探地雷達技術在公路隧道襯砌質(zhì)量檢測中的應用

■　池毓偉（福建省交通建設工程試驗檢測有限公司，福州　350004）

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探地雷達技術在公路隧道襯砌質(zhì)量檢測中的應用

■池毓偉
（福建省交通建設工程試驗檢測有限公司，福州350004）

摘要簡要地介紹了探地雷達技術檢測原理及組成，數(shù)據(jù)采集方式與測量參數(shù)的選擇和圖像特殊處理方式，總結了探地雷達隧道襯砌質(zhì)量一般信號判讀標準；用試驗模型和取芯法進行驗證，檢測結果表明探地雷達數(shù)據(jù)精度高，誤差小。針對福建地區(qū)采用探地雷達技術檢測公路隧道襯砌質(zhì)量的典型雷達圖像進行了分析，為工程質(zhì)量評價提供了可靠的數(shù)據(jù)。

關鍵詞探地雷達公路隧道襯砌質(zhì)量檢測

1　引言

近年來，隨著高速公路建設規(guī)模日益增大和國省道改造升級日漸增多，新建公路隧道的規(guī)模、數(shù)量也逐年遞增。隧道工程作為隱蔽性工程，由于在施工過程受各種不利因素的影響，容易導致隧道襯砌質(zhì)量缺陷。而以往檢測人員在檢測隧道襯砌質(zhì)量時，通常使用穩(wěn)態(tài)面波法、超聲波法和鉆孔取芯法，但這三種方法都存在不同程度的弊端，也難以真實反映隧道的施工質(zhì)量。穩(wěn)態(tài)面波法、超聲波法工作效率低，無法連續(xù)測量；鉆孔取芯法工作量大、效率低下、代表性低，更有甚者，容易對防水層造成破壞，給日后運營帶來了安全隱患。探地雷達技術作為現(xiàn)代地球物理勘探技術領域最新成果的結晶，不僅可以連續(xù)測量且具有不破壞性，是一種行之有效的無損檢測技術。本文結合自己的工程實踐，就探地雷達技術在隧道襯砌質(zhì)量檢測中的應用進行簡要介紹。

2　探地雷達檢測原理及組成

2.1探地雷達檢測原理

探地雷達方法屬于電磁探測法，其主要原理是利用探地雷達發(fā)射天線向地下發(fā)射寬頻帶高頻電磁波，電磁波信號在介質(zhì)內(nèi)部傳播過程中，當遇到不同介電常數(shù)的介質(zhì)界面時，就會發(fā)生反射和透射。兩種介質(zhì)的介電常數(shù)差異越大，反射的電磁波能量也越大；反射回的電磁波被與發(fā)射天線同步移動的接收天線接收后，由雷達主機精確記錄下反射回的電磁波的運動特征，再通過信號技術處理，形成全斷面的掃描圖像，通過對雷達圖像的判讀，判斷出地下目標體的空間位置、結構、電性和幾何形態(tài)等情況。從而達到對隱蔽目標體的探測。探地雷達檢測原理如圖1所示。

探地雷達工作時，由發(fā)射天線向地下介質(zhì)發(fā)射一定中心頻率的高頻電磁脈沖波，經(jīng)目標體發(fā)射后返回地面，被接收天線所接收

電磁波行程時間（t）計算式為：

式中：Z——目標體的厚度；x——發(fā)射、接收天線的距；V——電磁波在介質(zhì)中的傳播速度。

電磁波在介質(zhì)中傳播速度隨著介質(zhì)變化而變化。其傳播速度（V）：

式中：C——電磁波在真空中的傳播速度；εr——介質(zhì)的相對介電常數(shù)，μr——介質(zhì)的相對磁導率。

圖1　探地雷達工作原理示意圖

電磁波在介質(zhì)傳播過程中，當遇到相對介電常數(shù)明顯變化的地質(zhì)現(xiàn)象時，電磁波將產(chǎn)生反射及透射現(xiàn)象，其反射和透射能量的分配主要與異常變化界面的電磁波反射系數(shù)有關。界面電磁波反射系數(shù)（r）：

