談地質雷達在隧道襯砌質量檢測中的應用

劉占文

(山西路橋第一工程有限責任公司，山西太原 030006)

近年來，隨著公路事業(yè)得到迅猛的發(fā)展，工程建設項目中的質量和安全因素逐步成為重中之重，國家相關部門更是出臺了一系列的政策、法規(guī)，要求各開工項目必須高度重視工程質量和施工安全，同時要求在施工過程中必須加大對隧道等重點工程的檢測、監(jiān)控力度，以避免各類事故的發(fā)生。隧道工程作為道路施工的重點和難點，具有隱蔽工程較多、施工條件較差、質量和安全不易控制的特點，常常由于施工原因造成隧道拱頂開裂、拱頂空洞、襯砌損壞、襯砌厚度薄等病害，給后期的營運帶來較大的安全隱患。由此，采用快速、先進的現(xiàn)場檢測、監(jiān)控措施成為保證隧道施工質量和安全的重要手段，隧道檢測、監(jiān)控也成為隧道施工中的必要環(huán)節(jié)。

1 地質雷達檢測原理

地質雷達由一體機、天線及相關配件組成。原理是基于地下介質的電性差異，向地下發(fā)射高頻電磁波，并接受地下介質反射的電磁波進行處理、分析、解釋的一項工程物探技術。其工作過程是雷達主機通過發(fā)射天線(T)在隧道襯砌表面向內部發(fā)射頻率為數(shù)百兆赫茲的電磁波，電磁波反射探測原理見圖1。當電磁波遇到不同媒質(巖土體、溶洞等)的界面時便會發(fā)生反射與透射，反射波返回襯砌表面，被接收天線(R)所接收。此時雷達主機記錄下電磁波從發(fā)射到接收的時間域脈沖信號雙程旅行時間Δt。因為電磁波在襯砌內的傳播速度V可由已知襯砌厚度點測定出來，所以可由深度D=V·Δt/2式求出反射面的深度即襯砌厚度。根據(jù)雷達圖像上發(fā)射波的強弱、頻率特征及變化情況，確定襯砌背后是否存在脫空。并根據(jù)反射波組的波形與強度特征，數(shù)據(jù)處理得到雷達剖面圖像，如圖2所示。

圖1 地質雷達檢測原理圖

2 資料處理方法

探測的雷達圖形常以脈沖反射波的波形形式記錄，以波形或灰度顯示探測雷達剖面圖。地質雷達探測資料的解釋包括兩部分內容，一為數(shù)據(jù)處理，二為圖像解釋。

數(shù)據(jù)處理是為了消除隨機噪聲壓制干擾，改善背景;進行自動時變增益或控制增益以補償介質吸收和抑制雜波，進行濾波處理除去高頻，突出目的體，降低背景噪聲和余振影響。數(shù)據(jù)處理過程包括:切除首尾廢段→按10 m標記對記錄進行水平均衡→調整測量方向保持一致→零點校正→水平、垂直濾波→識別界面及有效信號→輸入介電常數(shù)→拾取襯砌(或二襯)厚度界面→分析回填情況→存入Excel表格并打印。經過處理后的檢測剖面中黑白相間的強弱對應不同的幅度強度，橫軸代表樁號(單位為m)，縱軸表示電磁波傳播的雙程走時(單位為ns)。從時間剖面上可直觀地、清楚地看到襯砌和襯砌背后的情況。

圖2 地質雷達襯砌檢測原理示意圖

3 地質雷達方法的檢測應用

3.1 工程概況

晉侯高速公路陽城至翼城段，是山西省高速公路網中九橫之一的重要組成部分，是山西省“十一五”期間的重點工程，西接大運高速，東接長晉、晉焦高速公路，是橫貫山西南部的一條重要黃金通道，云臺山隧道為分離式長隧道，左右線進出口段均地處晉城市沁水縣境內，左線起訖里程ZK59+708～ZK63+082，長3 374 m，凈空寬×高為9.75 m×5.0 m，進出洞門均為端墻式;右線起訖里程YK59+716～YK62+965，長3 249 m。凈空寬×高為9.75 m×5.0 m，進出洞門均為端墻式。

