地质雷达在隧道衬砌质量检测中的应用

杨聚会

（中铁隧道局集团有限公司工程测量试验分公司）

1 概述

近年来，地质雷达因其轻便性、灵活性、经济性、可靠性、抗干扰能力强、高效、无损等一系列优点，被广泛地应用于铁路、公路、市政、水利等行业中，作为一种无损检测的技术手段，在工程质量控制中发挥了极其重要的作用。地质雷达法既可以用来评价既有隧道的安全质量状况，也可以对在建隧道施工质量过程进行管控，应用范围较广，对隧道衬砌质量控制起到了非常积极而有效的作用。

本文从地质雷达的基本原理入手，结合工程实践，对隧道衬砌检测过程中的质量缺陷及雷达图像特征进行了总结和分析，为今后隧道衬砌质量检测工作提供理论依据。

2 地质雷达原理

地质雷达检测是一种快速、连续、非接触电磁波探测技术，它具有采集速度快、分辨率高的特点。电磁波在介质中传播时，其路径、电磁场强度与波形将随所通过介质的电性质及几何形态而变化。因此，根据接收到波的旅行时间（亦称双程走时）、幅度与波形资料，可推断地下介质的分布情况。

地质雷达由发射部分和接收部分组成。发射部分由产生高频脉冲波的发射机和向外辐射电磁波的天线(T)组成。通过发射天线电磁波以60°～90°的波束角向地下发射电磁波，电磁波在传播途中遇到电性分界面产生反射。反射波被设置在某一固定位置的接收天线（R）接收，与此同时接收天线还接收到沿岩层表层传播的直达波，反射波和直达波同时被接收机记录并经图像处理，达到探测前方目标体的目的。

图1 计算示意图

式中x 值为收发距，在探测中是固定的，介质一定时，波速v 值也是固定值，通过记录电磁波的双程走时t，就能得出目标体的深度Z 值。当发射天线和接收天线在物体表面逐点同步移动时，就能得到其内部介质剖面图，见图2。

3 隧道衬砌质量检测典型图谱特征

3.1 衬砌厚度

由地质雷达检测原理可知，两种介质的电性差异越大，探测效果越明显。所以对于衬砌混凝土来说，施工质量越好，混凝土与围岩接触越密实，反射能量越弱，混凝土与围岩之间的反射界面越模糊。在雷达剖面图上，一般都可以找到一组连续性较好、能量相对较强的反射波组，即为衬砌混凝土与喷射混凝土或围岩的分界面，从而可以确定衬砌的厚度，但往往隧道围岩开挖总会出现或大或小的超挖和欠挖现象，衬砌与围岩界面的反射波同向轴就变成了一条有一定起伏的曲线。通过准确读取雷达图像上记录的双程旅行时间，即可确定衬砌的厚度，即：

图2 地质雷达探测示意图

其中：h 为衬砌厚度、Δt为电磁波双程旅行行时(ns)、v 为衬砌的雷达波速。结合图谱，通过分析可知，图3 中部分里程段衬砌厚度是不满足设计要求的。

图3 衬砌界面剖面图

但对于二衬布设了钢筋的混凝土，由于电磁波趋肤效应等的影响，电磁波经混凝土中双层钢筋的衰减后，分辨衬砌厚度有时候就变得比较困难，这时我们可以对图像进行滤波、反褶积等处理使背后的钢拱架变得清晰可见，借助钢拱架的位置可以辅助判定二次衬砌的厚度是否符合设计的要求。

3.2 钢筋与钢拱架

《铁路隧道衬砌质量无损检测规范》(TB10223－2004)中规定钢筋信号反映在雷达图谱上是连续的小双曲线形强反射信号，如图4 所示；钢拱架信号反映在雷达图谱上是分散的月牙形强反射信号，如图5 所示。

但实际检测中，对于钢筋混凝土往往是多根钢筋并排，相邻钢筋之间相互干扰，受钢筋直径大小、钢筋间距和雷达分辨率的影响将产生连续点状的强反射。钢拱架通常表现在图像上是分散的、开口向下的弧形强反射信号，每一处弧形代表一个钢拱架，和钢筋信号相比较，钢拱架信号反射更强烈。

3.3 空洞与不密实

图4 钢筋分布示意图

图5 钢拱架分布示意图

隧道衬砌质量最常见的病害缺陷是空洞和不密实，特别是采用模筑泵送混凝土工艺施工的二次衬砌，很容易在拱顶施工接缝处产生三角形空洞，空洞表现在雷达图谱上为多次性、强反射、相位反转、同相轴呈弧形，并与相邻道之间发生相位错位等特点，是很容易区分的。

不密实表现在图像上为强反射信号同相轴不连续，较分散。

图6 衬砌脱空剖面图

采用地质雷达进行隧道衬砌质量检测时，雷达剖面也同时会把隧道外的一些物体记录下来。如模板台车、台架、钢板、机动车、高压线等，外部的移动电话、信号接收器等也会对检测数据产生一定的影响。在检测过程中，检测人员要尽量避免干扰的发生，无法避免时要及时记录干扰信号的相关情况，随时观察雷达图像，出现异常图像时，及时查找原因，并尽可能提前掌握地下管线及构造物情况，以备分析数据时排除干扰因素，提高结果判别的准确性。

4 结束语

地质雷达无损检测技术作为目前主流的隧道衬砌质量无损检测技术，在隧道衬砌质量检测中已经得到非常广泛的应用，是隧道施工过程质量控制和隧道竣工验收的重要手段，也是运营隧道安全评价的主要技术手段，在隧道建设、运营维护过程中发挥着重要作用。掌握地质雷达检测的基本原理，熟悉隧道衬砌质量缺陷的典型图谱特征，了解质量缺陷的形成机理，对隧道衬砌质量检测结果判定非常重要。在实践中，从业者应多结合现场实际情况进行开孔验证，有效保证地质雷达隧道衬砌质量检测结果的可靠性。