地质雷达技术在公路隧道质量检测中的应用研究

陆宽

（甘肃省远大路业集团有限公司，甘肃 兰州 730000）

0 引言

近几年来，随着我国高速公路里程逐年增加，隧道工程的建设取得了傲人的成就，但从工程的实践中可以看出，隧道工程从“多”到“强”的路还很漫长，在实际工程建设中，隧道质量依然不容乐观，隧道衬砌、防排水设施等隐蔽工程作为隧道建设过程的不确定因素，管理难度大，若过程质量控制不到位，极易出现衬砌裂缝、渗水等病害。隧道建造过程中由于现场施工队伍技术水平参差不齐又会使这些病害更加突出，严重影响到项目通车之后隧道工程的正常运营和使用寿命。因此在隧道施工过程中衬砌施工质量检测尤为重要。在隧道衬砌质量的检查中，通常都是釆用钻芯取样、开窗检查等方法，这种方法不仅检测效率低、精确度不够，检测工作影响隧道正常施工，降低了工作效率，同时有可能穿透防水板，导致渗水，对隧道衬砌结构造成破坏，给隧道后期运营留下安全隐患，严重影响耐久性及运营安全。地质雷达无损检测技术是近几年发展较为迅速的一种隧道检测技术手段，由于它在检测中具有快速、无损、准确度高、效率高等优点，目前被广泛用于公路隧道检测中。本论述以甘肃某公路隧道建设工程为例，通过对隧道部分段落的隧道衬砌进行地质雷达无损检测，波形图数据处理分析，及时发现隧道施工过程中容易出现的质量缺陷，加强隧道施工过程质量管控，为后续施工提供数据支撑，达到消除隧道质量隐患和提升隧道施工质量的目标。

1 地质雷达检测原理及应用条件

地质雷达检测的基本原理是采用电磁波探测技术，利用电磁波在不同介质中传播所产生的反射现象和数据差异来分析具体的地质情况，如图1所示。从原理上讲，地质雷达类似于声纳设备，发射机发射脉冲电磁波讯号，该电磁波讯号在岩层、土壤等介质中传播，在传播过程中遇到与所检测的岩层、土壤等不同介质的物体时会发生反射，接收机拾取所反射的信号，记录它并在相配套的计算机软件中显示为不规律的波形图像，根据所显示的波形图像可判断地下物体的位置和距离，用于检测各种地下构筑物。

图1 地质雷达工作原理

地质雷达发射电磁波所造成的反射是由电磁波传播介质中电阻抗的变化产生的，在地质雷达频率范围内，地下介质的电阻抗变化主要由相对介电常数的变化决定，反射系数R如式1所示：

式中：e1、e2分别为相对介电常数。

由式1可以看出，信号反射的强弱主要取决于不同介质的相对介电常数差值，差值越大，信号反射越明显。在隧道检测中，一般检测的介质主要由围岩、混凝土、空气、水构成，有关介质的介电常数值见表1所列。

表1 不同介质的相对介电常数

2 隧道质量检测应用实例

2.1 工程概况

该隧道分离式设计，间距约30 m。右线进口桩号为K119+730，出口桩号为K120+685，全长955 m；均属中隧道。隧址区属构造剥蚀中低山地貌单元，山体形态多浑圆状，山脊较宽，洞室埋深较大，岩性主要为中风化板岩，岩体节理裂隙较发育，岩体较破碎，稳定性较差，顶部无支护可能会发生掉块、坍塌现象，施工时洞室会有渗水、滴水现象。隧道围岩等级评定为为Ⅲ～V级。初期支为12～26 cm C25喷射混凝土，初期支护中设计无钢拱架或间距50～120 cm钢拱架，二次衬砌为40～50 cm C30混凝土，二次衬砌设计无钢筋或间距20 cm钢筋。

2.2 检测设备选择

在探地雷达的产品及应用中，有几个问题一直无法彻底解决：（1）低频天线探测深，但分辨率差；高频天线分辨率好，探测深度又太浅；（2）天线带宽一直无法有效拓展，探测不同深度不同尺寸物体就要换更多天线来尝试，在隧道洞内检测，不同频率天线的选择将直接影响检测结果的判定，本次隧道衬砌测试深度为0.5～1.5 m，根据现场实际情况，检测设备采用瑞典Im⁃pulseRADAR公司生产的天线频率为600 MHz的PLT600探地雷达，PLT600探地雷达为数据无线传输，能大大提升隧道现场检测的便捷性。

