淺談隧道襯砌雷達檢測技術

張 晉

(貴州省交通科學研究院股份有限公司)

1 隧道檢測的原理

隧道檢測主要包括隧道施工質(zhì)量、圍巖病害檢測。其中以隧道施工質(zhì)量檢測中襯砌檢測為例，一般使用地質(zhì)雷達工程物探檢測技術，其優(yōu)點是精度高、效率高、損耗小等。隧道檢測中主要包括對襯砌厚度、襯砌背后空洞、松散和密實等回填情況、襯砌中裂隙分布情況、襯砌背后含水分布情況、襯砌混凝土中鋼筋及鋼拱架的分布等檢測。隧道襯砌具有永久性結(jié)構(gòu)特點，因此對其檢測工作非常重要。其檢測要求也非常嚴格，檢測形式以開挖圍巖、初期支護、防排水層以及二次襯砌為主。在隧道襯砌檢測時，工作人員將地質(zhì)雷達天線靠近隧道襯砌表面，利用地下介質(zhì)不同的電性，通過發(fā)射和接收地下的電磁波，并且將其處理分析。

2 隧道雷達檢測技術原理

2.1 隧道檢測天線的頻率選擇

隧道雷達檢測天線頻率的選擇與地下介質(zhì)成分和需要測試的測深有關，在開展雷達探測前要判斷地段是否因為接收電磁差異出現(xiàn)波阻抗介面。地下介質(zhì)組成不同，其內(nèi)部反射波的高低頻率成分的分布也不同，通過反射波頻率特點來識別介質(zhì)層分布情況。一般來說，介質(zhì)質(zhì)地越均勻，低頻成分越多，而介質(zhì)質(zhì)地越不均勻，高頻成分越多。所以，在選擇天線頻率時要對地質(zhì)均勻性質(zhì)進行充分的分析。例如:襯砌層質(zhì)地均勻度強于圍巖，結(jié)構(gòu)相對簡單，所以其反射波相對簡單，缺少高頻成分，在缺陷處反射較為異常。

2.2 隧道檢測線的設置

隧道檢測線的設置主要是參數(shù)的設置，主要包括天線的中心頻率、時間窗口、采樣率、介電常數(shù)等。這些參數(shù)在設置前需要明確勘測的主要目的，根據(jù)施工地點的自然環(huán)境、地質(zhì)條件及周圍干擾條件等制定勘測方案。勘測方案的設置需要綜合考慮各方面因素，對工程資料進行詳細了解。隧道檢測線的設置就按照勘測方案進行，在探測過程中如果出現(xiàn)意外情況，可對參數(shù)進行相應的調(diào)整。

2.3 用隧道雷達計算襯砌厚度

襯砌厚度的計算主要依據(jù)襯砌介面的反射波來確定，襯砌表面的反射波相是連續(xù)的、正相的，天線到襯砌表面的距離不小于1.4 ns，不大于1.8 ns，容易被雷達系統(tǒng)追蹤。復合式襯砌厚度的計算會相對復雜，雷達系統(tǒng)需要追蹤到二次襯砌與噴射混凝土之間的界面，由于反射波能量與二次襯砌和噴射混凝土的物理性質(zhì)差異有關，所以其厚度計算要考慮其物理差異性對其反射波能力的影響。

