探地雷達技術在公路隧道襯砌質量檢測中的應用

■　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，數據采集方式與測量參數的選擇和圖像特殊處理方式，總結了探地雷達隧道襯砌質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據精度高，誤差小。針對福建地區采用探地雷達技術檢測公路隧道襯砌質量的典型雷達圖像進行了分析，為工程質量評價提供了可靠的數據。

關鍵詞探地雷達公路隧道襯砌質量檢測

1　引言

近年來，隨著高速公路建設規模日益增大和國省道改造升級日漸增多，新建公路隧道的規模、數量也逐年遞增。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量缺陷。而以往檢測人員在檢測隧道襯砌質量時，通常使用穩態面波法、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量。穩態面波法、超聲波法工作效率低，無法連續測量；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代地球物理勘探技術領域最新成果的結晶，不僅可以連續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射天線向地下發射寬頻帶高頻電磁波，電磁波信號在介質內部傳播過程中，當遇到不同介電常數的介質界面時，就會發生反射和透射。兩種介質的介電常數差異越大，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，由發射天線向地下介質發射一定中心頻率的高頻電磁脈沖波，經目標體發射后返回地面，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——發射、接收天線的距；V——電磁波在介質中的傳播速度。

電磁波在介質中傳播速度隨著介質變化而變化。其傳播速度（V）：

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

圖1　探地雷達工作原理示意圖

電磁波在介質傳播過程中，當遇到相對介電常數明顯變化的地質現象時，電磁波將產生反射及透射現象，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有關。界面電磁波反射系數（r）：

式中：r——界面電磁波反射系數；

ε1——第一層介質的相對介電常數；

ε2——第二層介質的相對介電常數。

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的選擇

為提高檢測結果的真實性和可靠性，數據采集方式與參數選擇是隧道工程質量檢測重要關鍵的環節之一。目前數據采集有多種方式，考慮到隧道襯砌質量檢測的特殊性，一般常采用點采集的方式，這種方式利用測量輪觸發天線控制開關，可自動、均勻、連續、高效地記錄數據。在進行探測之前，除了需要確定合理的測量方法外，探測時根據現場實際情況，應正確選擇測量參數，主要包括天線頻率、點距、時窗、采樣間隔、疊加次數、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，野外采集的原始數據文件采用常規的數據處理方法外，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，通常不規整或不規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：連續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，在隧道現場，制作隧道襯砌預設已知大小的空洞、脫空層、鋼筋網等試驗模型，用探地雷達技術檢測進行比對，通過數據分析，表明數據準確，結果可靠。并對福建地區選定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，其施工質量對隧道長期穩定發揮著重要的作用，因此，對隧道襯砌質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檢測內容

利用探地雷達技術檢測公路隧道襯砌的內容主要包括：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、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隧道襯砌層鋼筋網與鋼拱架檢測

探地雷達檢測某隧道襯砌層鋼筋網部分剖面圖，如圖4所示。從圖像上可以清晰看出有規律的連續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，波的發射強烈。脫空層的厚度約20cm，呈現出連續的脫空異常。

圖6　某隧道拱頂襯砌連續脫空測試圖

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、成果直觀且連續測量等特點，探地雷達技術應用于隧道襯砌質量檢測為工程質量評價提供了的可靠數據，在隧道質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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