探地雷達在水工隧道襯砌質量檢測中的應用

余 敏 張 新 唐齊許

（1.中電投云南國際電力投資有限公司 昆明市 650228；2.中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司 長沙市 410014）

水工隧道混凝土襯砌是隧道的主要承載結構，其施工質量對隧道長期穩定、使用功能的正常發揮具有很大影響。其常見問題有襯砌與圍巖結合部的脫空、襯砌厚度不足、局部裂縫、混凝土不密實、鋼筋保護層厚度不足等,因此進行檢測非常必要。采用雷達檢測技術，分辨率高、圖像直觀、對場地條件要求較低,對襯砌不產生破壞,經濟、無損、快速、直觀，成為水工隧道襯砌施工質量檢測主要的技術手段。

1 探地雷達原理

探地雷達是一種利用發射天線將高頻（10 MHz～1.5 GHz 或更高）電磁波以寬帶短脈沖形式傳輸到地下，電磁波在地下介質中傳播時，因介質介電常數變化或幾何形狀變化而產生相位及回波能量、波形的變化，電磁波發生反射，然后由地面接收天線接收，由計算機將收到不同的波阻抗界面產生的數字信號進行成像處理和分析計算，從而推斷地下介質分布、結構形態的一種無損傷檢測方法。

探測時，探地雷達由發射天線T 向地下發射電磁波，電磁波在地下介質中傳播時，遇到電性差異界面時即發生反射。探地雷達接收天線R 記錄下反射回地面的電磁波，通過對攜有地下介質地電信息的電磁波進行分析，確定地下介質的空間分布特征。探測原理見圖1。

圖1 探地雷達工作原理示意圖

2 目標體的定位計算

當探地雷達接收到目標體的雷達反射電磁波時，目標體深度可以通過式（1）確定。

式中 V——電磁波在介質中的傳播速度（m/ns）；

X——發射天線與接收天線間的距離；

L——目標體在地面的投影點O 到接收天線R 的距離（m）

T——目標體雷達波反射時間（ns），見圖2（a）。

當探地雷達到達目標體正上方時，電磁波反射走時最短，此時由式（2）確定目標體深度。

式中 V——電磁波在介質中的傳播速度（m/ns）；

X——發射天線與接收天線間的距離；

T——目標體雷達波反射時間（ns），見圖2（b）。

圖2 雷達反射探測定位計算原理圖

經過偏移校正，收發距x 為0，電磁波相當于垂直目標體發射和接收，目標體深度由式（3）確定。

式中 V——電磁波在介質中的傳播速度（m/ns）；

C——電磁波在空氣介質中的傳播速度（0.3 m/ns）；

X——發射天線與接收天線間的距離；

T——目標體雷達波反射時間（ns）；

Εr——相當介電常數。

3 目標體的波形特征

雷達電磁波反射信號的振幅與界面的反射系數和穿透介質對電磁波的吸收能力有關，一般介質的電性差異大，則反射系數大，因而反射波的能量也大。以位移電流為主的低損耗介質，反射系數由式（4）確定：

式中 εr1、εr2——不同介質所對應界面的相對介電常數。

當襯砌混凝土中存在空洞、不密實時，其相當介電常數εr2小于正常襯砌混凝土的介電常數εr1，反射系數r 小于0。

以傳導電流為主的金屬體（鋼筋、鋼拱等）時，反射系數由式（5）確定：

式中 ω——電磁波角頻率；

εr——目標體的相對介電常數；

σ——目標的電導率。

鋼筋屬良導體，電導率非常大，反射系數r⊥大于0（接近為1）。對垂直入射的電磁波的能量消耗很少，幾乎都被導體表面反射回來。金屬目標的反射波幅度一般都大于空洞或其他目標體。

比較金屬目標體與空洞的反射系數，說明兩者的雷達反射波相位相反，見圖3。

圖3 金屬目標體、空洞雷達反射波示意圖

4 探地雷達數據處理分析

介質的不均勻性和對電磁波的吸收，使得目標體反射波幅減小，波形發生變化，原始雷達檢測數據需進行相應的預處理，必要的傅里葉變換分析，數字濾波，反褶積，偏移歸位等處理或變換，識別干擾波和目標體雷達圖像特征，才能形成客觀合理的反演剖面成果。

5 工程實例

（1）工程簡況。云南某水電工程采用引水式發電，引水隧洞主要置于弱風化、微～新鮮風化的澄江組（Zac）砂巖中，圍巖類別以Ⅲ、Ⅳ類為主，采用全斷面襯砌，其中Ⅱ、Ⅲ類圍巖洞段設計襯砌厚度40 cm，布置1 層鋼筋網，Ⅳ、Ⅴ類圍巖洞段設計襯砌厚度60 cm，布置2 層鋼筋網，鋼筋直徑為25 mm，間距為20 cm，鋼筋保護層厚度大于7 cm；在地質缺陷段還布有支撐鋼拱。襯砌混凝土強度為C30，內徑8.0 m，底坡i＝0.3%。為查明隧洞頂部襯砌混凝土澆筑質量和頂部空隙回填灌漿質量，業主要求開展快速無損檢測。