3 隧道襯砌雷達檢測技術的前景應用

3.1 在道路工程中常見的質(zhì)量缺陷

道路工程的質(zhì)量缺陷指隧道結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的施工質(zhì)量與原來設計不一致并且影響隧道運營安全及耐久性。常見的質(zhì)量缺陷有隧道襯砌厚度不足、混凝土不密實和襯砌內(nèi)存在空洞、襯砌結(jié)構(gòu)與圍巖脫空、混凝土蜂窩或嚴重離析等。在施工時由于挖掘程度控制不好造成的超挖現(xiàn)象，在回填時沒有進行密實處理，致使在工程建設期間出現(xiàn)圍巖墜落在襯砌上或因其受力不均一產(chǎn)生裂痕等現(xiàn)象。當外界溫度變化以及地下水壓力增加時會導致隧道襯砌出現(xiàn)漏水、裂損、腐蝕等情況的發(fā)生，影響隧道的使用壽命和整體工程的安全。除此之外，還有襯砌厚度不足等質(zhì)量缺陷問題，主要分為整體厚度不足和局部厚度不足。襯砌是隧道的重要承載結(jié)構(gòu)，襯砌的整體厚度不足會使隧道的承載力下降。局部的襯砌厚度不足，使得薄弱截面處截面慣性矩、剛度變化，導致結(jié)構(gòu)整體受力的變化，影響隧道的整體穩(wěn)定性及功能的發(fā)揮。雷達檢測技術的應用可減少甚至避免上述情況的發(fā)生，該技術的高精準性、無損傷性、高效率性是其應用的重點。

3.2 襯砌雷達技術測量的誤差

襯砌雷達技術測量的誤差主要來自三方面，分別是計算誤差、空洞或回填松散區(qū)深度范圍誤差、里程定位誤差。首先，襯砌厚度計算誤差。主要來源于電磁波速度的變化及界面判識精準度等造成誤差。在計算襯砌混凝土的厚度時取固定的電磁波速度，當介電常數(shù)發(fā)生變化時導致電磁波速變化，引起計算誤差。界面程度、干擾波及人為干擾導致界面判識的精準度受到影響，引起計算誤差。其次，空洞或回填松散區(qū)深度范圍誤差，天線本身的直接泄漏耦合干擾、天線及天線對發(fā)射源的反射振鈴干擾等構(gòu)成一個復雜的回波信號，多種回波信號構(gòu)成一個時域波形，并且受到襯砌表面特性的影響。當前的技術發(fā)展水平不能將襯砌界面、空洞界面的回波進行分類，而且當空洞或松散區(qū)中含有空氣及水時會產(chǎn)生較大電性差異，界面的反射波、干擾波等受到影響。在雷達測線剖面上，反射波起跳點識別不精確使時間拾取上存在誤差，造成測量誤差。最后，里程定位誤差。主要源于里程標記的精度和檢測車速度的不均勻。

4 隧道檢測結(jié)果的確定

(1)在界面劃分方面，襯砌的物質(zhì)結(jié)構(gòu)不同其介電常數(shù)也不同，理論上在雷達圖像上會出現(xiàn)明顯的界限，呈現(xiàn)出水平的圖像。但在實際施工中，由于開鑿面常常凹凸不平，圖像會出現(xiàn)非直線狀，影響判斷。襯砌回填的密實程度會影響反射信號的傳播，增加界面的識別難度;(2)雷達處理軟件可將混凝土支護及襯砌厚度進行判斷，當其界面信號受到干擾時，通過調(diào)節(jié)電磁波對界面情況進行判斷。除此之外，當混凝土襯砌與噴射混凝土之間設有防水布層時，存在介電常數(shù)的波動，可通過識別防水布層計算外表厚度，進而計算出二次襯砌的厚度;(3)確定工程質(zhì)量缺陷。以襯砌空隙或空洞填補不密實為例，一般的缺陷處含有空氣或水，由于混凝土與其介電常數(shù)的差異導致反射信號出現(xiàn)變化，根據(jù)反射信號形態(tài)能夠判斷出空隙的大小，根據(jù)水平距離可確定出缺陷的范圍。

5 結(jié) 語

隧道襯砌雷達檢驗技術為我們的道路工程帶來了極大的方便。讓我們更方便、快捷、安全的檢測隧道質(zhì)量。

［1］張蓓.路面結(jié)構(gòu)層材料介電特性及其厚度反演分析的系統(tǒng)識別方法一路面雷達關鍵技術研究［J］.重慶:重慶大學博士學位論文，2011.

［2］許新剛，李黨民，周杰:探地雷達探測中干擾波的識別及處理對策［J］.工程地球物理學報，2011，(2):189－195.

［3］喻振華，馮德山，戴前偉，等.復雜地電模型的探地雷達時域有限差分正演［J］.物探化探計算技術，2011，27(4):279.