地质雷达在隧道衬砌质量检测中的应用——以云南某高速公路隧道为例

蔡一超，李晓猛，罗 瑛，施汝军

1.云南省公路科学技术研究院，云南 昆明 650011

2.保山公路局，云南 保山 678000

3.云南云岭公大公路工程有限公司，云南 昆明 650034

1 地质雷达工作原理

高频电磁可以在发射天线的支持下通过宽带脉冲形式输入地下，在不同电性的地下地层或者目标反射之后，高频电磁按照一定路线返回地表，接收天线接收这一信号；接下来，通过对时域波形采集、处理与分析，判定地下界面或者地质体的构成情况和位置。在这一过程中，需要通过一个天线对地发射高频宽频带电磁波，并需要另外设置一个天线，接收经过地下反射和折射后的电磁波、地表直达的电磁波和干扰电磁波。由此可见，在使用GPR进行隧道衬砌质量检测的过程中，需要保证电磁波发射和接收尽量不受外界干扰，以免影响隧道衬砌质量检测结果的精准性。

2 GPR在隧道衬砌质量检测中的应用方法

2.1 GPR测试方法

在隧道衬砌质量检测中，使用GPR进行检测的方法主要包括环形法、宽角法、多天线法、剖面法、三维定位法等。其中，三维定位法注重测试对象的三维空间信息获取，可以增强定位的准确性，但并未大范围推广使用。剖面法是目前最为常用的检测方法，一般将多次覆盖技术与之相结合应用，以强化实际应用效果。这一方法属于发射天线与接收天线通过固定间距沿着测线同时移动的方法。如果发射天线与接收天线之间距离为零，则二者可以“合二为一”，形成单天线模式，否则为双天线模式。使用剖面法产生的测试结果可以通过GPR时间剖面图展示，其横坐标表示天线在地表、衬砌面的位置，纵坐标代表反射波双程走势，可以基于此得出电磁波从发射到回收的时间。与此同时，通过这一记录方式，可以了解测线下方不同反射界面的形态。但是，受到地下介质对电磁波吸收作用的影响，地下深处界面的反射波信噪比减小，识别难度增加。为了有效解决这一问题，可以采取重复测试的方法，将测试中相同位置记录进行叠加处理，强化对地下深部介质的分辨率。

2.2 信号处理方法

通常情况下，天线接收过程中得到的反射波特征越多，越有利于提高隧道衬砌检测质量，常用宽频带进行记录。因此，在对有效波进行记录时，也掺杂了一些干扰波，从而导致记录的图形难以真实的反映目标体实况。除此以外，地下介质可以等同为一个复杂的滤波器，当电磁脉冲达到天线位置时，波的幅度减小，测得的波形并不能精准的反映原始反射波，因此需要对雷达接收的信号进行处理，提高数据质量。具体的处理方法包括去直流漂移、时间—增益滤波、平均滤波、抽取平均道、带通滤波、背景去除滤波、自动增益控制等。

2.3 衬砌厚度计量方法

在使用GPR进行隧道衬砌质量检测时，将电磁波传播速度作为已知量，然后基于电磁波的发射与返回时间，进行隧道衬砌厚度计量，具体的计算公式如下：

式中：D为测点的衬砌厚度；v为电磁波传播的速度；t为电磁波发射到返回的时间。

经试验研究，电磁波在不同介质中的传播速度各有不同，存在物性差异，详细情况如表1所示。在实践应用过程中，可以根据不同介质的物性情况，合理设置传播速度。

表1 主要借助介质的物性特点

3 GPR在隧道衬砌质量检测中的应用实例

3.1 案例概况

以云南某高速公路隧道为例，其长度为3.6km，属于复合式衬砌模式。通过实践研究，该地区降水量较多，事故发生率较高，因此对于隧道衬砌方面的质量要求较高，必须加强质量检测的精准性，为相关策略制订提供有效支持。

3.2 测线设置

在使用GPR检测隧道不同位置的施工质量时，必须保证监测数据真实、全面、精准，否则将导致检测工作失去实效。因此，必须合理进行测线设置，原则如下：（1）不宜过多，否则会增加测试工作量，导致数据繁杂，增加处理难度；（2）不宜过少，否则难以保证数据获取的全面性；（3）合理布置测线，避免其产生交叉的情况。基于此，对案例工程项目的测线布置如图1所示。测线位置处于隧道拱顶、左侧拱部、右侧拱部、左侧边墙、右侧边墙，共计5条。

图1 隧道检测测线布置

3.3 数据采集

在检测中，为了保证点位精准，在隧道壁上每隔5m做一个标记，并准确标明里程。当天线与某一个标记对准时，操作人员向仪器中输入信号。在雷达记录中，每隔5m做一个小标记，在50m或100m的位置做一个大标记。当内业进行资料整理时，基于标记和记录的首标、末标、工作区间的历程，在雷达时间剖面图中明确标出里程桩的号码。此次研究中的技术参数设置如表2所示。除此之外，还需要分析数据采集过程中的干扰因素，保证测量过程中数据采集工作顺利开展，减少因干扰带来的质量检测误差。为了实现这一目标，进行检测结果校正。

表2 技术参数表

3.4 资料处理

将收集的雷达数据输送至计算机中，通过专业的GPR处理软件进行数据处理，如滤波、褶积处理等，从而实现压制干扰波、增强信息有效性的目的。在这一过程中，波形处理属于重点内容，具体包括强化有效信号、压制随机噪声、抑制非异常体杂乱回波、提高图像分辨率和信噪比等，得出清晰、准确的雷达图像。

3.5 处理结果

根据上述的方法进行数据处理，得出案例工程隧道衬砌质量检测结果。（1）钢筋分布检测结果。通过对钢筋检测结果进行整理和分析可知，这一现象多发生在使用钢筋混凝土实施衬砌支护的明洞段以及围岩类别低等的地段。在衬砌中使用的钢筋导电性较好，可以对雷达信号产生较强的反射效果。总结图像异常的表现可知，具体由多点状信号亮点构成，分布具有规则性，且处于梳状模式，每个亮点分别与一条钢筋相对应。（2）内部裂缝检测结果。在实际测试过程中，围岩与混凝土的介电常数存在较大差异，可以从图像上较直观地辨识二者之间的分界面。在进行隧道二衬施工时，受到多种因素影响，如技术因素、材料因素、环境因素、操作因素等，将会产生裂缝，裂缝的数量、大小、性质等皆会影响衬砌的防水和承载能力。通过对案例项目进行检测，隧道左洞拱腰K34+552～K34+558段初砌开裂较为明显，在存在裂缝的位置GPR反射波层面发生断裂，波形规则性较差，与附近的图像之间协调性较差。（3）混凝土黏结程度检测结果。隧道衬砌施工过程中，引发混凝土内部黏结密实性较差的原因较多，具体包括施工工艺、混凝土质量等，会对电磁波产生较强的反射效果，但反射并不会出现双曲线状态。通过实测结果总结其特征可知，具体表现在振幅发生较大变化，相比附近的反射面，振幅增加效果突出，且反射界面存在错段情况，规则性较差。

4 结束语

在使用GPR进行隧道衬砌质量检测的过程中，应根据检测对象的实际情况，合理进行测试方法选择、测试参数设置、测线设计，并注重数据信息采集的全面性、真实性、有效性，从而为隧道衬砌质量检测提供有力的依据。与此同时，还需要注重对检测结果的分析，为隧道衬砌施工质量提升和具体方案选择提供有力支持，从而提高隧道衬砌质量，减少病害问题发生。