雷达技术在隧道实体检测中的应用

王明柱

（中铁十八局集团勘察设计院，天津300308）

雷达技术在隧道实体检测中的应用

王明柱

（中铁十八局集团勘察设计院，天津300308）

以陕西铁路工程王家湾隧道工程为实例，简单的阐述了一下地质雷达工作的基本原理，重点论述了地质雷达在隧道检测中的主要功能及其应用效果.依据工程实例的分析使地质工作人员更加了解地质雷达在隧道质量检测中的成功性和重要性，为工程验收又提供了一种有效的方法.

地质雷达；工程实例；应用效果

1 前言

随着我国经济建设的飞速发展和工程规范的逐步完善.基础工程建设也进入了一个飞速发展的时期，各形各色的隧道工程建设也日益增多且大长型隧道成为公路、铁路建设中的主流，这样一来便给隧道质量检测工作带来了重重困难也给工程验收带来了不少的麻烦.传统的钻芯法对隧道厚度、完整性的质量问题进行检测由于其频度低、速度慢、造价高、工期长、代表性比较差以及破坏性较大因此逐渐被验收人员不再作为首选.而无损检测地质雷达的兴起，解决了这一长期困扰工作人员的问题.自上世纪90年代中期地质雷达在我国问世以来，人们越来越普遍认识到地质雷达在公路、铁路质量检测中的优越性和成功性.我相信，随着基础工程建设和检测问题的不断提出以及广大科技人员的不断努力，地质雷达能解决的问题会越来越多，涉及的领域会越来越广，其自身的优越性奠定了它在隧道质量检测领域的里程碑地位.

2 地质雷达的工作原理

地质雷达属于地球物理探测技术的范畴，地质雷达主要由控制单元、天线和界面单元组成，控制单元是雷达的核心部分，它是在计算机的基础上配合信号发生触发器、A/D转换器共同组成.就地质雷达而言，它是以被探测体内的不同介质具有不同的介电常数差异进行探测的.在进行探测工作时，地质雷达向地下发射高频电磁波在被探测体内部传播时会发生不同程度的衰减，遇到不同介电常数的介质分界面时就会发生反射，反射波被探测表面天线接收极接收.通过处理分析所采集到的反射波的频率、幅度和相位等信息，便可得到不同介电常数介质的性质、属，以及反射面的深度和分布范围.具体而言，波从介电常数小进入介电常数大的介质时，即，光疏进入光密介质，从高速介质进入低速介质时，反射系数为负，即反射波振幅反向.反之，从低速进入高速介质时，反射波振幅与入射波同向.如从空气中进入土层、混凝土反射振幅反向折射波不反向.又如，表面松散土电磁性质比较均匀，反射波较弱；强风化层中矿物按深度分布，垂向电磁参数差异较大，呈现低频大振幅连续反射；新鲜基岩中呈现高频弱振幅反射，从频率特性中可清楚地将各层分开.反射界面的深度可由公式D=V*Δt/2=C*Δt/2 (ξr1/2)求得.（C为电磁波在空气中的介电常数，Δt为电磁波在衬砌介质中的双程旅行时间，ξr为介质的相对介电常数值）.地质雷达工作原理如图1所示：（与工程隧道地质雷达有关的一些介质的相对介电常数见表1所示）：

图1 地质雷达工作原理示意图

表1 常见介质的介电常数和波速范围

3 地质雷达在隧道质量检测中的功能和应用

3.1 衬砌混凝土的厚度检测

衬砌混凝土厚度的分布情况是工程验收最重要的指标之一.厚度的验收给工作人员出了一道难题，长期以来困扰着验收人员.钻芯法在传统验收中不但破坏性强且代表性差.地质雷达作为一种新型的检测方法被有效的利用，它的优点在于破坏性小且连续性强.自90年代雷达技术在我国应用以来，其自身的特性奠定了其在检测中的重要地位；就工程实例而言，图2是地质雷达在福建高速公路工程某隧洞内所作的一项厚度检测成果.本图为实测雷达剖面，二衬设计厚度为40厘米，混凝土的配合比为C20从实测剖面看，10米范围内衬砌厚度：最后69厘米最薄43厘米，混凝土层与其后面的衬砌钢拱架的反射界面清晰可见且连续性很好，围岩的情况也清晰明了.经过抽芯标定速度后所得的结果于此完全相符.电磁波在混凝土层的传播速度为0.125m/ns.

