探讨地质雷达在公路隧道衬砌质量检测中的应用

吕 毅，贾路斌

(贵州省交通建设咨询监理有限公司，贵州 贵阳 550000)

1 工程概况

针对我国贵州省某地区一处公路隧道工程展开了衬砌厚度及空洞缺陷检测的分析和研究。该公路隧道为双向四车道高速公路，整幅路基宽度24.5 m，单幅路基宽12.25 m，设计速度80 km/h，隧道右线止桩号为YK12+035～YK13+395，长度为1 360 m；左线起止桩号为ZK12+040～ZK13+390，长度为1 350 m，人行横洞共设计两处，车行横洞一处。该隧道横穿山脊，坡体植被发育，隧道进出口均有乡村公路通过，交通条件较好。公路隧道工程所处的地势条件起伏较大，进口的自然山坡坡度大小在20°～25°之间，自然山坡相对比较稳定。据工程地质测绘及钻探揭露，该隧址区的地层为：上覆第四系坡残积(Q4dl+el)粘土、坡洪积(Q4dl+pl)粘土；下伏基岩为寒武系中上统娄山关组(∈2-3ls)中厚层白云岩。

2 地质雷达在公路隧道衬砌质量检测中的具体运用

2.1 地质雷达检测隧道衬砌厚度及衬砌背后缺陷

针对本次公路隧道工程检测工作中，重点采用900 MHz加强型天线检测二次衬砌厚度及衬砌背后空洞缺陷。为提高隧道衬砌检测精确度，现场进行介质参数标定。标定方法为在已知厚度且材料与隧道二次衬砌相同的预制件上测量(预制件厚度大于15 cm，标定记录中界面信号应清晰、准确)。

标定结果计算

(1)

(2)

式中：εr—相对介电常数；v—电磁波速(m/s)；t—双程旅行时间(ns)；d—标定目标体厚度或距离(m)。

经现场标定，计算分析得到该衬砌相对介电常数为7.9，电磁波波速为0.106 m/ns。

地质雷达的图形以脉冲反射波的波形形式进行结构探测结果的记录，并以波形图或者灰度图来反应雷达垂直剖面图。地质雷达采样数据的解析包括数据的处理及波形的解释两个方面内容。依据雷达的工作原理及工程实践经验，确定检测方式及雷达检测参数的设置，准确区分干扰信号，以便正确识别衬砌的层位和异常缺陷，对检测对象作出客观、科学、公正的评价，避免误判。

隧道衬砌质量检测以纵向布线为主，环向(横向)布线为辅；本次检测为沿隧道纵向共布置5条测线，测线位置在拱顶、左右拱腰和左右边墙。经过对现场检测采集到的雷达测线数据进行处理分析(选择隧道左线ZK12+400～ZK12+500里程段右拱腰测线，设计衬砌支护参数为S-Ⅳb，该里程段二次衬砌为无配筋素混凝土结构)，判定衬砌厚度及缺陷类型，并对缺陷较严重部位进行现场凿孔验证。衬砌厚度及缺陷雷达检测结果、现场开孔验证结果对比见表1。

表1 达检测及现场开孔验证对比结果

2.2 地质雷达检测隧道衬砌厚度及缺陷结果验证

对该组检测数据进行对比分析，当二次衬砌为无配筋素混凝土结构时(介质电磁性质差异大)，介质参数采用现场标定结果，雷达检测衬砌厚度结果的垂直分辨率均高于2 cm。雷达检测精度满足相关规范要求。而由于雷达波在缺陷内的多次反射，衬砌背后脱空的量值不能定量给出。经过分析该组检测数据可以得出：地质雷达在衬砌厚度的检测中(二次衬砌为无配筋素混凝土结构时)可以定量检测，而在衬砌缺陷的检测中仅能定性检测，即判断缺陷所在的位置范围，而不能准确判定缺陷的体积。同时，对比开孔验证的数据，通过地质雷达探测技术可准确判定缺陷所在的位置，且具有无损、快捷、测量工作相对简单和灵活，表现出的应用优势较为明显。

3 地质雷达在隧道衬砌无损检测中存在的不足

3.1 电磁波传播速度问题

在公路隧道的衬砌施工质量检测中，电磁波的双向传播速度对检测工作的精确度至关重要。在公路隧道衬砌厚度的检测工作中，由于衬砌结构材质的不均匀性及现场标定的预制构件或标定点结构与实测结构物存在差异、混凝土龄期不同造成的含水量差异等，都可能影响到检测结果，并直接影响到后续的数据分析处理，因此对介电常数的标定必须准确。

3.2 衬砌钢筋多次反射问题

对应一些地质条件复杂、隧道形状和结构设计复杂的公路隧道，尤其是现阶段城镇化建设工程中的大断面隧道，二次衬砌采用纵向加密的双层钢筋混凝土结构，电磁波遇到钢筋的强反射，无法探测到有效的深度，检测过程中很难找到有效的衬砌反射界面或根本无法区分反射界面。在后续的数据处理过程中容易造成误判，影响检测结果。

3.3 隧道衬砌结构中各种预埋件的干扰问题

公路隧道二次衬砌含有大量预埋件，且预埋件材质为钢材。地质雷达对隧道衬砌内钢筋、钢架位置发布的主要判定特征为：

(1)钢架：分散的月牙形强反射信号；

(2)钢筋：连续的小双曲线形强反射信号。

现场数据采集过程中，检测人员未能有效记录各种预埋件的位置，导致后期数据处理过程中的误判。这就要求地质雷达操作人员需要有一定的综合素质及现场经验，原始数据记录应该完整、准确，随时记录可能对检测产生影响的对象(如渗水、电缆、铁架、预留洞室等)及位置，现场分析可能存在的干扰体位置与雷达记录中异常的关系，准确区分有效异常和干扰异常。在数据处理过程中能有效的溯源，提高检测结论的准确性，确保不失真。

4 结束语

运用地质雷达等无损检测技术使检测效果更加明显，大量的采集数据，灵活可溯源的测线布置，较广的覆盖面，都使得公路隧道衬砌施工质量更加方便、快捷、准确。但是相对于部分破损或半破损直接检测法在精度上略低，在经过准确的参数设置之后，检测结果精度满足规范要求。对于常见的隧道衬砌检测参数，均能定量或定性给出检测结论。本文通过工程实践的运用可以看出地质雷达检测隧道衬砌施工质量的优越性，通过科学规范的数据采集，能够客观、准确的得到反应工程实体施工质量的结论。同时本文也总结出了地质雷达检测技术存在的缺陷以及不足，对工程的整体检测质量可能会存在一定的影响，因此，在后续的研究工作中，需要不断加大地质雷达检测技术的研发和完善，并可结合其它切实可行的检测技术，为隧道衬砌施工质量检测提供强有力技术支撑。