地質雷達在隧道無損檢測中的應用

■王雪瑞

(福建省高速公路達通試驗檢測有限公司，福州　350000)

地質雷達在隧道無損檢測中的應用

■王雪瑞

(福建省高速公路達通試驗檢測有限公司，福州350000)

地質雷達作為一種無損檢測方法，具有檢測范圍廣、時間快、效率高的特點。本文以福建某高速公路某隧道為例，通過地質雷達檢測圖像，分析了隧道襯砌在建設過程中的質量病害情況，為今后類似隧道襯砌檢測提供參考。

隧道襯砌地質雷達無損檢測

1　引言

隨著高速公路、鐵路的快速建設，新建隧道的規模及數量越來越大。在隧道施工過程中，由于泵壓，混凝土流動性及施工技術等原因，襯砌結構難免存在一定缺陷。襯砌作為隧道結構的主要受力部位，在修建完成后必須經過檢測，確保隧道施工質量及運營安全。

當前的二襯檢測方法包括專家目測、取芯等方法，專家目測方法受主觀影響較大，鉆孔取芯結果準確，但對隧道結構破壞較大，且范圍較小，若對隧道襯砌大范圍探測，隧道結構損壞嚴重，檢測成本較大。地質雷達檢測作為一種新的檢測方法，不會對隧道結構造成損壞，檢測范圍廣，檢測時間快，優點十分突出。

2　地質雷達檢測原理

探地雷達作為工程物探檢測的一項新技術，具有連續、無損、高效和高精度等優點。探地雷達由一體化主機、天線單元及配套軟件等幾部分組成，根據電磁波在有耗介質中的傳播特性，發射天線向被測介質發射高頻率寬頻短脈沖電磁波，當其遇到不均勻體（界面）時會反射一部分電磁波，其反射系數主要取決于被測介質的介電常數，雷達主機通過對此部分的反射波進行適時接收和處理，達到識別目標物體的目的（見圖1）。

電磁波在特定介質中的傳播速度V是不變的，因此根據探地雷達記錄上的地面反射波與反射波的時間差ΔT，即可據下式算出異常的埋藏深度H：

H=V·ΔT/2

式中，H即為目標層厚度；

V是電磁波在地下介質中的傳播速度，其大小由下式表示：

式中，C是電磁波在大氣中的傳播速度，約為 3× 108m/s；ε為相對介電常數，取決于地下各層構成物質的介電常數。

雷達波反射信號的振幅與反射系數成正比，在以位移電流為主的低損耗介質中，反射系數r可表示［3］：

式中，ε1、ε2為界面上、下介質的相對介電常數。

反射信號的強度主要取決于上、下層介質的電性差異，電性差異越大，反射信號越強。

雷達波的穿透深度主要取決于地下介質的電性和中心頻率。導電率越高，穿透深度越小；中心頻率越高，穿透深度越小，反之亦然。

3　現場實測數據分析

3.1工程概況

福建某隧道位于低山丘陵區，植被茂密，地勢較緩，自然坡率在15～30°之間，山體起伏較大，相對高差在100～150m之間，多北西向、北東向溝谷，山脊線也多呈北西向、北東向沿伸，山體完整性較差。樟溪嶺隧道覆蓋層主要為殘坡積的含角質粉質粘土和含粘性土碎石，覆蓋層厚度不均，0.5～19.1m不等，一般在溝谷沖刷處覆蓋層薄，局部可見強—中風化基巖出露。下伏基巖主要為元古代的片麻巖，巖質硬，片麻理發育，巖石風化較為強烈，具差異風化的特點，全—強風化厚度較大。

隧道埋深較大，沒有發育構造的段落隧道圍巖一般為Ⅲ級圍巖，隧道進出洞口段均為Ⅴ級圍巖進出洞，在構造帶附近，受構造影響，隧道圍巖一般屬于Ⅴ級，在隧道埋深較小，地面有溝谷發育，巖性接觸帶、構造影響帶附近隧道圍巖巖體完整性較差，多為Ⅳ級圍巖。地下水主要為基巖裂隙水，水質較好，水量較缺乏，水文地質條件較簡單，隧道開挖后局部會出現滴水或滲水現象。