图2 地质雷达实测衬砌混凝土厚度图

3.2 衬砌混凝土的胶结情况检测

混凝土胶结不密实是隧道工程质量中存在得主要病害之一.胶结不密实主要是由于混凝土的配合比和质量达不到设计要求造成的.混凝土不密实由于分布范围广、分布不均匀且没有规则性，因此传统的质量检测很难检测出所有的隐患；而新型地质雷达通过使用IDSGras现场数据采集软件及IDSGRED/IN/LAYERING后处理软件，所有的缺陷可以清晰地在雷达成果图上显示出来，测得胶结不密实的分布范围和大小.图3所示在福建高速公路工程某隧洞内所作的一项厚度检测成果.从实测雷达图上可清楚的看到，在检测段KX+269～KX290处在衬砌混凝土内部反射波出现了强反射波组，反射波同相轴发生畸变且振幅明显增强，呈现出起伏不定的波形，这些特征显示此处衬砌混凝土内部出现了比较大的局部不均匀变化，波形凌乱表明了此处的混凝土胶结密实度较差.

图3 地质雷达实测混凝土胶结情况图

3.3 衬砌混凝土与围岩之间是否存在脱空现象

混凝土与围岩之间存在脱空情况也是衬砌施工中经常出现的缺陷之一.由于混凝土的质量不合格和施工工艺不当，使得混凝土与围岩没有形成很好的胶结而出现的没落情况在施工中时常发生.因此给工程的安全性、可靠性带来了严重的隐患.要及时采取补救措施防止严重的工程事故发生，必须了解脱空区的确切位置和范围大小.自雷达检测在隧道中应用以来，这一复杂问题便迎刃而解.图4所示在福建高速公路工程某隧洞内所作的一项厚度检测成果.即检测衬砌层灌浆施工后的灌浆效果检测，从地质雷达实测成果图上可清楚地看到，反射波正反相间反射很强而且振幅明显增强，脱空区连续蜿蜒，反射波同相轴依然连续清晰.这些特征表明了衬砌底部与围岩之间存在空隙，根据雷达图可以看到此处存在严重的脱空.脱空区的范围大约13米左右.通过验证此处确实存在严重的脱空现象.

图4 地质雷达实测混凝土脱空现象图

4 结论与建议

通过地质雷达在福建高速公路工程某隧道衬砌质量检测中的工程实践，我得到了以下几点结论：

4.1 地质雷达检测隧道衬砌混凝土地厚度、混凝土地胶结密实情况、衬砌混凝土与围岩之间是否存在脱空现象等一系列地工程问题是可行的.与传统的检测手段相比，地质雷达是一种连续、便捷、高效、可靠、无损的新型检测方法.

4.2 在工程实践中我们发现，地质雷达的优越性胜过传统的任何一种检测方法，由于其自身的特性，在隧道衬砌质量检测方面不但效果较好而且准确，造价低廉、工艺简单，不失为一种长期质量检测的重要方法.但是基于目前这一领域人才比较缺乏，技术发展不够完善，技术人员的地质理论和实践经验不足，因此往往实测结果与实际情况存在误差，准确率在80%左右，低于理论值.但我相信随着这一项技术在这一领域的逐步完善和经验积累，在不久的将来雷达技术将会更有生命力.

4.3 自雷达在我国工程建筑应用以来，在工程隧道质量检测的过程中的优越性和成功性显而易见.希望在今后的基础工程建设中能更广泛的利用这一科技为施工单位和指挥组织部门服务，使其成为工程建设中最有力的武器之一.

随着我们基础工程建设的相关规定越来越完善，在逐步超赶发达国家科技的过程中，地质雷达将在工程建设中越来越重要，应用越来越广泛，将成为必不可少的检测手段之一.

〔1〕2005年GSSI地质雷达应用技术研讨会报告.

〔2〕赵大铭.地质雷达方法与应用.北京：地质出版社.

〔3〕王惠濂.探地雷达概论.地球科学—中国地质大学学报.

〔4〕DGJ32/TJ79-2009.雷达法检测建设工程质量技术规程.

〔5〕肖兵，周翔，汤中田，探地雷达技术及应用和发展[J].物探与化探，2014，20（15）.

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2016-11-24