地质雷达在隧道衬砌质量检测中的应用

洪俊

摘 要：为从根本上提升公路隧道工程建设质量，控制隧道衬砌结构后期维护成本，需要在工程实际施工过程中，将先进地质雷达技术应用在隧道衬砌质量检测工作中，确保衬砌结构检测结果与工程实际施工情况相符。基于此，本文以地质雷达质量检测技术工作原理为切入点，分析隧道衬砌结构检测技术参数，提出地质雷达检测流程以及图像分析要点，以期为相关工作人员提供理论性帮助。

关键词：地质雷达;隧道衬砌质量;检测

现阶段各类隧道工程建设规模日渐扩大，对工程施工质量及效率的要求更高。衬砌是隧道工程重要组成部分，衬砌结构施工水平可直接影响到工程建设期间的综合效益。为及时发现隧道衬砌施工期间的质量问题，制定出专项可行的质量管控机制，需要配合使用更为先进的地质雷达质量检测技术，获取到更加全面精准的质量检测数据，不断优化衬砌结构及施工方案，确保隧道工程施工工作始终处于全面管控状态。

1 地质雷达技术工作原理

地质雷达技术主要就是对地下或不可见物体进行定位电磁技术，主要通过宽带时域发射天线，向地下发射高频窄脉冲电磁波[1]。由于电磁波在地下传输期间会遇到不同电性介质界面而发生反射，由接收天线接收介质反射的回波信息。

利用雷达天线向混凝土结构发射电磁波，由于空气、混凝土、钢筋或孔洞等介电常数不同，波频在不同介质交界处发生反射，由混凝土表面天线接收，依照发射电磁波至反射返回的时间差与混凝土微波传输速度，判断反射体距表面距离，用于检测混凝土结构内部钢筋分布、混凝土厚度及缺陷位置。

因隧道工程混凝土层状结构与介电常数存在明显差异，形成良好的电磁波反射界面，使隧道工程质量问题能够被及时发现。

2 地质雷达检测参数

地质雷达检测参数的设置水平可直接影响到隧道工程衬砌结构检测结果精准度及全面性。在衬砌结构质量检测过程中，实际检测参数主要分为天线中心频率、发射天线与接收天线间距、测量时窗、采样频率以及测点点距。

其中，在天线中心频率选择过程中。需要结合隧道衬砌结构探测目标深度，收集空间分辨率与结构物的介电常数[2];在时窗选择过程中，需要明确隧道衬砌结构探测深度、介质中电磁波传播速度等参数数值;在采样频率选择期间，需要注重记录反射波采样点之间的时间间隔。依照采样定律标准，要求地质雷达采样频率至少为天线中心频率的三倍。为从根本上保障记录波形的完整性，建议在隧道衬砌检测过程中，将采样频率设置为中心频率的六倍。

3 隧道衬砌结构地质雷达检测流程

3.1 测线布置

在检测隧道衬砌结构前，需要沿隧道拱顶、左拱腰、右拱腰、左边墙、右边墙处分别布置测线，在特殊部位检测时，需要注重布置特殊测线，以从根本上提升检测结果质量水平。

在布置测线过程中，需要注重收集工程施工现场地质条件及水文特征等资料，避免测线与地面噪声源过近，导致测量结果的全面性及精准度下降等问题出现。同时，剖面线的布置工作还需要符合测区实际要求，最大限度控制实际测量工作量，从根本上提高隧道衬砌结构质量检测效率。

3.2 里程标定

在使用地质雷达质量检测技术过程中，还需要做好里程标定工作。在雷达天线检测衬砌结构剖面时，主机采集到的数据为连续平滑的彩色图谱，由雷达设施在图谱上标定实际检测位置[3]。为从根本上保障地质雷达质量检测结果，还需要在检测前做好隧道里程标识工作。由隧道进口处开始，每隔5米用红色油漆在隧道边墙做出标志。

在实际检测过程中，天线扫描过标识后，可以借助连接在主机上的端口打点器进行打点，要求打点位置应当明确标注在对应图谱上，确保在数据处理期间，相关工作人员能够依照图谱内部检测点位置，快速找寻到衬砌结构质量问题发生区域。

