地質雷達在公路隧道襯砌檢測中的應用★

倪 迪 康三月 朱愛山 陳 明 朱東升

(1.臺州市交通投資集團有限公司，浙江 臺州 318000； 2.浙江省隧道工程集團有限公司，浙江 杭州 310005； 3.中國地質大學(武漢)工程學院，湖北 武漢 430074)

1 概述

改革開放以來，我國綜合實力不斷提升，基礎設施建設力度也在一直加大。其中，交通建設規模日益擴大，而公路隧道更是近年來大力發展的交通運輸方式。隧道襯砌作為防止圍巖變形坍塌的手段應當具有足夠的強度以及耐久性。因此，隧道襯砌的施工質量應該嚴格把控，以確保隧道的運營安全、結構性能和使用壽命。在隧道襯砌施工時，有幾種施工質量問題在實際工程中經常發生，例如：二次襯砌的厚度不能滿足實際工程要求，鋼筋或者鋼拱架數量不足以防止圍巖產生較大變形，襯砌與圍巖之間接觸不夠密實。

地質雷達檢測施工襯砌是利用不同探測介質之間性質的差異性，接收反射回來的電磁波并形成圖像，進而分析襯砌施工質量。該方法檢測效率相對較高，準確率也還不錯，操作較其他檢測方法簡單，因此，在實際工程中，經常被用來檢測隧道襯砌質量問題[1,2]。

本文首先簡略的描述了地質雷達的檢測原理，進而結合樓山隧道實際工程情況，分析介紹了幾種常見的襯砌質量問題及其圖像特點，對今后的隧道襯砌質量檢測及圖像處理有一定的利用價值。

2 地質雷達檢測隧道襯砌原理

首先使用發射天線對著隧道襯砌發射高頻寬帶短脈沖電磁波，因為不同的襯砌、圍巖介質等的介電性質不同，發射回來的電磁波能量大小就會有差異，再利用接收天線接收反射回來的電磁波，記錄因旅行長度，速度不同而產生差異的反射時間。

不同介質中的電磁波傳播速度可以用式(1)表示：

V=C/(εr)1/2

(1)

其中，C為在真空的條件下電磁波的傳播速度，大小為0.3 m/ns;εr為相對介電常數。

利用在不同介質中，電磁波的傳播速度和傳播所用時間可以計算出界面深度(h=V×t/2)。被探測物體內部的波形圖像可以使用發射天線沿著被檢測物體表面移動來得到。地質雷達的檢測原理如圖1所示。

不同介質擁有不同的介電性、導磁性，其電磁波的運動學和動力學特性也是不同的，用發射天線向被探測物體發射高頻寬頻帶電脈沖波，可以推算出其空間分布情況[3,4]。電磁波在不同介質中的傳播速度、旅行路徑不同，接收天線接收到的電磁波的雙程走時、波幅、頻率等也因介質的不同而不同，利用這些差異性可以推算出被探測物體的內部結構特征以及襯砌的分布情況等。

3 應用實例

3.1 工程概況

路澤太一級公路溫嶺段樓山隧道采用分離式單向行車雙車道隧道(上下行分離)。其中左洞設計樁號：K8+428～K8+945，右洞設計樁號：K8+434～K8+925。本次檢測目標為樓山隧道既有襯砌質量檢測，檢測中在樓山隧道左右布設3條雷達縱測線，具體測線布置如圖2所示。

3.2 儀器

本次探測采用的儀器為青島LTD-2000及配套500 MHz天線，該儀器技術參數見表1。根據實測現場具體情況，并針對二次襯砌底界為目的體選取合適參數，確定了本次試驗檢測的工作參數：采樣長度35 ns，采樣頻率8 000，采用多次疊加、連續掃描方式(20 m一個標記)進行野外實測。

表1 儀器技術參數表

3.3 推斷解釋

1)經過數據預處理，計算明洞已知厚度部分的復合介電常數，確定相對應的電磁波速，求取目的層的深度即二次襯砌厚度。2)分辨地質雷達圖中干擾波和目標體波形的差異。如果地質條件比較理想，那么可以很輕易的從地質雷達圖中獲得我們想要的內容。但是，在實際條件下，地質條件往往是很復雜的，地質雷達圖也因許多干擾信號而變得難以解釋，常見的產生干擾信號的原因有以下幾種：附著在襯砌上的金屬物、電纜、因各種原因耦合不好的天線等。不同的干擾波具有不同的形態特征，可以區分辨認。

針對樓山隧道襯砌施工質量，經現場檢測，處理數據后，處理后的圖像有以下典型三類：

1)二次襯砌表面的鋼筋。有時隧道圍巖性質差，為了防止圍巖產生較大的變形，往往在初次襯砌時設置鋼拱架，二次襯砌時設置鋼筋混凝土。使用地質雷達識別判斷鋼筋，圖像中可看出波的反射信號強，鋼筋在圖像上呈連續的小雙曲線形態。如圖3所示為測線5現場標記20 m～66 m段(設計里程K8+905～K8+951)雷達波形彩圖。

2)襯砌層與圍巖之間存在空洞，圖像中可看出波的反射信號強，同相軸呈繞射弧形，可能為多個連續弧形反射組成或不規則弧形反射組成。如圖4所示為測線1現場標記114 m～158 m段(設計里程K8+519～K8+563)雷達波形彩圖。由于該段襯砌設計為30 cm(二襯)+10 cm(初襯)，而圖中襯砌層反射波形平穩，無明顯異常變化，說明襯砌層結構良好，無明顯空洞、不密實區域。圖中圈定范圍為雷達異常反射區域，推斷出襯砌與圍巖之間存在空洞，同時周邊可能伴隨有不密實區域存在。

3)襯砌層與圍巖之間存在不密實區域。從圖像中可以看出，波的反射信號較強，呈雜亂散點反射，如圖5所示為測線3現場標記376 m～414 m段(設計里程K8+781～K8+819)雷達波形彩圖。如圖6所示為測線5現場標記372 m～414 m段(設計里程K9+227～K9+269)雷達波形彩圖。

4 結語

用地質雷達檢測隧道襯砌質量，以雷達波形彩圖直觀的展示了檢測結果，從波形彩圖中可以看出鋼筋的數量，襯砌層與圍巖之間是否存在空洞，襯砌層與圍巖之間是否密實，且地質雷達探測方法具有無損、方便快捷、高效率等特點，廣泛應用于公路隧道襯砌施工質量檢測中。但是地質雷達檢測方法仍具有不小的局限性，首先，檢測大多只能定性的判別施工缺陷。其次，地質雷達無法判斷出鋼筋混凝土的襯砌厚度以及襯砌上輕微細小的缺陷，這些都需要在今后的研究中加以改善。