（2）檢測方法技術。根據業主要求和現場勘查，擬采用探地雷達開展工作，在隧洞頂拱部位120°弧形截面沿洞軸線布置3 條測線，測線間距2.5 m，測線布置見圖4。

圖4 雷達測線布置示意圖

根據混凝土襯砌厚度和檢測精度要求，儀器采用美國地球物理探測公司（GSSI 公司）生產的SIR-3000 型便攜式探地雷達，天線主頻為900 MHz，測試方式為連續測量；其他基本參數為采樣長度512點/掃描線，數據位為16 位，記錄長度為18 ns，掃描速度64 線/s,掃描線發射率為100 kHz，濾波為LP（低 通）2.5 GHz、HP（高 通）225 MHz。天線移動速度（0.2～0.4）m/s，數據處理軟件為GSSI 公司提供的RADAN6.5 版。

（3）檢測結果及處理。根據業主和設計要求，對檢測的結果進行分類：脫空異常長度大于等于2 m 或脫空異常區面積大于1.0 m2的Ⅱ類缺陷異常區需要鉆孔檢測脫空深度，空腔深度大于1.0 cm缺陷段必須作補充回填灌漿處理并補檢合格；脫空異常長度小于2 m 或脫空面積小于的1.0 m2Ⅰ類缺陷異常區可不做處理。

引水隧洞樁號引0+000.0 m～引5+412.0 m 段共檢測出脫空缺陷異常段525 處，其中Ⅰ類脫空缺陷異常段469 處，脫空缺陷異常段長度（0.3～1.9）m，Ⅱ類脫空缺陷異常段56 處，脫空缺陷異常段長度（2.0～31.3）m。承包商根據檢測成果對Ⅱ類脫空缺陷異常段開孔檢查,共計開孔56 孔，其中脫空間隙深度大于1.0 cm 的檢查孔25 孔，脫空間隙深度（3.0～323.0）cm，其余31 孔脫空間隙深度小于1.0 cm；承包商對Ⅱ類脫空缺陷異常段通過檢查孔進行補充回填灌漿處理，補灌孔共64 孔，單孔注灰量（2.19～74 277.10）kg，總注灰量106 874.36 kg，部分Ⅱ類脫空缺陷異常段檢查孔和補充回填灌漿資料見附表。

檢測方對補充回填灌漿洞段進行復檢，復檢總測線段長2 260.0 m。復檢成果顯示，脫空間隙深度大于1.0 cm 的Ⅱ類脫空缺陷異常洞段通過補充灌漿，脫空部位補充灌漿后空隙被有效充填，灌后脫空異常基本消除，效果顯著；較小間隙（＜1.0 cm）的脫空部位相對孤立、分散、不連續。局部Ⅱ類脫空缺陷異常段補灌注灰量少，效果不明顯，開孔揭露的脫空間隙深度很小（基本小于1.0cm），如樁號引0+032.2m～引0+033.4 m 段、引0+069.8 m～引0+071.0 m、引0+071.5 m～引0+072.0 m、引0+073.0 m～引0+074.0 m、引0+670.0 m～引0+671.4 m 段、引1+389.0 m～引1+392.0 m、引2+595.0 m～引2+597.0 m、引2+854.0 m～引2+856.5 m 段等，從異常特征分析，脫空部位被部分充填，但仍存在局部脫孔或有異物充填。

附表 引水隧洞襯砌混凝土Ⅱ類脫空異常段開孔驗證和補灌資料統計表

根據雷達檢測成果，補灌前引水隧洞拱頂測線樁號引2+496.0 m～引2+499.2 m 段、引2+546.8 m～引2+549.0 m 段脫空明顯，其中樁號引2+496.0 m～引2+499.2 m 段脫空緊貼鋼筋網，開孔（樁號引2+498.0 m）揭示該處混凝土厚度只有33 cm，脫空間隙20 cm，補充灌漿注灰2 441.63 kg（相當于約1.2 m3的空腔）；樁號引2+546.8 m～引2+549.0 m 段脫空從淺部（深度約0.2 m）往深部發展，經現場勘查和與施工方溝通，該部位為混凝土澆筑倉位銜接部位（混凝土振搗和施工的薄弱點），開孔（樁號引2+547.5 m）揭示該處脫空間隙11 cm，補充灌漿注灰1 021.25 kg。補灌后，對消缺部位再次進行探地雷達掃查，結果顯示，樁號引2+496.0 m～引2+499.2 m 段雷達色譜圖由深黑變為模糊的淺白，說明空腔被水泥漿有效充填后，其介電常數與周圍混凝土的介電常數差異縮小，電磁波反射回波不明顯；樁號引2+546.8 m～引2+549.0 m 段雷達色譜圖只顯示鋼筋網的反射回波信號，脫空形成的反射回波信號基本消失，灌漿效果顯著。

6 結語

探地雷達檢測技術在水工隧洞襯砌混凝土質量檢測中應用效果良好，檢測快捷無損，效率高，色譜圖影像成果直觀，為工程質量消除缺陷隱患處理提供了科學客觀的決策依據。

[1]胡少偉，陸俊，牛志國.高速探地雷達在引水隧洞混凝土襯砌質量檢測中的應用[J].水利水運工程學報，2010，(2)：1-6.

[2]楊峰，彭蘇萍.探地雷達探測原理與方法研究[M].北京：科學出版社，2010.