地質雷達檢測鐵路隧道襯砌質量的效果驗證

熊昌盛，李晉平，陳 輝，胡在良

(中國鐵道科學研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081)

受施工水平和工藝的影響，隧道施工常出現混凝土襯砌背后脫空或不密實等質量問題，而由于隧道建造過程中的主觀因素，也存在不按設計設置襯砌鋼筋和初支鋼架等人為缺陷，給施工或營運安全帶來隱患。因此，對隧道襯砌質量過程檢測和控制尤為重要。地質雷達可滿足隧道襯砌質量檢測的要求。

1 地質雷達工作原理

地質雷達技術，是利用主頻為106～109Hz的高頻電磁脈沖波的反射原理來實現探測目的。發射天線發出的電磁波在混凝土介質中傳播，遇介質變化界面后反射被接收天線所接收，分析電磁波走時和反射形態就可以確定襯砌厚度、鋼筋或鋼拱架排列狀況和襯砌不密實或脫空范圍。

電磁波在特定介質中的傳播速度是不變的，因此根據地質雷達記錄上的反射波和入射波的時間差ΔT，即可按下式得到。即

式中，H為目標層厚度;V為電磁波在介質中的傳播速度;C為電磁波在大氣中的傳播速度，約3×108m/s;ε為介質相對介電常數。

雷達波反射信號的振幅大小與反射系數成正比，在以位移電流為主的低損耗介質中，反射系數r可表示為

式中，ε1，ε2分別為界面上、下介質的相對介電常數。

雷達波反射信號的強度主要取決于上、下層介質的電性差異，電性差異越大，反射信號越強。雷達波的穿透深度主要取決于介質的導電性和雷達天線的中心頻率。導電率越高，穿透深度越小;天線中心頻率越高，穿透深度越小，反之亦然。

在現場檢測過程中，由于受場地限制，雷達數據采集過程中存在很多干擾，使后期資料處理比較困難，給解釋結果帶來誤差，影響檢測精度。因此，在現場檢測過程中應盡量避免干擾，優化采集參數以及在數據處理解釋階段采用多種處理手段提高信噪比，從而提高雷達檢測技術在隧道襯砌中的檢測精度。

2 檢測參數設置及注意事項

現場檢測時的參數設定主要包括時窗長度、采樣點數、增益大小調節、濾波設置等。參數設置是否合理將直接影響到記錄數據的質量。現場參數設置應遵循下述幾個原則。

1)時窗的選取原則是既不能選的太小而丟掉重要數據，也不能選的太大而降低了垂向分辨率。一般選取探測深度H為目標深度的1.5倍。以目標體的反射信號大約處在采樣時窗的1/3～2/3范圍內為宜，避免將來信號處理可能造成的邊緣干擾。

2)為了保證垂向上的高分辨率，采樣點數在容許的情況下應盡量選大。采樣點數越大采集的數據質量越高，但同時也會影響采樣速度。所以在保證大于最低采樣點數的基礎上，建議選擇采樣點數512(如果沒有采樣速度的要求，為了獲得更豐富的采樣數據，應選擇采樣點數更高的1 024或2 048)。

3)當檢測測線范圍內圍巖類別發生變化時，尤其是隧道襯砌在鋼筋混凝土和素混凝土之間變化時，應特別注意增益大小的調節，以免增益過大使鋼筋或初支鋼架的反射溢出，增益過小則無法得到素混凝土襯砌與初支的清晰界面反射。

4)對于雷達濾波，一般選擇帶通濾波器。低截頻率的設置，以天線中心頻率的1/6～1/8為宜，即高于這個頻率的信號能夠通過被儀器接收;高截頻率的設置，以天線頻率的2.0～2.5倍為宜，低于這個頻率的信號能夠被接收。

3 檢測實例及驗證

本次采用美國勞雷公司生產的SIR3000型便攜式地質雷達和400 MHz天線，對某條鐵路多座隧道進行了襯砌質量檢測。按照以上現場采集參數設置要求進行現場檢測后，經過專業軟件的去噪、濾波等處理進一步提高了雷達剖面的信噪比及分辨率，通過鑿孔對雷達圖像顯示的各種缺陷進行了驗證。