3.2 檢測目的

由于不同頻率天線的測深能力不同，頻率越低，探測深度越大。此次檢測的有效深度在1 m以內，查找空洞、不密實體和脫空等，由于二襯，初襯及圍巖的介電常數(shù)不同，且變化較大，綜合場地的特點，RAMAC/GPR的工作參數(shù)為500 m的頻率天線，65 ns的采集時窗，自動迭加，距離觸發(fā)測試方式，道間距為0.03 m。

3.3 測線布置

本次隧道二襯地質雷達質量檢測在該隧道相應里程段內共布置了左邊墻、左拱腰、拱頂、右拱腰、右邊墻五條縱向測線，測線布置情況具體如圖3所示。

3.4 檢測結果分析

根據(jù)所布置的地質雷達測線在該隧道里程段檢測中發(fā)現(xiàn)的部分缺陷列舉如下:

1)樁號為ZK59+876～ZK59+879，雷達圖像見圖4。圖4同兩邊鋼筋的反射圖像明顯不同，在ZK59+876～ZK59+879拱頂處開始出現(xiàn)強烈異常反射(見框出部分)，反射波振幅較鋼筋反射振幅還大，存在多個反射波組。異常反射同相軸非常連續(xù)，其走向是先往上傾斜后向下傾斜，表明此處存在明顯的脫空。

圖3 隧道地質雷達二襯檢測測線布置示意圖

圖4 ZK59+879～ZK59+882缺陷雷達圖像（位置：拱頂）

2)樁號為ZK59+772～ZK59+776，雷達圖像見圖5。從圖5可看出，雷達圖像在ZK59+772～ZK59+776處突然出現(xiàn)框出部分的異常，與左邊混凝土及右邊二襯內鋼筋的反射圖像形成鮮明的對比。其雷達波反射非常強烈，振幅較鋼筋的反射振幅還大，且異常反射同相軸連續(xù)，存在多個反射波組，表明此處存在脫空。

圖5 ZK59+772～ZK59+776缺陷雷達圖像（位置：左拱腰）

3)樁號為K60+025～K60+028，見圖6。從圖6可以看到，雷達圖像在K60+025～K60+028段出現(xiàn)明顯的異常(黑色框出部分)，且異常出現(xiàn)在二襯里面。異常的反射同相軸向上傾斜且連續(xù)，振幅強烈，表明此處存在裂縫。

圖6 K60+025～K60+028缺陷雷達圖像（位置：右拱腰）

根據(jù)JTG F80/1-2004公路工程質量檢驗評定標準所要求的二襯與初襯間不得存在空洞、蜂窩及脫空等缺陷的規(guī)定。因此，施工單位對該缺陷進行修補處理。

4 結語

通過地質雷達檢測技術在某隧道襯砌檢測中的應用情況得出以下幾點:

1)地質雷達對隧道進行無損檢測具有快速便捷，檢測效率高，檢測結果可靠度高，對施工影響小，且不影響隧道的使用壽命。2)檢測過程中會經常有干擾因素存在，影響數(shù)據(jù)的分析和判讀，如隧道臺車和裝載機等施工機械的影響，因此，如何正確識別干擾，從而得到正確的分析結果至關重要。3)能夠準確檢測隧道襯砌施工中存在的各種缺陷病害，也可以對營運中的隧道進行養(yǎng)護檢測，給隧道的日常養(yǎng)護提供技術數(shù)據(jù)。4)地質雷達是一種正在不斷發(fā)展的無損探測技術，雖然檢測效果良好，但準確率不可能達到100%，對雷達圖像異常情況的解釋判斷，需要積累大量的實際經驗。

［1］夏才初，潘國榮.土木工程監(jiān)測技術［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2001.

［2］夏才初，李永盛.地下工程測試理論與監(jiān)測技術［M］.上海:同濟大學出版社，1999.