地质雷达在隧道检测中的应用

杨玉冰

（江西省交通运输科学研究院有限公司，江西 南昌 330200）

0 引言

利用地质雷达对隧道的衬砌质量进行检测的内容相对较多，最为常见的是对隧道内的初期支护、二次衬砌厚度进行检查，有些隧道在质量检测过程中还会增设对衬砌钢筋网片、钢支撑分布、衬砌背后空洞以及不密实带等的检测。因检测项目较多，加之地质雷达检测是无损检测方式，所以在实体隧道工程质量检测中起步稍晚。近年来，随着该领域技术的不断发展，对检测技术进行了大力推广。但受专业检测人员经验以及实际操作水平和环境等相关因素的影响，在检测结果的解释与判读方面还需要进一步加强，相关技术和检测人员需要不断提升专业水平，从而使我国隧道检测技术得以优化。

1 地质雷达的工作原理

地质雷达是利用雷达对隧道质量进行检测，其工作原理主要是隧道内被检测的物质因介质不同而呈现出不同的介电特性。地质雷达在工作的过程中，主要通过雷达发射或者接收不同频率的电磁波（10～2500MHz），根据雷达接收的检测物质反射的电磁波形、振幅以及相位等多种特征，初步判断检测目标的具体位置、形态结构、材料性质等，在此基础上再结合被检测隧道所处的环境、基本资料以及相关文献等，对隧道质量做出综合的分析和判断。例如，根据地质雷达接收到的反射波频率以及波形的相关资料推断出隧道的介质结构，还可以根据电磁波在不同介质中的传播速度（v）以及时间（t），计算出隧道界面的具体深度（D = v·t/2，其中v＝c/ ε，c 表示电磁波在真空中的传播速度，通常设定为0.3m/ns；ε表示电磁波的相对介电常数）。此外，当地质雷达在对隧道内的衬砌质量进行实地检测时，将地质雷达的发射天线与接收天线紧密贴合在衬砌混凝土表面，并在其表面进行移动时，可以清晰地看到建造隧道所使用的混凝土的内部介质并将其形成图像。当地质雷达通过发射天线将电磁波传送到隧道的混凝土衬砌中时，如果遇到了钢筋、钢支撑等混凝土，或者混凝土中有不连续的面、混凝土与空气分界面或岩石分界面等发生反射，接收天线则会收到相应的反射波。检测人员则通过接收到的反射波力学特征以及运动学原理可以进一步对混凝土内部的结构进行分析。

2 地质雷达在隧道检测中的具体应用

为了更好地探究地质雷达在隧道检测中的具体应用，以甘肃省天水市皇城隧道施工工程为例，施工中将使用地质雷达进行质量检测，结合工程的实际情况以及质量要求和检测目的制定合理的质量检测方案，主要对隧道的初级支护、二次衬砌以及仰拱的施工质量进行检测。与此同时，根据施工质量检测的相关结果，发现和分析隧道在施工过程中存在的问题，进而提出最佳的解决办法，进一步优化隧道工程的相关方案，以保证隧道工程的总体质量。

2.1 工程概况

皇城隧道为连通天水市秦州区和三阳川新区修筑的隧道，设计为分离式的土岩质隧道，工程建设时间为2018年11月—2020年12月。左线起讫桩号为（KZ66 + 200KZ68 + 366），总长度为3323m，进口平面线性设定为直线，洞身半径设定为R＝2850cm，分别为圆曲线、直线和缓和曲线，出口半径设定为R＝1060cm，为圆曲线。 右线起讫桩号为（YZ66 +220YK68 + 356），总长度为1795m，进口平面与左线相同，洞身半径设定为R＝1060cm，分别为圆曲线、直线和缓和曲线，出口半径设定为R＝1120cm，为圆曲线。设计纵坡坡度为-0.714%～- 2.3%，主洞内的拱部半径设定为R＝532cm，呈单心半圆，侧墙为圆弧结构，半径为R＝786.2cm。隧道内设有紧急停车带，车带位置的拱顶设计为圆弧结构，半径为R＝732.5cm，侧拱的半径为R＝528cm，侧墙的半径为R＝794cm，均为圆弧结构。隧道的主路面宽度约为8.46m，紧急车带的路面宽度为11m。对该隧道穿越的地层岩石进行检测后发现，主要为紫红色的砂岩、砂质泥岩两种，构造呈现中厚层状，遇水后容易软化。整个隧道的洞身岩石层级为四级和五级，衬砌结构的设定以地质雷达工作原理中的“新奥法”为指导。初期支护和二次衬砌之间设有防水结构。

