地質雷達法檢測隧道底部缺陷圖像演示及實例分析

張 琳 （安徽省建筑工程質量第二監督檢測站，安徽 合肥 230032）

0 前言

對于隧底質量檢測問題，鉆芯法是最直觀、最可靠的方法，但是鉆芯法屬于半破損檢測方法，襯砌是隧道工程主要的承重結構和最后的防水屏障，對襯砌鉆孔，必然造成結構的局部損傷，可影響到襯砌的整體性和剛度，也影響著隧道的美觀，且此方法比較費勁成本也頗高。地質雷達法作為一種無損檢測方法，能快速、有效的對隧底進行探測，但混凝土為各向異性介質，電磁波在混凝土中會產生大量的散射及繞射現象，采集到的雷達圖像異常復雜。隧底中主要缺陷有隧底厚度不足、隧底含虛渣及隧底充填洞砟，通過對隧底各缺陷進行演示模擬，分析不同缺陷的雷達圖像特征，為隧底襯砌混凝土病害檢測積累經驗。

1 地質雷達探測基本原理

1.1 地質雷達探測理論基礎

地質雷達探測的理論基礎是依據麥克斯韋方程式關于探測介質的特性的表達。

該方程式解釋了電磁波的傳播與地下介質的介電常數及電導率的關系，以此來作為地質雷達探測的理論基礎。

1.2 地質雷達探測基本原理

地質雷達是通過發射天線T將高頻電磁波以脈沖波形式向隧底發射，電磁波在隧底襯砌混凝土中傳播時，遇到兩種不同介質的分界面時，電磁波將產生反射，反射回來的電磁波經接收天線R接收，生成雷達圖像，通過對雷達圖像進行處理、分析，達到探測隧底缺陷的目的（圖1）。

發射天線發射的電磁波傳播到兩種不同介質的分界面上時，將產生反射現象。在界面上的反射遵守反射定律，反射強度取決于反射系數R。

式中：ε1、ε2分別為分界面上、下介質的相對介電常數。

由式（5）可知，當電磁波傳播到介電常數分界面上時，電磁波反射波的能量與入射波的能量將會產生變化，界面上、下介質存在差異時，在雷達圖像上反應為正、負峰值的強反射。隧底中存在的充填洞砟、隧底含虛渣及厚度不足等缺陷與周圍介質存在明顯的介電常數差異。

圖1 雷達探測原理示意圖

1.3 測線布置及數據采集

雷達天線易受隧道內金屬及電源干擾，現場檢測時，應提前將可能的各種干擾源移除；當無法避免時，應記下干擾源屬性及對應里程。數據解譯時要注意排除外部條件對圖像的干擾。

2 隧底缺陷的模擬演示及圖像特征

地質雷達可以探測到隧底中存在的隧底厚度不足、填充洞砟及隧底含虛渣等缺陷，這些隧底缺陷在雷達圖像上有著各自不同的圖像特征，主要表現在雷達圖像的波形特征、頻率、振幅、相位和反射波能量等方面[1-5]。

2.1 隧底結構完好

隧底結構層主要有初支、仰拱及填充層，各結構層內介質相對均勻、電性差異小，層內不存在明顯的介電常數差異現象，正演模型如圖2所示。在隧底結構完好時，電磁波在各層內衰減緩慢，不形成較強的反射波組，僅在結構層分界面上才出現較強反射，模擬結果中出現的弧形多次反射為鋼筋的反射信號，因為材料的導電性越強，電磁波對其穿透能力越差，所以大量電磁波信號被鋼筋阻擋，反射回接收天線，仰拱與初支的界面則不能清晰分辨，如圖3所示。

圖2 隧底結構完好模型

圖3 隧底完整模型的數值模擬成果圖

2.2 隧底填充有洞砟

在隧底施工過程中，由于施工環境及質量把控不嚴，存在將洞砟填充到隧底中，由于混凝土不能將塊石完全緊密包裹，因而會造成遂底混凝土不密實，使得隧底承載能力下降，嚴重的將直接威脅到列車的行車安全。

洞砟的介電常數較素混凝土的大，兩者介電常數差異明顯，在此基礎上建立了如圖4的數值模型。正演模擬結果顯示，在洞砟上方會產生較強的反射現象，并伴有一定的衍射現象，同相軸不連續，因洞砟的相對介電常數較混凝土大，在混凝土與洞砟交界面上，電磁波由相對介電常數小的介質向大的介質傳播，由反射系數公式可知，反射系數為負，即電磁波傳播到交界面后，電磁波相位與入射波相位相反；而在填充物的底部，電磁波則是由相對介電常數大的介質向小的介質傳播，反射系數為正，即電磁波相位與入射波相位同相，如圖5所示。

