试论地质雷达在公路隧道衬砌质量检测中的应用

2021-12-11施彪

黑龙江交通科技 2021年11期

施彪

(甘肃省交通科学研究院集团有限公司，甘肃兰州 730000)

1 地质雷达检测公路隧道衬砌原理

地质雷达(GPR)是一种高精度的地球物理探测仪器，其频率一般介于106Hz～109Hz，借助无线电波对地下介质分布情况进行检测。发射天线将高频短脉冲电磁波发射至隧道覆盖层，由于不同覆盖层和围岩介质的介电特性不同，导致其发射的电磁波能量也不同，所以反射波和接收天线的时间将存在差异性，由此来判断隧道衬砌的结构。电磁波在不同介质中的传播速率可用公式(1)表示

V=C/(εr)1/2

(1)

2 工程概况

两当隧道位于G316线长乐至同仁公路两当县杨店(甘陕界)至徽县高速公路，该隧道贯穿两当县近郊大坡沟与磨沟，为一座左、右线分离的双向四车道公路隧道。两当隧道左线起讫桩号为ZK16+310～ZK20+520，长4 210 m；右线起讫桩号为YK16+323～YK20+500，长4 177 m。

隧道主洞内轮廓横断面采用三心圆曲墙式轮廓，复合式衬砌，隧道内轮廓拱部采用R=543 cm单心半圆，侧墙采用R=793 cm大半径圆弧，仰拱半径为1 500 cm，仰拱与侧墙间采用R=100 cm小半径圆弧连接。初期支护采用C25喷射混凝土，内置钢筋网，Ⅴ级、Ⅳ级围岩段内设型钢拱架；Ⅴ级围岩及紧急停车带段二次衬砌采用C30钢筋混凝土，仰拱采用C30混凝土。为了保证衬砌质量，避免出现衬砌厚度不足、空洞等缺陷情况，采用雷达进行检测。

3 在地质雷达公路隧道衬砌质量检测中的应用

3.1 选择隧道地质雷达检测的天线频率

高精度、高分辨率、高频率是电磁波的显著特征，但是由于其能量衰减速度快，因此频率较高的电磁波探测深度较差。虽然频率较低的电磁波精度低、分辨率低，但是其电磁波能量不会过快地衰减，故而低频率的电磁波探测精度较深。基于此，我们在应用地质雷达检测技术时，要合理选择天线发射频率，根据隧道混凝土的检测要求、厚度、深度选择天线频率。天线频率与检测深度二者关系具体表1。

表1 天线频率与检测深度对照表

在应用雷达检测隧道衬砌质量前，要合理布置测线，确定好测线高度，同时还要确保测线高度的统一和顺直。随后再对纵向和环向的测线进行确定、布置，在公路隧道中以纵向测线为主，横向测线为辅分别布置在拱顶、拱的左右边墙和拱腰。与此同时，检测人员还要在三车道、四车道隧道拱腰部位多布置两条测线。在特殊情况下，如存在缺陷的衬砌地方，需结合实际增设1～3条加密线。网测线可布置在有特殊要求的地段和道路中心测线，当周围方向测线难以组织时，可根据检测内容和检测要求布置测线。隧道纵向布置距离为8～12 m，倘若检测人员在衬砌检测中发现了不合格断面，应增加测线和测点，以提高检测的精准性，并采用连续方式或是点测方式进行检测，保证每道测线要大于20个测点。

3.2 地质雷达在隧道衬砌厚度检测中的应用

当前地质雷达被广泛运用在道路评估标准和测试标准中，由于电磁波传播速度和电磁波双向传播时间会影响地质雷达检测的准确性，如此一来，计算机在收集双向传播结果、时间会存在一定的误差。众所周知，电磁波的传播速度与隧道衬砌厚度有着直接关系，故而隧道衬砌厚度受介电常数的影响，将地质雷达运用到隧道衬砌结构检测中，需把钢筋埋在不同的深度中，经过检测以获得钢筋的厚度和其他衬砌厚度。地质雷达在隧道衬砌厚度检测中的应用，需要综合考虑混凝土结构特点，以及其对地质雷达电磁波所产生的制约，并应结合实际了解混凝土相对介电常数间的关系。在本工程项目的实际应用中，对公路隧道衬砌结构实施分析，在实施隧道衬砌的混凝土浇筑时，采用振动棒均匀实施振动，以保证混凝土紧实度，同时应用防水树脂对衬砌各表现进行渗透，加速其表现水分的持续蒸发。随后应用地质雷达实施检测，其检测状态显示钢筋所反馈的雷达波纹，主要呈现出双曲线式显示，其中的白弧部分标示为钢筋顶端部位。依据该检测方法，在地质雷达的检测应用中，还可以在相同的混凝土结构中对不同钢筋厚度进行检测，通过其对不同结构厚度的反映，更好地掌握隧道混凝土衬砌的波纹特征，以判定其对电磁波速度的影响，提升检测的精确性。

3.3 地质雷达在检测隧道衬砌缺陷中的应用

为保证隧道工程的整体安全质量，应综合考虑各个环节中的实际缺陷，以实现对工程质量的精确把握。在公路隧道衬砌检测中，依据地质雷达检测技术的优势，可以更好地了解隧道衬砌中的缺陷问题，使混凝土的衬砌与喷射间距问题得到改善。目前，由于工程界对于地质雷达的应用研究仍然不足，其实践应用中的技术优势显现不明朗，在实际过程中无法进一步明确隧道结构及形态的目标。为解决上述问题，检测人员在公路隧道衬砌质量检测之前，针对地质雷达的检测特点做好验证，即利用圆台及方形模具，对衬砌及喷射混凝土间距进行调整。在本工程项目地质雷达的应用中，选择400 mHz频率天线，雷达波速度为0.11 m/ns，设置4处检测点，两点间距统一为5 m。可见，在公路隧道衬砌质量检测中，通过验证地质雷达技术特点，可解决传统检测中的精准性问题，最大程度发挥地质雷达的优势和潜力，提升隧道衬砌质量检测的精确度。