2.2 检测方案与实施

2.2.1 检测的目的

该隧道检测采用地质雷达检测技术，检测的目的是查看隧道是否与设计的方案和要求相符，具体包括以下内容：

（1）关于初期支护：钢支撑的间距、隧道所喷射的混凝土的厚度以及初期支护是否存在背后空洞以及不密实带。

（2）关于二次衬砌：二次衬砌的具体厚度、钢筋网以及衬砌背后是否存在空洞以及不密实带。

（3）关于仰拱：仰拱和回填层的混凝土是否密实。

2.2.2 检测的地质雷达设备和参数

使用的地质雷达为美国生产，型号为SIR-3000，屏蔽天线为400MHz，具体参数设置如下：

（1）采集模式设定：时间模式。

（2）采样点数：共计500 个点。

（3）采样时窗：初期支护为30ns、二级衬砌为40ns、仰拱和隧道回填层为50ns。

（4）增益点数：设定为自动与手动增益两种，总共4 点。

（5）叠加次数：设定为6 次。

2.2.3 测线布置

（1）初期支护检测

该隧道在施工过程中采用了上下台阶的开挖方法，为了保证地质雷达检测的及时性和有效性，在实施衬砌检测的过程中分为两次进行。一次是上导施工结束后，在拱顶和左右拱腰布置3 条纵向测线；另一次是下导以及仰拱铺底结束后，在隧道的左右两侧边墙位置布置2 条测线。如若在现场检测的过程中，发现其中某一位置的检测效果不佳或者隧道存在质量问题，那么将会根据具体情况增设相应的横向测线，通常测线的间距为2～5m。

（2）二次衬砌检测

现场检测时布设了拱顶、左右拱腰以及左右边墙共5 条测线，在现场检测时为了保证检测结果的准确性，应避开如台架、衬砌台车等可能对雷达信号产生干扰的干扰源。其中拱腰与边墙的测线距离路面分别为4.5m 和1.5m。

（3）仰拱检测

结合隧道的路面宽度，在施工中，对仰拱以及回填层进行检测时，现场检测布置2 条纵向测线，分别是沿着隧道的重心点向左和向右2m 的距离。若检测当天遇到路面湿滑、有积水或障碍物时，则在原有测线的基础上增设1～2 条纵向测线。

2.3 检测结果分析

地质雷达采集的数据需要经软件传输至电脑进行处理，该工程采用的软件为RADAN6.6。通常会在隧道检测现场编写头文件，如地质雷达检查隧道的名称、日期、部位以及检测环境和干扰源等。在处理文件前，对录入的信息进行相应的处理，形成地质雷达图像。检测结果的图像便于在后期进行查阅和为数据解释提供参考依据。检测流程如图1 所示。

图1 地质雷达数据经软件处理的具体流程图

2.3.1 初级支护检测

（1）检测结果

为保证隧道的施工质量，在工程规定的时间范围内对整个工程的质量进行了跟踪检测。经检测后发现，隧道整体的初期支护质量较好且符合相关的施工要求和质量标准。在施工过程中，检测发现其质量缺陷主要在于喷层背后的孔洞以及不密实带，左右线共计检出10 处明显的初支背后脱空，长度为35m，基本位置在隧道的拱顶和左右拱腰。分析其原因是在隧道开挖的过程中，个别段落有超挖现象，而在处理超挖问题时，并未按照喷射混凝土的施工规范施工，对超挖地段采用回填石或者其他回填物时，初期支护喷层和围岩之间贴合度不足，存在空隙的问题。

（2）雷达图像分析

对于雷达图像的分析，以2019年7月隧道的左线（KZ66+200—KZ68+260）段初期支护为例，该段的岩石主要为砂岩和泥岩，类别为四级。支护设计为SIVc型的喷锚式支护。间距为1m，厚度为22cm。分别对左右拱腰、边墙以及拱顶的5 条测线进行连续检测。