圖4 隧底填充洞砟模型

圖5 隧底填充洞渣模型的數值模擬成果圖

2.3 隧底厚度不足

隧底厚度不足相當于在結構中產生了一薄弱截面，使隧底結構的承載力下降，同時薄弱截面處的截面慣性矩、剛度也會發生變化，導致結構整體受力的變化，對隧底的長久穩定以及使用功能的正常發揮都會造成很大影響，嚴重的甚至會帶來災難性安全事故[6]。對隧底厚度是否滿足設計要求主要根據混凝土底板與圍巖的交界面深度來判斷，為此設計了厚度變化的正演模型（圖 6）。

由模擬結果（圖7）可知，混凝土與圍巖（持力層）交界面清晰，同相軸較連續、不平整，在角點處衍射較為嚴重。地質雷達的探測基礎是存在介電差異，因此，在圍巖與混凝土介電常數差異不大，且兩者膠結較好時，地質雷達將無法分辨出兩者的交界面，即無法判定隧底厚度是否滿足設計要求。

2.4 隧底含虛渣

隧底含虛渣主要在隧道圍巖級別為Ⅱa級位置，是因為圍巖爆破后，混凝土澆筑前遂底圍巖面上破碎的碎石未清洗干凈或因超挖而用碎石回填所導致的隧道底板與圍巖之間存在一層松散的虛渣的現象[6]，即實體混凝土與圍巖之間存在分層未作為整體承受荷載。根據此缺陷的特征設計了正演模型，如圖7所示。

圖6 隧底厚度不足模型

圖7 隧底厚度不足模型的數值模擬成果圖

由數值模擬成果可知，電磁波在虛渣區域會產生強反射現象，同相軸不連續、不平整，且會產生多次反射現象，電磁波快速衰減，電磁波由填充層入射到虛渣區域為相對介電常數大往介電常數小的介質傳播，反射系數為正，電磁波相位與入射波的相同，即表現為“黑白黑”，如圖9所示。

圖8 隧底含虛渣模型

圖9 隧底含虛渣的正演模擬結果

3 實例分析

3.1 實例一

此異常位于某鐵路工程DK158+702～DK158+706右側隧底位置，設計資料顯示，此檢測段圍巖級別為Ⅲc，填充厚度119cm，混凝土標號為C20，仰拱厚度40cm，混凝土標號為C30。雷達圖像顯示DK158+702～DK158+706段隧底 0.45～1.50m 處有明顯異常，如圖10所示，電磁波有較強反射，同相軸不連續，在0.45m處交界面上的反射波相位為正，與雷達子波相位相反，根據反射定律表明界面下方介質相對介電常數較混凝土介電常數大，而在1.50m處界面，相位為負，與雷達子波相位相同，表明界面下方介質較上面介質介電常數小，根據隧底設計資料可判斷0.45～1.50m處異常為洞砟。為對雷達解譯結果進行驗證，在DK158+704處進行鉆芯驗證，鉆芯結果顯示，0.47～1.02m處為完整塊狀洞砟，如圖11所示。

圖10 DK158+702～DK158+706右側隧底雷達圖像及DK158+704處的單道波形

圖11 DK158+606左側隧底取芯結果

3.2 實例二

此異常處位于某鐵路工程DK185+318～DK185+324左側隧底位置，設計資料顯示，此檢測段圍巖級別為Ⅱa，填充厚度10cm，混凝土標號為C20。雷達圖像顯示隧底0.46～1.39m處有明顯異常，如圖12所示，電磁波有較強反射，反射界面不規則；單道波形顯示在隧底0.32m處出現正向強反射，根據反射定律及隧底結構分析，此反射層為混凝土與隧底的分界面，在0.32～1.05m間出現大量的正、負向強反射，表明此區間存在大量的介質交界面，根據雷達波形及單道波形綜合判定，此異常為隧底虛渣。為對雷達解譯成果進行驗證，在DK185+320處進行鉆芯驗證，鉆芯結果顯示在0～0.26m為混凝土芯樣，0.26～0.46m為虛渣，0.46～0.59m為持力層，如圖13所示。

圖12 DK185+318～DK185+324左側隧底雷達圖像及DK185+320處的單道波形

圖13 DK185+320左側隧底取芯結果

4 結語

本文從電磁波波形特征、頻率、振幅、相位和反射波能量等方面對實測結果進行分析，可得出以下結論。

①根據標定的隧底混凝土的介電常數，地質雷達能清晰的探測到隧底各結構層的分界面，可大致判定各結構層的厚度。

②根據缺陷在雷達圖像上的特征，可探測出隧底中含有的缺陷及判定缺陷屬性。

③地質雷達法檢測隧道襯砌缺陷，具有較好的探測效果，但其解譯結果具有多解性，因此對于檢測結果需進行鉆芯驗證，以及依據大量經驗的積累與總結綜合判斷其最終檢測結果。