地質雷達在隧道襯砌混凝土檢測中的特征圖像

王 新 玉

(中鐵隧道股份有限公司，河南 鄭州　450001)

1　概述

應用地質雷達技術檢測隧道襯砌質量，主要利用地質雷達發射的電磁波反射特性，利用襯砌介質內部的電磁性差異(主要是介電常數不同)來實現的。電磁波經不同介電常數的混凝土或內部目標體反射返回混凝土面，由天線接收。通過對反射波的振幅、相位、同相軸等分析來確定混凝土的分界面，并判斷襯砌厚度、空洞、鋼筋和鋼拱架的位置及分布情況，揭示襯砌結構特征及病害缺陷。

2　隧道襯砌的界面及厚度

2.1　界面識別

在隧道襯砌中，襯砌層的識別是襯砌厚度解譯的前提和基礎。利用波相識別法，以波形特征分析為依據，確定襯砌邊界如下：從上至下波性特征分為三段，且它們各段的形態和變化趨勢比較相近；在各段內均表現為振幅呈指數衰減到某一振幅低值，并持續一段時間；在各段的分界面處，均以振幅極大值及突變的形式出現。其典型界面圖見圖1。

電磁波由空氣進入混凝土(界面1)，根據菲涅爾原理，界面兩側介質的電磁性差異越大，反射波越強、反射振幅也越大；波從光疏介質進入光密介質(光疏介質的介電常數小，光密介質的介電常數大)，反射系數為負，反射波相位反向。電磁波(折射波)在襯砌混凝土中傳播，由于混凝土介質比較密實、均勻，反射系數較小，反射波振幅較弱，沒有強振幅的亂反射。波遇到混凝土和初期支護界面2后，由于初支混凝土的介電常數小于襯砌混凝土的介電常數，反射系數為正，反射波相位不反向，界面處發生明顯反射，振幅變大。波遇到初期支護和圍巖界面，由于圍巖均勻性差、含水量豐富，初支混凝土的介電常數小于圍巖，在界面發生明顯反射，反射系數為負，反射波相位反向，振幅變大。

2.2　厚度識別

準確讀取電磁波到反射界面的雙程走時，按式(1)計算圖1中界面1到界面2的厚度，即：

(1)

其中,h為襯砌厚度,m;Δt為電磁波傳播雙程時間,ns;v為電磁波在混凝土中的傳播速度,m/ns。

3　襯砌混凝土典型特征圖像

3.1　襯砌混凝土背后空洞及不密實

1)密實：反射波振幅呈指數衰減，基本沒有界面反射信號；如圖2界面1上面波形。在電磁波由空氣進入混凝土后，反射波相位反向(負波)，振幅變大；波在密實混凝土中傳播，反射波相位均勻穩定，振幅較弱。

2)不密實：反射信號明顯，反射波相位不穩定，波形不連續、雜亂分散。

圖2在電磁波由空氣進入混凝土后，反射波相位反向，振幅變大；波在密實混凝土中傳播，反射波相位穩定，振幅較弱。電磁波在襯砌界面處有明顯反射信號，如圖2界面1處負波；電磁波進入不密實區，界面反射信號強，振幅變化較大，相位不穩定，同相軸不連續，如圖2不密實區及界面1下面波形。

3)空洞：襯砌界面反射信號強，同相軸呈繞射弧形，三振相明顯，下部有強反射界面信號，振幅變化大。

當波遇到混凝土與空洞界面、空洞與混凝土界面，振幅加大,如圖3圖像空洞區及線A至線B之間波形；波從混凝土和空洞界面反射回來，反射波相位不反向；當波從空洞界面和混凝土界面反射回來，反射波相位反向。從同相軸看，和不密實相比空洞有一定連續性，且相對集中，反射振幅大，反射信號較強。

3.2　襯砌混凝土內部鋼筋及初期支護鋼拱架

1)鋼筋：有強反射信號，反射波相位反向(正波)，呈開口向下連續的拋物線。

電磁波在混凝土中傳播，反射波相位均勻，振幅較弱；部分電磁波遇鋼筋界面產生呈開口向下連續的拋物線，并產生強反射信號(鋼筋內的波速基本為零)，反射波相位反向(正波)，剩余部分電磁波繼續向混凝土內部傳播，見圖4。

2)鋼架：分散的弧形強反射信號，反射波相位反向(正波)。

圖5電磁波在混凝土中傳播，部分電磁波遇到鋼架產生弧形強反射信號，反射波相位反向(正波)；剩余部分電磁波繼續向混凝土內部傳播。其中型鋼拱架為清晰的弧形多次反射，反射能量較大，格柵拱架反射能量較弱。

3)雙層鋼筋：雙層開口向下連續的拋物線，有強反射信號。

圖6電磁波在混凝土中傳播，部分電磁波遇到第一層鋼筋界面產生呈開口向下連續的拋物線，并有強反射信號，反射波相位反向；另一部分電磁波繼續向混凝土內部傳播，其中部分電磁波遇到第二層鋼筋界面產生呈開口向下連續的拋物線，有明顯反射信號，反射波相位反向；剩余部分電磁波繼續向混凝土內部傳播，反射波相位為負波。

4)混凝土襯砌中的鋼筋及拱架。

圖7采集數據經反褶積和帶通濾波處理后，A線處可看到單層鋼筋形成的連續拋物線及明顯反射信號，反射波相位為負波；界面1處為初期支護和二次襯砌的分界面，反射波相位為負波；B線處有4處型鋼拱架形成的弧形強反射，反射波相位反向為正波。而雙層鋼筋后面的拱架由于受到雙層鋼筋的干擾無法準確判定。目前初期支護鋼拱架及噴射混凝土密實度的檢測多在二襯混凝土施工前進行檢測。

5)混凝土襯砌中的層間脫空(直徑或厚度不大于10 cm)。

圖8電磁波進入襯砌混凝土后，部分電磁波遇到鋼筋界面，產生強反射信號，振幅加大，電磁波相位反向(見A線、B線上正波峰點E和F)。其余部分電磁波繼續向混凝土內部傳播，遇到襯砌混凝土和初支混凝土界面，產生強反射信號，反射波振幅加大，反射波相位不反向(負波)。當電磁波遇到脫空，產生反射波的振幅是混凝土初次反射波的數倍。見脫空區的反射波波峰D點的振幅是初次反射波波峰C點的2倍以上。

3.3　仰拱虛渣

圖9仰拱由于超挖,沒有用低標號的混凝土回填，而采用隧道開挖的洞渣直接回填。當電磁波由混凝土進入洞渣形成的不密實區，在不密實區經過折射、反射及散射，反射波振幅變化較大，形成相位雜亂、不連續的強反射信號。

4　結語

地質雷達掃面圖像的解譯，是建立在檢測參數選擇合適，采集數據處理合理，并且有足夠的試驗數據比對，以及經驗豐富等基礎之上。因此采集數據時，要根據檢測目標的深度、尺寸及混凝土的含水情況，合理選擇天線頻率、采樣深度、增益等參數；數據處理要經過反褶積、帶通濾波及偏移等方法處理，這是數據解譯準確的基礎。目前數據解譯一般根據反射波振幅、同相軸及相位等特征，加上鉆芯和佐證資料對反射信號定性的解譯。對比較復雜地質及特殊條件下的隧道襯砌混凝土檢測，還需要結合其他間接的解疑方法提高檢測數據的準確性。

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