隧道襯砌施工完成后，為檢驗隧道施工質量，受業主委托，對該隧道噴射混凝土厚度、二襯厚度及襯砌脫空進行檢測。本次檢測采用美國GSSI公司的TerraSIRch SIR 3000地質雷達系統（簡稱SIR-3000），采用900MHz屏蔽天線，該天線可以與主機單元組成控制系統，介電常數為5時探測深度約1m。

整個系統主要由主機、天線（發射天線和接收天線一體）、電纜三部分組成，發射與接收信號均由通訊電纜傳輸給雷達主機，主機外部主要組件有鍵盤、彩色SVGA顯示屏、連接面板、電池插槽、指示燈，可以在屏幕上實時地觀測探測資料或者回放顯示資料。

根據測試要求，隧道的拱頂、左右拱腰、左右邊墻和左右仰拱均進行的是全斷面檢測，具體測線位置見圖2示意圖。

3.2數據處理及結果解釋

探測的雷達圖形以脈沖反射波的波形形式記錄，以波形或灰度顯示探地雷達垂直剖面圖。探地雷達探測資料的解釋包括兩部分內容：一為數據處理，二為圖像解釋。由于地下介質相當于一個復雜的濾波器，介質對波的不同程度的吸收以及介質的不均勻性質，使得脈沖到達接收天線時，波幅減小，波形變得與原始發射波形有較大的差異。另外，不同程度的各種隨機噪聲和干擾，也影響實測數據。因此，必須對接收信號實施適當的處理，以改善資料的信噪比，為進一步解釋提供清晰可變的圖像，識別現場探測中遇到的有限目標體引起的異常現象，對各類圖像進行解釋提供依據。

圖像處理包括消除隨機噪聲、壓制干擾，改善背景；進行自動時變增益或控制增益以補償介質吸收和抑制雜波，進行濾波處理除去高頻，突出目標體，降低背景噪聲和余振影響。

圖像解釋和識別異常是一個經驗積累的過程，一方面基于探地雷達圖像的正演結果，另一方面由工程實踐成果獲得。只有獲得高質量的探地雷達圖像并能正確的判別異常，才能獲得可靠、準確的探測解釋結果。

識別干擾波及目標體的探地雷達圖像特征是進行探地雷達圖像解釋的核心內容。探地雷達在接收有效信號的同時，也不可避免地接收到各種干擾信號，產生干擾信號的原因很多，干擾波一般都有特殊形狀，在分析中要加以辨別和確認。

3.3檢測結果分析

主要判定特征：

（1）密實：界面反射信號幅值較弱，波形均勻，甚至沒有界面反射信號；

（2）回填不密實：界面反射信號為強反射，同相軸不連續，錯斷，雜亂，一般區域化分布；

（3）空洞：界面反射信號強，呈典型的孤立體相位特征，通常為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：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：有規律的連續的小月牙形強反射信號，月牙波幅較窄；

（6）鋼拱架：單個的月牙形強反射信號，月牙波幅較寬；

（7）鋼格柵：連續的兩個雙曲線強反射信號。

根據以上判定特征，D14及D15區域界面界面反射信號強，呈帶狀長條形分布，三振相明顯，有多次反射信號，為脫空區域；D16區域界面反射信號為強反射，同相軸不連續，錯斷，雜亂，區域化分布，為回填不密實區域；D17區域界面反射信號強，呈典型的孤立體相位特征，通常為雙曲線波形特征，在其下部仍有強反射界面信號，為空洞區域；

4　結論

本文通過現場數據，分析了地質雷達在隧道無損檢測中的波形特征，得出如下結論：

（1）地質雷達作為隧道檢測的手段，具有方便、快捷、無損的特點。

（2）利用地質雷達進行隧道無損檢測時，當需要檢測范圍在1m深度內，選用900MHz天線可以較為準確檢測襯砌回填不密實、脫空、空洞等質量病害。

［1］鄒正明，王曉彤，顏炳杰，等.地質雷達在隧道襯砌質量檢測中的應用［J］.西部探礦工程，2008，4：147-149.

［2］王曉振，吳順川.地質雷達在東山隧道二襯檢測中的應用［J］.路基工程，2010，5：167-169.

［3］吳俊，毛海和，應松.地質雷達在公路隧道中短期地質超前預報中的應用［J］.巖土力學，2003，24（增刊）：154-157.