式中：r——界面電磁波反射系數(shù)；

ε1——第一層介質(zhì)的相對介電常數(shù)；

ε2——第二層介質(zhì)的相對介電常數(shù)。

探測目標體的厚度（Z）計算式：

式中：Z——目標體的厚度；

t——電磁波行程時間。

2.2探地雷達的組成

探地雷達目前運用到工程領域的種類很多，然而其組成基本一樣，主要包括控制單元、發(fā)射機、接收機、天線、信號處理機、成像顯示設備和電源等。

3　探地雷達采集方式及測量參數(shù)的選擇

為提高檢測結果的真實性和可靠性，數(shù)據(jù)采集方式與參數(shù)選擇是隧道工程質(zhì)量檢測重要關鍵的環(huán)節(jié)之一。目前數(shù)據(jù)采集有多種方式，考慮到隧道襯砌質(zhì)量檢測的特殊性，一般常采用點采集的方式，這種方式利用測量輪觸發(fā)天線控制開關，可自動、均勻、連續(xù)、高效地記錄數(shù)據(jù)。在進行探測之前，除了需要確定合理的測量方法外，探測時根據(jù)現(xiàn)場實際情況，應正確選擇測量參數(shù)，主要包括天線頻率、點距、時窗、采樣間隔、疊加次數(shù)、垂直分辨率和水平分辨率。

4　探地雷達圖像特殊處理方法

在檢測過程中，由于各種因素的影響，野外采集的原始數(shù)據(jù)文件采用常規(guī)的數(shù)據(jù)處理方法外，為提高雷達圖像分析的準確性，對采集得到的雷達圖像進行一些特殊處理。主要有以下方面：（1）水平及垂直高通濾波主要消除平直橫跳的系統(tǒng)噪音；（2）水平及垂直低通濾波主要消除高頻噪音；（3）反褶積濾波主要是增強垂直方向分辨率；（4）偏移濾波主要是消除繞射波和傾斜干擾波；（5）空間域濾波主要是增強傾斜界面信號。

5　探地雷達信號判讀

根據(jù)探測目標體不同所形成的信號具有顯著的特征，通過大量的實踐和總結，檢測公路隧道襯砌質(zhì)量一般信號判讀如下：

（1）密實：襯砌界面反射信號幅度較弱，甚至沒有界面反射信號。

（2）不密實：襯砌界面反射信號較強烈，同相軸錯斷，波形雜亂，一般區(qū)域化分布。

（3）空洞：襯砌界面反射信號強，呈典型的孤立體相位特征，通常不規(guī)整或不規(guī)整的雙曲線波形特征，三振相明顯，在其下部仍有強反射界面信號，兩組信號時程差較大。

（4）脫空：襯砌界面反射信號強，呈帶狀長條形或三角形分布，三振相明顯，通常有多次反射信號。

（5）鋼筋網(wǎng)：連續(xù)的小雙曲線形強反射信號。

（6）鋼拱架：單個的月牙形強反射信號。

6　探地雷達檢測隧道驗證結果

為確保探地雷達技術檢測結果真實性和科學性，在隧道現(xiàn)場，制作隧道襯砌預設已知大小的空洞、脫空層、鋼筋網(wǎng)等試驗模型，用探地雷達技術檢測進行比對，通過數(shù)據(jù)分析，表明數(shù)據(jù)準確，結果可靠。并對福建地區(qū)選定5條高速公路不同隧道二次襯砌厚度進行檢測，同時鉆孔取芯檢測二次襯砌厚度，如表1所示，偏差率最大為1.0％，最小為0.5％，精度滿足要求。

表1　探地雷達檢測隧道二襯厚度與鉆孔取芯結果對比

說明：用美國勞雷公司（SIR-30E）對隧道二襯厚度進行檢測。

7　隧道襯砌質(zhì)量檢測實例

襯砌是隧道的主要承載結構，也是隧道防水的重要設施，其施工質(zhì)量對隧道長期穩(wěn)定發(fā)揮著重要的作用，因此，對隧道襯砌質(zhì)量檢測顯得十分重要。以下為福建某高速公路項目多座隧道襯砌質(zhì)量用美國SIR-30E并配置（100MHz～1500MHz）天線的探地雷達檢測工程實例。

