地質雷達在鐵路隧道檢測中的應用及典型圖像分析

景 勝

（福州鐵建工程質量檢測有限公司，福建福州350014）

·隧道與建設工程·

地質雷達在鐵路隧道檢測中的應用及典型圖像分析

景 勝*

（福州鐵建工程質量檢測有限公司，福建福州350014）

采用地質雷達進行鐵路隧道襯砌質量檢測，不僅具有快捷、準確的特點，而且還能進行實時處理與顯示。總結了溫福鐵路（福建段），福廈鐵路及贛龍鐵路擴能改造工程（福建段）隧道襯砌檢測的情況，以隧道常見的典型雷達數據為工程實例，淺談地質雷達在鐵路隧道工程中的應用，說明地質雷達可以及時、準確、客觀地反映隧道襯砌病害情況，從而為施工單位早期制定方案、整治處理，消除工程隱患提供科學依據。

地質雷達；隧道工程；襯砌質量；典型圖像

1 概述

高速鐵路對隧道襯砌質量的要求隨著時速的提高，質量要求更加嚴格。近年來高速鐵路隧道工程向深埋、長大方向不斷地發展，對后期病害的檢測和整治帶來很多困難。如何在施工過程中發現問題，進行全面的整治，保證隧道質量的耐久性和后期運用安全，在施工過中采用地質雷達對隧道襯砌質量進行檢測，是一項重要手段。

2 探測原理

地質雷達方法是一種用于確定地下介質分布的廣譜電磁波技術[1]。其利用一個天線向地下發射無載波電磁脈沖，另一天線接收由地下不同介質界面反射回波。電磁波在介質中傳播時，其路徑、電磁場強度與波形將隨所通過介質的電性（如介電常數Er）以及目標體幾何形態的不同而發生變化，根據接收到的回波信息，可探測地下地層結構特征和埋藏的目標體[2-4]。地質雷達的工作原理見圖1。脈沖波的旅行時間見（1）式：

圖1 探測原理示意圖

式中：t——脈沖波走時，ns；

z——反射體埋深，m；

x——收發天線間距離，m；

v——雷達脈沖的波速，m/ns。

探測目標層深度的計算公式見（2）式：

式中：Z——反射體法的深度，m；

t1——第一次脈沖走時，ns，1ns＝10-9s；

隧道檢測時地質雷達發射天線在隧道襯砌表面向其內部發射頻率為數百兆赫茲的高頻電磁波，當電磁波遇到不同界面時會發生反射及透射，反射波返回襯砌表面，又被接收天線所接收（所用的天線為收發合一的屏蔽天線）。此時，雷達主機記錄下電磁波從發射到接收的雙程旅時Δt，而電磁波在襯砌內傳播的速度V可由已知襯砌厚度段（避車洞）等測定出來，由（3）式求出反射面的深度即襯砌厚度。

在地質雷達法勘探中，電磁波通常被近似為均勻平面波。其傳播速度在高阻媒介中取決于媒質的相對常數εr，即電磁波在遇到不同媒質界面時的反射系數R由（4）式計算：

由此可知，電磁波的反射系數取決于界面兩邊媒質的相對介電常數的差異，差異越大，反射系數也越大。在隧道襯砌厚度的檢測中，主要涉及到媒質有混凝土、鋼筋、空氣、水和圍巖，其物性差異[5]如表1所示。

表1 常見物質的相對介電常數

從表1中可以看出，隧道內所涉及到的這幾種媒質物性差異較大，會形成較強大反射，比如，當襯砌內有脫空都會產生十分強烈的反射，物性的明顯差異正是地質雷達法檢測隧道襯砌質量的前提條件。

3 檢測工作實施

3.1 儀器設備

儀器采用美國GSSⅠ公司生產的SⅠR-3000型地質雷達儀，采用100MHz、400MHz及900MHz收發單置屏蔽天線。采用100MHz天線做連續測量，時窗范圍：50～100ns，采樣率：512sam/can，掃描率：16scn./s；采用400MHz天線做連續測量，時窗范圍：30～50ns，采樣率：512sam/can，掃描率：64scn./s；采用900MHz天線做連續測量，時窗范圍：20～30ns，采樣率：512sam/can，掃描率：64scn./s。

3.2 測線布置

測線布置一般在隧道拱頂、左右拱腰、左右邊墻及隧底左右中線各布置一條連續測線[1]，共7條測線。拱頂測線位于隧道中線處，左右拱腰測線位于左右襯砌起拱線處；左右邊墻測線位于隧底上方0.5m處。

4 數據處理與解譯

4.1 原始數據處理流程

先將數據傳送到計算機上，然后用RANDN軟件切除首尾廢段，按5m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，拾取襯砌厚度界面，最后存入Excel表格繪圖并打印。數據處理與解釋流程如圖2所示。

圖2 數據處理與解釋流程圖

4.2 數據解釋原則

⑴初襯砌界面的判識。在地質雷達圖像的上部，一般振幅較強，同軸同相比較連續的第一組波形為襯砌界面反射信號。界面判識后輸入正常的介電常數值，即可由計算機自動計算出襯砌厚度值，厚度的計算公式見（5）：