3.1 鋼筋設置驗證

目前隧道施工中鋼筋布設常見的問題主要有襯砌鋼筋保護層偏厚，間距比設計間距偏大，或者設計為雙層鋼筋而實際只布設單層鋼筋，甚至不設鋼筋的情形。地質雷達能準確清晰地查明鋼筋保護層偏厚、間距偏大或者未設置鋼筋的情形，開孔驗證準確率達到100%。對于雷達圖像疑似只布設單層鋼筋的情形，本次破檢10處，其中8處驗證為只布置單層鋼筋，2處為設置雙層鋼筋但鋼筋保護層過厚(分別為40 cm和90 cm)，準確率達到80%。

某段隧道設計為雙層鋼筋，實測顯示僅布置單層鋼筋，見圖1。破檢結果亦表明該范圍內僅設置單層鋼筋，平均間距為20 cm，見圖2。

圖1 典型雷達反射圖像1

某段隧道設計為雙層鋼筋，實測雷達反射信號與圖1非常相似，疑似僅布置單層鋼筋，見圖3。通過破檢，該段實際布置為雙層鋼筋，鋼筋平均間距為20 cm，雙層鋼筋層間距為40 cm，但鋼筋保護層厚度過厚，達到了90 cm，見圖4。

圖2 典型雷達反射圖像1對應破檢照片

圖3 典型雷達反射圖像2

圖4 典型雷達反射圖像2對應破檢照片

某段隧道設計為雙層鋼筋，實測雷達圖像顯示為2.5 m內僅布置單層鋼筋，2.5 m內未設置鋼筋，直接顯示初支鋼架(圖5)。破檢長度5.0 m，寬1.5 m，在破檢范圍內，顯示2.5 m長度內設置單層鋼筋、另2.5 m內無鋼筋，如圖6所示。

圖5 典型雷達反射圖像3

3.2 格柵鋼架設置驗證

圖6 典型雷達反射圖像3對應破檢照片

鋼架設置常見問題為間距超標或未按設計布設鋼架。某段隧道設計格柵鋼架間距0.8 m，實測雷達圖像顯示格柵鋼架間距約為1 m左右，如圖7。破檢長度3.6 m，在破檢范圍內發現3榀格柵鋼架，平均間距約為1 m，見圖8。

圖7 典型雷達反射圖像4

圖8 典型雷達反射圖像4對應破檢照片

3.3 襯砌厚度與背后脫空驗證

由于施工和用料配合比的原因，襯砌混凝土的相對介電常數在每座隧道或每段隧道都存在差異，因此混凝土襯砌中的雷達波速也是在一定范圍內變化。為了得到較準確的襯砌厚度數據，在現場檢測前，應進行雷達波速標定。目前簡單實用的現場速度標定方法是:在隧道襯砌上作雷達短測線獲取襯砌與基巖交界面反射波走時Δt，然后在測線上鉆孔穿透襯砌，量得襯砌實際厚度H，從而得到比較準確的電磁波傳播速度。

如圖9所示，在橢圓標識內，雷達反射波形顯示襯砌厚度不足(設計襯砌厚度50 cm)且背后存在脫空。鉆孔發現該處襯砌厚度為32 cm，比設計厚度薄18 cm(可以推斷出該處電磁波速約為0.1 m/ns)。同時發現襯砌背后存在空洞，有塊石卵石粗骨料填充，松散不密實，見圖10。

圖9 典型雷達反射圖像5

圖10 典型雷達反射圖像5對應破檢照片

4 結語

1)地質雷達對檢測鐵路隧道中存在的鋼筋保護層偏厚(偏薄)、鋼筋分布稀疏、未設置鋼筋等缺陷具有極高的準確率。但對于僅設置單層鋼筋的情況，應注意區分與鋼筋保護層過厚的雷達反射圖像的區別，否則容易引起誤判。

2)當襯砌為素混凝土時，地質雷達能準確判定初支鋼架分布稀疏或未設置鋼架等缺陷。當襯砌為鋼筋混凝土時，雷達發射的電磁波遇到襯砌鋼筋時能量大部分反射回接收天線，對于初支鋼架反射不夠清晰明顯。

3)地質雷達能較準確的測得襯砌厚度，但在現場檢測時應進行速度標定。

4)地質雷達能比較清晰地反映隧道襯砌或初支背后的密實情況，但對于鋼筋混凝土襯砌背后的程度較輕微的脫空或不密實則較難發現。

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