7.1檢測內(nèi)容

利用探地雷達技術檢測公路隧道襯砌的內(nèi)容主要包括：隧道襯砌厚度；襯砌混凝土的密實程度；襯砌背后脫空層及空洞；施工時塌方位置及處理情況；鋼筋網(wǎng)、鋼拱架分布情況等。

7.2檢測方法

探地雷達用于隧道襯砌質(zhì)量無損檢測，對單洞雙車道隧道檢測時布設沿隧道走向的3條縱向測線，多車道時測線相應增加，分布在隧道的拱頂（B測線）、兩側拱腰（A、C測線），如圖2所示。采用連續(xù)測量的方式，為保證探地雷達時間剖面各測點位置與實際檢測里程相對應，在檢測時以測量輪跟蹤測量里程，并且在隧道邊墻每隔10m做一個里程標記，以校正剖面上的里程樁號，檢測時，天線緊貼洞壁，保持勻速運動，以免人為產(chǎn)生假異常。

7.3典型雷達圖像分析

7.3.1隧道襯砌厚度檢測

探地雷達檢測某隧道襯砌層厚度部分剖面圖，如圖3所示。圖中二次襯砌混凝土、初期支護及圍巖的界面較為清晰，其中二襯砌混凝土厚度在35cm～39cm之間，初期支護厚度約為12cm，而在樁號K89+968處，初期支護厚度約為0cm。

圖2　某高速公路雙車道探地雷達隧道測線布置圖

7.3.2隧道襯砌層鋼筋網(wǎng)與鋼拱架檢測

探地雷達檢測某隧道襯砌層鋼筋網(wǎng)部分剖面圖，如圖4所示。從圖像上可以清晰看出有規(guī)律的連續(xù)的小雙曲線形強反射信號，其中較多突起的頂部表示每根鋼筋所在的位置，可以判讀每根鋼筋的具體位置和鋼筋間距。

圖4　某隧道襯砌層鋼筋網(wǎng)測試圖

探地雷達檢測某隧道鋼拱架部分剖面圖，如圖5所示。從雷達圖像上呈現(xiàn)出單個的月牙形突起為鋼拱架反射信號，可以判讀每榀鋼拱架的具體位置和鋼拱架間距。

圖5　某隧道初期支護中鋼拱架測試圖

7.3.3隧道襯砌連續(xù)脫空

探地雷達檢測某隧道拱頂部分剖面圖，如圖6所示。從圖中可清楚地看出，初期支護與二襯之間的脫空，在水平樁號K4+541m～K4+558m處雷達波的波幅反向，波的發(fā)射強烈。脫空層的厚度約20cm，呈現(xiàn)出連續(xù)的脫空異常。

圖6　某隧道拱頂襯砌連續(xù)脫空測試圖

7.3.4襯砌與圍巖間三角形空洞

探地雷達檢測某隧道襯砌部分剖面圖，如圖7所示。從圖中可清楚地看出，隧道襯砌頂部出現(xiàn)了典型的三角形空洞。在樁號K0+472m～K0+476m形成了三角形空洞，該空洞離隧道表面最淺處埋深約20cm。

圖7　某隧道砌與圍巖間三角形空洞測試圖

7.3.5鋼拱架后部存在的空洞

探地雷達檢測某隧道初期支護部分剖面圖，如圖8所示。從圖像可清楚地看出在鋼拱架后部存在2處異常，其中在樁號K6+937--K6+939和K6+943--K6+946處為空洞異常，離隧道表層最淺處埋深約20cm。

8　結語

探地雷達技術作為一種高效的無損檢測技術，具有高效率、高精度、高分辨率、成果直觀且連續(xù)測量等特點，探地雷達技術應用于隧道襯砌質(zhì)量檢測為工程質(zhì)量評價提供了的可靠數(shù)據(jù)，在隧道質(zhì)量檢測工作中顯示出其無可比擬的作用。但由于在檢測過程中會有很多的干擾因素存在，廣大檢測人員不斷研究和積累經(jīng)驗，正確識別干擾，提高對雷達圖像異常狀況的正確判斷。在不久的將來，探地雷達技術將會在公路建設領域發(fā)揮越來越重要的作用。

圖8　某隧道鋼拱架后部存在的空洞測試圖

參考文獻

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