影響地質(zhì)雷達(dá)在隧道襯砌檢測中準(zhǔn)確性的因素及分析

張 智

(鐵道部工程質(zhì)量安全監(jiān)督總站，北京 100844)

隧道襯砌作為隧道的主要承重結(jié)構(gòu)，其施工質(zhì)量影響著隧道能否長期穩(wěn)定。近年來，隨著我國高速鐵路的飛速發(fā)展，在隧道施工過程中和竣工驗(yàn)收時(shí)都需要對(duì)隧道襯砌質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格的檢測，以保障鐵路運(yùn)營安全暢通。地質(zhì)雷達(dá)因其具有分辨率高、檢測速度快、無損且檢測結(jié)果直觀等優(yōu)點(diǎn)，已成為隧道襯砌質(zhì)量檢測的主要方法。但是，在地質(zhì)雷達(dá)現(xiàn)場檢測中，由于儀器操作的不規(guī)范以及干擾因素的存在，給雷達(dá)資料的分析和報(bào)告編寫帶來了不便。根據(jù)隧道地質(zhì)雷達(dá)檢測的工作經(jīng)驗(yàn)，提出一些在隧道襯砌檢測中影響地質(zhì)雷達(dá)準(zhǔn)確性的因素，并對(duì)其進(jìn)行分析，從而避免或排除干擾因素，提高地質(zhì)雷達(dá)檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性。

1 地質(zhì)雷達(dá)的基本原理

地質(zhì)雷達(dá)也稱為探地雷達(dá)，與航空雷達(dá)相似，是利用高頻脈沖電磁波的反射探測目標(biāo)體。利用主頻為106Hz～109Hz波段的電磁波，以寬頻帶短脈沖的形式，由地面通過天線發(fā)射器發(fā)送至地下，經(jīng)地下目的體或地層的界面反射后返回到地面，被雷達(dá)天線接收器所接收，通過對(duì)所接收的雷達(dá)信號(hào)進(jìn)行處理和圖像解釋，達(dá)到探測地下目標(biāo)體的目的。如圖1所示，隧道襯砌檢測中，在襯砌和圍巖的界面處，由于介電常數(shù)的差異，在雷達(dá)圖像上會(huì)有比較明顯的反射，進(jìn)而確定二襯厚度，在襯砌背后存在空洞時(shí)，在雷達(dá)圖像上空洞和襯砌的界面處會(huì)有低頻強(qiáng)反射波，可以判別空洞位置。

圖1 地質(zhì)雷達(dá)檢測襯砌原理

2 影響地質(zhì)雷達(dá)在隧道襯砌檢測中準(zhǔn)確性的因素

根據(jù)長期的隧道襯砌檢測工作經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)了一些在隧道襯砌檢測中影響地質(zhì)雷達(dá)準(zhǔn)確性的因素。

2.1 天線的極化方向與目標(biāo)體的方向

在隧道襯砌檢測中，天線的極化方向及收發(fā)天線的極板連接方向，嚴(yán)格意義上要垂直于目標(biāo)體。以美國勞雷公司的SIR－3000地質(zhì)雷達(dá)為例，天線上箭頭方向須與測線方向一致。圖2，圖3是某隧道進(jìn)行襯砌檢測時(shí)做的對(duì)比試驗(yàn)，圖2為箭頭方向與測線一致時(shí)的雷達(dá)剖面圖，圖3為同一里程段箭頭方向與測線45°夾角時(shí)的雷達(dá)剖面圖。可以看出，箭頭方向與測線一致時(shí)，雷達(dá)剖面圖像清晰，鋼筋信號(hào)明顯且容易分辨鋼筋數(shù)量，箭頭方向與測線成45°夾角時(shí)，雷達(dá)剖面圖像模糊，鋼筋信號(hào)不明顯且無法分辨鋼筋數(shù)量。

圖2 天線箭頭方向與測線一致時(shí)的雷達(dá)剖面

圖3 天線箭頭方向與測線成45°夾角時(shí)的雷達(dá)剖面

2.2 天線與襯砌面的耦合情況

在隧道襯砌檢測中，天線要全程緊貼襯砌表面。圖4，圖5為在某隧道進(jìn)行襯砌檢測時(shí)做的試驗(yàn)，兩圖像分別是在同一里程段未緊貼和緊貼襯砌表面所進(jìn)行的對(duì)比試驗(yàn)。

圖4 天線未緊貼時(shí)的雷達(dá)圖像

該里程段為Ⅳ級(jí)圍巖，初支設(shè)計(jì)有間距1.2 m的鋼拱架分布。可以看出，天線緊貼時(shí)，鋼拱架信號(hào)清晰，為資料分析提供了準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，而天線未緊貼時(shí)，鋼拱架信號(hào)很弱幾乎看不到，嚴(yán)重影響了分析判斷，并且在雷達(dá)圖像下方表現(xiàn)為強(qiáng)烈的多次反射波。分析其原因?yàn)殡姶挪ㄔ谔炀€和襯砌表面之間的多次反射，這點(diǎn)也可以作為判斷天線是否貼好的依據(jù)。