（a）初期支护喷层厚度和钢支撑间距的检测

对地质雷达检测后形成的图像进行分析可以发现，地质雷达发射电磁波进入初级支护喷层后，顺着围岩的方向进行传播，在围岩中遇见了钢筋网片和钢拱架。在呈现的图像中可以看见明显的强反射，振幅明显增大，与混凝土表层的反射方向相反。因该部分的围岩整体较为完整且岩质均匀，所以雷达在岩石中发射的电磁波呈现的反射强度逐渐减弱，频率较低。结合对图像的分析，依据图像中呈现的反射位置、波形、能力强弱等可以发现初级支护喷层和围岩之间的分界线，即为喷层的弧度，而具体的钢支撑数量在图像中有准确的数值显示，能够推断出隧道内所设定的平均钢支撑的间距。

（b）初级支护背后缺陷检测

检测出初级支护背后缺陷的隧道段落为（KZ66+870—KZ68+879）右侧拱腰位置。对图像进行分析后可以发现，在初期支护的背后出现了较强的反射信号，振幅明显增强，且方向与混凝土表面所呈现的反射方向相反，红色部分为脱空区。经过对该部分的混凝土进行破土取样后发现，反射信号是由于在开挖过程中有超挖现象，回填石块后所致，脱空的深度为0.3m，范围为0.6m。

2.3.2 二次衬砌的检测

（1）检测结果

二次衬砌检测结果的时间为2018年8月—2019年3月。经地质雷达检测后发现，二次衬砌的厚度满足工程计划的相关要求，但在质量方面存在着部分问题，主要体现在拱顶位置衬砌背后的脱空现象。共计发现8 处，长度约为30m，分析其原因可能与隧道建设过程中采用的施工工艺有关。隧道拱部的位置不够平整，防水板铺设过紧，混凝土坍落度较大，拱部更容易出现二次衬砌背后的空腔现象。

（2）雷达图像分析

雷达图像分析主要选取隧道右线的（YK67+360—YKZ67+450）段，该段衬砌设计为SIVc 型，厚度为40cm。检测线分别设在拱顶、左右拱腰与边墙位置，采用连续检测。

（a）二次衬砌厚度的检测，经地质雷达检测后，运用软件将其数据转化为图像。从图像可以发现，地质雷达发射的电磁波在衬砌混凝土中传播，当遇见钢拱架、防水层等物质时，出现了不同类型的反射波形，依据该波形可以判断二次衬砌的分层位置。在素混凝土中，由于混凝土的性质，图像显示的反射幅度较弱，为判断分层位置，通常选择反射较强的钢拱架表面的混凝土。而对于钢筋混凝土的二次衬砌分层位置，一般选择内层钢筋网下方出现的强反射信号点，然后由雷达软件自动识别出厚度分界线。（b）二次衬砌背后的缺陷检测，通过对地质雷达检测后所形成的图像进行分析后可以发现，二次衬砌背后的缺陷位置为（YKZ67+605.2—YKZ67+607.3）段的拱顶，存在的缺陷为三角形脱空，长度约为1.2m。通过地质雷达检测后发现，该位置的反射信号较强且振幅较大。分析产生脱空的原因是施工工艺，因工艺的限制导致向拱顶投送混凝土的坍落度小，且受重力的影响出现了空隙而导致脱空现象。

（3）仰拱及回填层密实性的检测

仰拱作为隧道施工中最为重要的部分，其质量将直接影响整个隧道的质量，关系衬砌结构的受力状况，此外其厚度和回填层的密实性也会影响隧道内行车的安全和路面的稳定性。采用地质雷达进行检测的位置为左右距离隧道中线，通过对该部分进行连续扫描与钻芯取样检测后发现，回填层的密实性较低且部分区域有脱空的现象。结合雷达检测结果，选取了（YK66+439—YK66+442）段的雷达图像。通过图像显示可以发现脱空和不密实带主要集中于填充顶的下方，位置为50～100cm 之间，回填层检测中有大量的片石混凝土，出现脱空的位置反射波所发出的频率明显较低且振幅大，而不密实带的反射波形呈现杂乱无章的状态，且成分散的绕射弧形。钻芯取样后，对其进行检测发现，钻芯内的碎石较为松散且夹杂着大量的泥土，脱空位置的石块较大，尚未完全被混凝土包裹，较为松散。

3 结语

综上所述，通过对地质雷达在隧道中的应用实例分析发现，地质雷达检测技术对于隧道工程的质量检测来说具有十分重要的意义，依据雷达所发射的电磁波信号以及经软件对隧道的具体数据和图像的分析，能够准确、客观且全面地反映出隧道的质量，并对检测过程中发现的隧道质量问题加以纠正，从而保证隧道的施工质量。与此同时，为隧道的施工人员以及设计人员提供重要的依据。