2.3 隧道测线布置

地质雷达检测隧道衬砌，检测前需做好计划，结合工程实际需要布置测线进行检测，本次检测共设置5条检测线，具体包括隧道左边墙和右边墙、隧道左拱腰和右拱腰、隧道拱顶，这样能够全面客观的检测隧道工程是否存在质量缺陷，防止遗漏。

2.4 现场数据采集

2.4.1 参数设置

通过分析，本次检测过程选择的技术参数如下：

（1）扫描速度：大于800扫／s；

（2）脉冲重复频率：160 MHz；

（3）时 窗：263 ns；

（4）道间距：0.02 m；

（5）采样点数：400～600；

（6）波速：100 m／us；

（7）信噪比：>126 dB；

（8）数据位数：16 bit；

（9）采集模式：测距轮模式。

2.4.2 注意事项

（1）检测开始前要向手持天线的工人交代使用方法（天线前进方向、天线一定要和被测衬砌混凝土面密贴，保证测距轮的转动），一般检测台车上面要有至少2名工人配合工作。

（2）现场天线操作人员要与数据检测人员保持同步进行检测，确保里程无误差。

（3）检测开始前，现场技术人员要记录准备检测的测线编号、地质雷达天线前进方向，随时记录现场对检测结果有干扰的物体及其位置，检测过程中保证天线移动平稳、速度均匀。

（4）为了保证检测过程中里程桩号不发生误差，在检测过程中应随时核对里程桩号，同时在数据采集时应注意打标记，每隔5～10 m打一个，如有异常位置也可打标记并记录。

（5）隧道拱顶和隧道拱腰部分隧道衬砌的检测，通过高空检测台车将操作人员抬升至隧道拱顶和拱腰附近，使地质雷达天线能够紧贴隧道衬砌表面，高空检测台车要匀速前进，检测过程中确保天线移动平稳。

（6）二衬混凝土一般在28 d以后可进行检测，最好在混凝土龄期三个月后检，混凝土龄期越久，介质介电差异越大、电磁波衰减越小，其探测效果越好。

3 地质雷达波形分析

3.1 数据处理分析

通常我们得到的雷达数据是原始数据，电磁波在介质传播过程中，介质对电磁波的吸收会使反射信号逐步减弱，在所传播的介质不均匀时还会漫反射，为了保证检测的准确性，尽可能保留全部的反射波，相当于所反射的电磁波有效信号和干扰信号同时被记录下来，数据处理的目的就是消除不规则的干扰信号，最大可能显示介质的有效分布波形图，准确判断隧道衬砌背后的真实情况。本次检测数据的处理，采用瑞典Im⁃pulseRadar公司PLT600地质雷达随机配备的Reflexw后处理软件，常用的滤波处理步骤为：

（1）1D-Filter/Subtract-mean（1维滤波/去直流漂移）：去直流漂移，去除零漂现象。

（2）Static Correction/Move start time（静校正/移动开始时间）：切除直达波，找到被测介质表面。

（3）Gain/Energy decay（增益/能量衰减）：增强深部信号。

（4）2D-Filter/background removal（二维滤波/背景去除）：去除水平信号干扰，驻波。

（5）1D-Filter/bandpassbutterworth（1维滤波/巴特沃斯带通滤波）：去除高低频干扰。

（6）2D-Filter/Running average（二维滤波/滑动平均）：去除毛刺噪声干扰，图像平滑。

3.2 典型雷达图像分析

隧道衬砌无损检测主要包括衬砌厚度、背部回填密实度、背后空洞以及钢拱架、钢筋分布情况等内容。通过Reflexw后处理软件处理雷达波形图像，可增强目标体信号，去除水平信号、高低频干扰，有助于分析衬砌内部存在缺陷的位置和严重程度。在现场检测过程中，地质雷达波形复杂多变，波形判别上需要根据实际工程地质情况具体分析，通过参考典型衬砌检测雷达图像，可以积累经验，能够更好的分析比对所检测出来的质量缺陷。在隧道衬砌检测中，衬砌混凝土的密实程度、是否有钢筋都会影响雷达波的反射，进而影响波形图的判别，其中衬砌混凝土密实度较好的雷达反射波波形特征为反射信号幅度较弱，甚至没有反射信号，衬砌混凝土密实度较差的雷达反射波波形特征为有较强的反射信号，且不规律、较分散、呈漫反射状态。衬砌内部钢筋雷达反射波波形特征为连续且规律的小双曲线形强反射信号，呈连续小月牙形态，钢拱架雷达反射波波形特征相对于钢筋来说呈分散状大月牙形态。衬砌混凝土密实度较差的雷达反射波波形根据其信号强度和严重程度又具体分为空洞、脱空、不密实等不同的质量缺陷判定结果。现就将一些典型衬砌雷达检测缺陷图像总结如下。