4 隧道工程衬砌结构地质雷达质量检测图像分析

在隧道工程衬砌结构现场测量过程中，地质雷达图像的变化规律难以确定。在地质雷达图像判别期间，需要依照实际地质情况进行统一分析，通过相应的波形图像特征，评估衬砌结构综合施工质量。由于地质雷达属于无损检测技术，能够在不破坏隧道衬砌结构的情况下获取各类技术参数，对雷达图像异常情况进行及时判断，发现并解决衬砌结构施工期间存在的各类质量问题。

4.1 衬砌界面图像分析

隧道工程混凝土衬砌结构、混凝土喷射、围岩结构之间的介电常数存在较大差异[4]。在应用地质雷达检测技术过程中，彩色图谱上衬砌结构底面与围岩结构存在明显界限。由于围岩结构的开挖面尺寸不均匀，衬砌结构的界面通常呈现起伏曲线。

4.2 拱架与钢筋网图像分析

由于金屬的介质常数小，对地质雷达波的反应十分敏感，钢筋则对电磁波产生连续点状强反射信号。

当电磁波在混凝土中遇到钢筋格栅拱架和钢拱架时，雷达剖面会表现出垂直强反射信号特征。如果钢筋与混凝土的粘结效果不好，存在缝隙，雷达波会从钢筋表面反射，在空气缝隙中来回振荡，形成多次波。

多次波会对信号有一定的干扰，但反射信号得到了加强，便于钢筋网辨认。通过研究发现钢筋反射链中，钢筋实际埋深数值为第1个反射信号弧面顶部。

4.3 空洞问题图像分析

衬砌与围岩结构存在明显空隙情况下，由于混凝土、围岩结构及空气电性差异较大，使电磁波在混凝土、空气、围岩结构传播过程中，图像上下界面产生两次强反射，且雷达剖面图上会呈现一组开口向下的双曲线。

4.4 不密实体图像分析

在隧道工程衬砌结构回填密实度不足的情况下，多个界面会对电磁波产生多次反射[5]。

在地质雷达图像上不密实混凝土会呈现波形杂乱，相同轴错乱等问题。若雷达剖面图显示杂乱不连续的强反射能量团块状异常，证明衬砌结构的回填不密实。

衬砌层与回填层密实度良好的情况下，雷达波形较为平稳。反之雷达波形起伏较大。衬砌背后混凝土不密实波形与正常波形的区别更为显著。

4.5 地下水图像分析

在隧道衬砌结构施工过程中，遇到的地下水通常为岩体裂缝地下水、节理向隧道渗流地下水。水体与围岩介质之间的介电常数存在较大差异。其中，水体的相对介质常数最大为81。当岩体结构含水量较大时介质常数随之增大，电磁波在介质中的传播速度明显降低，反射波表现出较强的正峰异常和强反射现象。在电磁波绕射、散射时，也会出现波形紊乱问题。

因此为降低地下水对隧道衬砌施工质量造成的不利影响，相关工作人员需要结合地质雷达勘测图像，判断地下水位置以及岩体结构的实际含水量，对施工方案进行不断优化及完善，从根本上保障工程整体施工质量。

5 总结

随地质雷达技术在公路隧道工程衬砌结构质量检测中的应用范围不断扩大，衬砌结构施工与运营期间存在的各类质量问题，能够被更加及时发现，对从根本上提升公路隧道工程衬砌结构施工水平意义重大。为充分发挥出地质雷达技术实际应用期间的综合效益，相关管理部门还需将当前工作重点放置在构建起一支高素质衬砌结构质量检测队伍上，定期在检测工作人员中开展技术培训活动，确保其能够高效运用地质雷达检测设备，从根本上提高检测结果的精准度及全面性。

参考文献：

[1]李寒冰.公路隧道施工质量检测及评价方法研究[J].住宅与房地产，2017（23）：174.

[2]李鑫.公路隧道渗漏水病害检测及评价体系研究[D].西南交通大学，2014.

[3]徐良.施工隧道开挖对地表沉降影响的数值分析研究[D].合肥工业大学，2016.

[4]张旭.隧道衬砌质量的地质雷达检测和数值模拟分析[D].华中科技大学，2015.

[5]陈菡清.公路隧道初期支护质量检测及评价系统研究[D].西南交通大学，2012.