多是由于隧道欠挖所致。衬砌厚度不足会导致衬砌表面发生裂缝，造成混凝土掉块，影响行车安全。

3 工程实例

3.1 地质雷达检测隧道二衬脱空的应用实例

图4为西南某隧道D1K191+485-480拱顶雷达图像，拱顶二衬设计厚度为45cm，从图像可以看到，D2K81+483-486段，深度约20～50cm范围内有反射界面，且界面下方形成多次反射，判断为二衬脱空，脱空高度约20～25cm。使用冲击钻钻孔验证结果与雷达图像判识结果一致，现场验证照片如图5所示。

3.2 地质雷达检测二衬钢筋数分布的应用实例

图6为西南地区某隧道D8K147+845-850右边墙雷达图像，设计钢筋间距为25cm，标示了边墙纵向施工缝上1.5m处测线和边墙纵向施工缝上2m处测线。图7可以看出平均钢筋间距约为50cm，而此测线上方0.5m处的测线即显示钢筋并不缺少，经分析推测形成图7的原因可能是边墙插筋与二衬钢筋之间扎丝脱落，灌注混凝土时，造成二衬钢筋向后挤密、上浮，无损检测时，二衬钢筋信号被长插筋信号遮挡，经过现场破检检查发现结果与推测一致。

3.3 地质雷达检测隧底片石混凝土填充应用实例

隧底填充片石混凝土的情况时有发生，往往是由于施工队伍安全意识淡薄、偷工减料所致。图8为西南地区某隧道D1K191+495-500隧底雷达图像，该段仰拱设计厚度为45cm，填充为91.5cm，从图中可以看到D1K191+495-498段，深度40～100cm范围内雷达反射信号较强，且杂乱无章，判断异常信号为混凝土填充不密实。经钻芯取样发现此处混凝土夹杂大量片石，最大片石充填深度范围为1m。

4 结语

地质雷达法检测隧道衬砌质量具有无损、快速、经济等特点，因此在检测铁路隧道施工质量方面具有非常重要的应用价值。它不仅可以准确地检测出隧道衬砌的厚度，还可以反映出衬砌内部缺陷，由于其操作简单，因此可以对施工中或者运营中铁路隧道进行大面积检测。通过大量隧道衬砌质量检测资料的积累和分析，总结各种缺陷图像的特征，对同类隧道质量检测具有非常重要的指导意义。

参考文献

[1] 李二兵，谭跃虎，段建立.地质雷达在隧道工程检测中的应用[J].地下空间与工程学报，2006，2（2）.

[2] 李大心.探地雷达方法与应用[M].北京：地质出版社，1994.

[3] 李晋平.地质雷达在铁路隧道工程质检测中的应用

[J].中国铁道科学，2006，（3）.

作者简介：黄潘（1983-），男，湖北人，铁道第三勘察设计院集团有限公司工程师，工学硕士，研究方向：岩土工程。

（责任编辑：蒋建华）