圖5 緊貼時(shí)的雷達(dá)圖像

2.3 介電常數(shù)的標(biāo)定

介電常數(shù)作為電磁波的主要電磁參數(shù)，不同介質(zhì)的介電常數(shù)不同，電磁波波速也不同，尤其在疑似二襯厚度不足的位置，介電常數(shù)的準(zhǔn)確與否，直接影響著襯砌厚度判定的準(zhǔn)確性。目前，業(yè)內(nèi)檢測人員對(duì)于介電常數(shù)的標(biāo)定主要集中在隧道洞口位置進(jìn)行標(biāo)定，忽略了隧道洞內(nèi)襯砌類型變化地段的標(biāo)定，不同的襯砌類型相應(yīng)的介電常數(shù)也有一定的差異。因此，需要在襯砌類型變化的地段對(duì)介電常數(shù)進(jìn)行再次標(biāo)定，從而確定準(zhǔn)確的電磁波速度。

2.4 檢測部位的記錄

在拱腰進(jìn)行雷達(dá)檢測的時(shí)候，通常是用檢測車緊靠邊墻，檢測部位為起拱線位置。但是由于隧道施工過程中，洞內(nèi)邊墻通常擺放防水板、鋼筋等雜物，不能保證每次檢測位置都嚴(yán)格在起拱線位置，會(huì)出現(xiàn)偏離起拱線的情況。在現(xiàn)場檢測的時(shí)候如果沒有準(zhǔn)確的拱腰位置記錄，會(huì)出現(xiàn)后續(xù)缺陷波檢時(shí)的位置偏離，出現(xiàn)檢測結(jié)果不準(zhǔn)確的假象。因此，需要養(yǎng)成記錄具體拱腰檢測位置的習(xí)慣，如記錄:里程 DK001+000～DK001+050，檢測部位:右拱腰起拱線以上1.0 m。這樣，在隨后進(jìn)行的缺陷波檢時(shí)，可以準(zhǔn)確地找到缺陷位置。

2.5 現(xiàn)場檢測時(shí)的干擾因素

(1)預(yù)埋管線

預(yù)埋管線的圖像特征如圖6所示，與空洞的區(qū)別為:預(yù)埋管線在雷達(dá)剖面圖上為標(biāo)準(zhǔn)的雙曲線反射，而空洞多為不規(guī)則的弧狀強(qiáng)反射。

(2)隧底不平整

在隧底進(jìn)行雷達(dá)掃描時(shí)，隧底應(yīng)保證平整。如圖7所示，為隧底不平整時(shí)的雷達(dá)剖面，由于隧底不平整，天線抖動(dòng)，與隧底耦合不好，雷達(dá)剖面圖上特征為:反射波同相軸不連續(xù)，并伴隨多次波反射，沿測線方向直達(dá)波起跳點(diǎn)不一致等特征。

(3)襯砌潮濕滲水

純水的介電常數(shù)為81，電磁波在水里傳播衰減很快。圖8為襯砌潮濕滲水時(shí)的雷達(dá)剖面，由于電磁波的急劇衰減，反射波頻率降低。可以看出，由于電磁波信號(hào)的衰減，使部分拱架信號(hào)不清楚，影響對(duì)拱架間距的識(shí)別。

圖6 預(yù)埋管線的雷達(dá)剖面

圖7 隧底不平整時(shí)的雷達(dá)剖面

圖8 襯砌潮濕滲水時(shí)的雷達(dá)剖面

此外，現(xiàn)場干擾因素還有襯砌臺(tái)車、電纜等對(duì)電磁波的干擾，其中，在隧底檢測時(shí)通過襯砌臺(tái)車的時(shí)候，在雷達(dá)剖面圖上會(huì)有一個(gè)很大的標(biāo)準(zhǔn)雙曲線，為襯砌臺(tái)車的干擾。襯砌表面上有電纜時(shí)也應(yīng)避免天線與電纜接觸，防止電纜對(duì)電磁波信號(hào)的干擾。

［1］ 曾昭發(fā)，劉四新，馮暄．探地雷達(dá)原理與應(yīng)用［J］．北京:電子工業(yè)出版社，2010

［2］ 李大心．探地雷達(dá)方法與應(yīng)用［M］．北京:地質(zhì)出版社，1994

［3］ 鐘世航，王榮．探地雷達(dá)檢測隧道襯砌中的幾個(gè)問題［J］．物探與化探，2002(5):403-406

［4］ 周鑫鑫，張鴻飛，史海濤．公路隧道襯砌厚度的探地雷達(dá)檢測方法［J］．能源技術(shù)與管理，2008(1):83-84

［5］ 姚成華，呂紹林，楊天春．探地雷達(dá)在鐵路隧道襯砌檢測中的應(yīng)用［J］．西部探礦工程，2004(6):81-82

［6］ 王大為，馬天翼，李榮越．探地雷達(dá)檢測應(yīng)用中易忽視的影響因素［J］．吉林交通科技，2007(7):46-47