⑵襯砌混凝土缺陷及鋼筋鋼架判識襯砌背后回填密實度的主要判定特征符合如下要求：

密實：信號幅度較弱，甚至沒有界面反射信號；

不密實：襯砌界面的強反射信號同相軸呈繞射弧形，且不連續，較分散；

空洞：襯砌界面反射信號強，三振相位明顯，在其下部仍有強反射界面信號，兩組信號時差較大；

鋼架：分散的月牙形強反射信號；

鋼筋：連續的小雙曲線弧形反射信號。

5 典型圖像分析

5.1 襯砌界面追蹤

圖3為贛龍鐵路擴能改造工程某隧道局部地段拱頂的雷達檢測剖面，橫坐標為隧道里程，單位采用m，縱坐標時間，單位為ns。采用400MHz天線進行探測。時間窗為35ns。該二次襯砌設計厚度為40cm。采用追蹤算法對二次襯砌進行層位追蹤，其追蹤結果如圖2所示。從剖面圖中可知界面線清楚。

圖3 襯砌界面剖面圖

5.2 鋼筋分布

圖4為贛龍鐵路擴能改造工程某隧道局部地段的拱頂鋼筋分布雷達檢測剖面，坐標與圖3相同。采用400MHz天線進行檢測。該段設計圍巖等級為Ⅴ級，襯砌為鋼筋混凝土襯砌，主筋間距20cm。圖中雙曲線弧形反射信號為鋼筋反映顯示。根據設計要求，每2標記間(標記間隔5m)應布置25根，實際檢測與設計相符。

圖4 鋼筋分布剖面圖

5.3 拱架分布

圖5為贛龍鐵路擴能改造工程某隧道局部地段的左側邊墻拱架分布雷達檢測剖面，坐標與圖3相同。采用400MHz天線進行檢測。該段設計圍巖等級為Ⅳ級，初期支護采用拱架加強，間距0.8m，圖中月牙弧形反射信號為拱架反映顯示。根據設計要求，每2標間(標記間隔5m)應布置6榀，從圖5中可以清晰地反映出拱架的實際施工數量，實際檢測與設計相符。

圖5 拱架分布剖面圖

5.4 脫空

鐵路隧道襯砌質量檢測過程，通過對溫福、福廈、贛龍鐵路隧道脫空的分析，發現常見脫空主要有2種情況。一種為施工接縫處的三角形空洞，空洞具體位置見圖6。在雷達數據中通過解譯表現出的特征如圖7所示。另一種常見脫空為襯砌界面之間的脫空。即初期支護與圍巖之間的脫空、初期支護與二次襯砌之間的脫空。圖8為贛龍鐵路擴能改造工程某隧道局部地段拱頂雷達檢測剖面，坐標與圖3相同。采用400MHz天線進行檢測。該段設計圍巖等級為Ⅲ級，設計二次襯砌混凝土厚度35cm。圖8中解譯雷達數據所反映的異常體為層間脫空。

圖6 空洞位置示意圖

5.5 襯砌厚度

圖7 空洞剖面圖

圖8 空洞剖面圖

圖9為某隧道局部地段左側拱腰處雷達檢測剖面圖，坐標與圖3相同。采用400MHz天線進行檢測。該段設計圍巖等級為Ⅲ級，設計二次襯砌混凝土厚度35cm。圖中解譯雷達數據所反映襯砌界面清楚。局部位置二次襯砌厚度不足35cm。圖中1和2處在現場分別進行了打鉆驗證。1位置二次襯砌混凝土厚度僅為10cm。2位置二次襯砌混凝土厚度僅為15cm。現場第一時間進行了注漿處理。

圖9 襯砌厚度剖面圖

6 結束語

地質雷達檢測技術的關鍵在于現場數據的采集和后期數據的解譯分析判斷。在隧道工程襯砌質量檢測過程中，特別是在解譯分析襯砌混凝土厚度，襯砌內的空洞大小及埋深、鋼筋和拱架的分布間距等是否滿足設計。具有科學、準確、快捷的特點。地質雷達為早期及時發現襯砌質量問題，進行整治，實時監督，確保隧道工程質量提供了科學的依據。

地質雷達因探測原理本身的多解性，建議現場抽取部分缺陷位置進行打孔驗證。可以有效提高解譯結果的精度。

[1]TB10223—2004鐵路隧道襯砌質量無損檢測規程[S].北京：中國鐵道出版社，2004.

[2]李大心.探地雷達方法與應用[M].北京：地質出版社，1994.

[3]郭有勁.地質雷達在鐵路隧道襯砌質量檢測中的應用[J].鐵道工程學報，2002，(2)：71-74.

[4]趙永貴.工程地球物理檢測疑難問題研究進展[J].地球物理學進展，2003,18(3)：368-36.

[5] 蒲會申.鐵路隧道襯砌質量檢測與評價地質雷達技術使用手冊[M].北京：地質出版社，2006.

TheApplication and Typical ImageAnalysis of Ground Penetrating Radar in the Detection of Railway Tunnel

JING Sheng
(Fuzhou Railway Construction Engineering Quality Testing Co. Ltd，Fuzhou Fujian 350014，China)

The quality inspection of railway tunnel lining by ground penetrating radar has the characteristics of quick,accurate, but also can be real-time processing and display.In Summing up the tunnel lining quality inspection situation of Wenfu Railway(Fujian section),FuXia railway and Ganlong railway expansion renovation project(Fujian section),taking the common typical tunnel radar data as a project case,the paper discusses the application of ground penetrating radar in railway tunnel engineering,and illustrates that the ground penetrating radar can timely,accurately and objectively response to tunnel lining disease situation,so then provide scientific basis for construction unit to make early plans,to repair and to eliminate hidden dangers.

ground penetrating radar；tunnel engineering；lining quality；typical image

U456.3

A

1004-5716(2015)04-0188-04

2014-04-08

2014-04-09

景勝（1984-），男（漢族），甘肅通渭人，注冊巖土工程師，現從事隧道雷達檢測及TSP203超前地質預報方面的研究工作。