3.2.1 空洞、脱空

隧道出现空洞、脱空现象是指隧道二次衬砌与初期支护之间或初期支护与隧道围岩之间产生的缝隙、空洞，主要原因有隧道二衬浇筑施工时混凝土振捣不到位导致混凝土浇筑不密实而形成的空洞；防水板铺设时松弛度和平整度不符合要求而形成鼓包，导致衬砌浇筑时形成空洞、脱空；隧道拱顶混凝土浇筑完成封闭窗口时未注满混凝土导致拱顶脱空；隧道内地下水也会侵蚀和风化围岩，长期作用下导致围岩产生空洞和孔隙。由表1可知，空气、混凝土和围岩等不同介质的相对介电常数差值较大，隧道空洞、脱空产生的的缝隙、空洞中常含有空气，雷达电磁波信号在传播过程中会经过衬砌混凝土、空气等相对介电常数差值较大介质，产生大幅度的强反射信号，隧道空洞、脱空形状的不规则会使电磁波信号在空洞中产生多次较强的反射，在雷达图像上一般表现为呈带状长条形或三角形分布的强反射信号，如图2、图3所示，据此可判断隧道衬砌出现空洞、脱空等现象。

图2 二次衬砌背部脱空

图3 二次衬砌背部空洞

3.2.2 混凝土不密实

衬砌混凝土不密实是指衬砌混凝土浇筑不密实而产生小的蜂窝状小空洞、小间隙。主要原因有隧道衬砌施工时的振捣不到位，混凝土不密实；模板缝隙未完全密封，导致浇筑过程混凝土跑浆、漏浆。混凝土不密实部位的雷达波形图一般也会有较大的强反射信号，但相较于隧道空洞、脱空产生大幅度的强反射信号，强度和范围有所减弱，同时呈不连续、不规律、分散型分布，表现出紊乱和杂乱等现象，如图4所示。

图4 二衬混凝土不密实

3.2.3 钢筋、钢拱架分布

在隧道混凝土衬砌中的HRB400钢筋和工字钢钢拱架导电性良好，可以对雷达电磁波产生较强的反射信号。如图5、图6所示，衬砌内部钢筋雷达反射波波形特征为连续且规律的小双曲线形强反射信号，呈连续小月牙形态，钢拱架雷达反射波波形特征相对于钢筋来说呈分散状大月牙形态。每个小月牙或大月牙形态的反射信号与一根钢筋或一榀钢拱架相对应，从波形图像上可以较直观地观察钢筋、刚拱架分布情况，判别钢筋、钢拱架间距是否符合图纸及设计要求，钢筋保护层厚度作为隧道衬砌钢筋检验的一项重要指标，也可以从波形图像上定性的分析二衬钢筋保护层厚度。

图5 二衬钢筋分布

图6 钢拱架分布

3.2.4 衬砌厚度

雷达波数据处理完毕后可以通过Reflexw处理软件“分析—拾取”命令拾取层操作，判别二次衬砌的厚度以及初支与围岩之间的界限，在工程实践中通常根据雷达波形图像分析辨识二衬厚度，对于没有布设钢筋的素混凝土二衬，二衬与初支之间层间信号反射明显，通过“分析—拾取”命令拾取二衬与初支之间的分界面，较直观判别二衬的厚度，对于混凝土有布设钢筋的二衬，二衬钢筋与初支钢拱架之间的电磁波反射信号相互干扰，会影响二衬与初支之间分界面的判别，干扰二衬厚度的判断，必要时可通过放大图像的比例，选择强反射层位界面，判断二次衬砌的厚度。如图7所示可知所检位置衬砌厚度大部分在45～80 cm之间，最大厚度为80 cm，最小厚度为45 cm，衬砌厚度基本满足要求。

图7 二衬厚度

4 结束语

采用地质雷达无损检测，可以将隧道施工过程中存在的各种质量隐患消除在施工建设阶段，进一步加强对隧道施工过程质量管控，有效消除衬砌背部空洞等质量隐患，衬砌厚度、钢筋保护层等关键指标合格率大幅提升，隧道施工质量得到明显提高。随着地质雷达检测技术在隧道工程质量检测领域的推广应用，让施工管理更加高效和精细化，对我国工程建设技术的发展具有重要意义。