探討地質雷達在公路隧道襯砌質量檢測中的應用

呂 毅，賈路斌

(貴州省交通建設咨詢監理有限公司，貴州 貴陽 550000)

1 工程概況

針對我國貴州省某地區一處公路隧道工程展開了襯砌厚度及空洞缺陷檢測的分析和研究。該公路隧道為雙向四車道高速公路，整幅路基寬度24.5 m，單幅路基寬12.25 m，設計速度80 km/h，隧道右線止樁號為YK12+035～YK13+395，長度為1 360 m；左線起止樁號為ZK12+040～ZK13+390，長度為1 350 m，人行橫洞共設計兩處，車行橫洞一處。該隧道橫穿山脊，坡體植被發育，隧道進出口均有鄉村公路通過，交通條件較好。公路隧道工程所處的地勢條件起伏較大，進口的自然山坡坡度大小在20°～25°之間，自然山坡相對比較穩定。據工程地質測繪及鉆探揭露，該隧址區的地層為：上覆第四系坡殘積(Q4dl+el)粘土、坡洪積(Q4dl+pl)粘土；下伏基巖為寒武系中上統婁山關組(∈2-3ls)中厚層白云巖。

2 地質雷達在公路隧道襯砌質量檢測中的具體運用

2.1 地質雷達檢測隧道襯砌厚度及襯砌背后缺陷

針對本次公路隧道工程檢測工作中，重點采用900 MHz加強型天線檢測二次襯砌厚度及襯砌背后空洞缺陷。為提高隧道襯砌檢測精確度，現場進行介質參數標定。標定方法為在已知厚度且材料與隧道二次襯砌相同的預制件上測量(預制件厚度大于15 cm，標定記錄中界面信號應清晰、準確)。

標定結果計算

(1)

(2)

式中：εr—相對介電常數；v—電磁波速(m/s)；t—雙程旅行時間(ns)；d—標定目標體厚度或距離(m)。

經現場標定，計算分析得到該襯砌相對介電常數為7.9，電磁波波速為0.106 m/ns。

地質雷達的圖形以脈沖反射波的波形形式進行結構探測結果的記錄，并以波形圖或者灰度圖來反應雷達垂直剖面圖。地質雷達采樣數據的解析包括數據的處理及波形的解釋兩個方面內容。依據雷達的工作原理及工程實踐經驗，確定檢測方式及雷達檢測參數的設置，準確區分干擾信號，以便正確識別襯砌的層位和異常缺陷，對檢測對象作出客觀、科學、公正的評價，避免誤判。

隧道襯砌質量檢測以縱向布線為主，環向(橫向)布線為輔；本次檢測為沿隧道縱向共布置5條測線，測線位置在拱頂、左右拱腰和左右邊墻。經過對現場檢測采集到的雷達測線數據進行處理分析(選擇隧道左線ZK12+400～ZK12+500里程段右拱腰測線，設計襯砌支護參數為S-Ⅳb，該里程段二次襯砌為無配筋素混凝土結構)，判定襯砌厚度及缺陷類型，并對缺陷較嚴重部位進行現場鑿孔驗證。襯砌厚度及缺陷雷達檢測結果、現場開孔驗證結果對比見表1。

表1 達檢測及現場開孔驗證對比結果

2.2 地質雷達檢測隧道襯砌厚度及缺陷結果驗證

對該組檢測數據進行對比分析，當二次襯砌為無配筋素混凝土結構時(介質電磁性質差異大)，介質參數采用現場標定結果，雷達檢測襯砌厚度結果的垂直分辨率均高于2 cm。雷達檢測精度滿足相關規范要求。而由于雷達波在缺陷內的多次反射，襯砌背后脫空的量值不能定量給出。經過分析該組檢測數據可以得出：地質雷達在襯砌厚度的檢測中(二次襯砌為無配筋素混凝土結構時)可以定量檢測，而在襯砌缺陷的檢測中僅能定性檢測，即判斷缺陷所在的位置范圍，而不能準確判定缺陷的體積。同時，對比開孔驗證的數據，通過地質雷達探測技術可準確判定缺陷所在的位置，且具有無損、快捷、測量工作相對簡單和靈活，表現出的應用優勢較為明顯。

3 地質雷達在隧道襯砌無損檢測中存在的不足

3.1 電磁波傳播速度問題

在公路隧道的襯砌施工質量檢測中，電磁波的雙向傳播速度對檢測工作的精確度至關重要。在公路隧道襯砌厚度的檢測工作中，由于襯砌結構材質的不均勻性及現場標定的預制構件或標定點結構與實測結構物存在差異、混凝土齡期不同造成的含水量差異等，都可能影響到檢測結果，并直接影響到后續的數據分析處理，因此對介電常數的標定必須準確。

3.2 襯砌鋼筋多次反射問題

對應一些地質條件復雜、隧道形狀和結構設計復雜的公路隧道，尤其是現階段城鎮化建設工程中的大斷面隧道，二次襯砌采用縱向加密的雙層鋼筋混凝土結構，電磁波遇到鋼筋的強反射，無法探測到有效的深度，檢測過程中很難找到有效的襯砌反射界面或根本無法區分反射界面。在后續的數據處理過程中容易造成誤判，影響檢測結果。

3.3 隧道襯砌結構中各種預埋件的干擾問題

公路隧道二次襯砌含有大量預埋件，且預埋件材質為鋼材。地質雷達對隧道襯砌內鋼筋、鋼架位置發布的主要判定特征為：

(1)鋼架：分散的月牙形強反射信號；

(2)鋼筋：連續的小雙曲線形強反射信號。

現場數據采集過程中，檢測人員未能有效記錄各種預埋件的位置，導致后期數據處理過程中的誤判。這就要求地質雷達操作人員需要有一定的綜合素質及現場經驗，原始數據記錄應該完整、準確，隨時記錄可能對檢測產生影響的對象(如滲水、電纜、鐵架、預留洞室等)及位置，現場分析可能存在的干擾體位置與雷達記錄中異常的關系，準確區分有效異常和干擾異常。在數據處理過程中能有效的溯源，提高檢測結論的準確性，確保不失真。

4 結束語

運用地質雷達等無損檢測技術使檢測效果更加明顯，大量的采集數據，靈活可溯源的測線布置，較廣的覆蓋面，都使得公路隧道襯砌施工質量更加方便、快捷、準確。但是相對于部分破損或半破損直接檢測法在精度上略低，在經過準確的參數設置之后，檢測結果精度滿足規范要求。對于常見的隧道襯砌檢測參數，均能定量或定性給出檢測結論。本文通過工程實踐的運用可以看出地質雷達檢測隧道襯砌施工質量的優越性，通過科學規范的數據采集，能夠客觀、準確的得到反應工程實體施工質量的結論。同時本文也總結出了地質雷達檢測技術存在的缺陷以及不足，對工程的整體檢測質量可能會存在一定的影響，因此，在后續的研究工作中，需要不斷加大地質雷達檢測技術的研發和完善，并可結合其它切實可行的檢測技術，為隧道襯砌施工質量檢測提供強有力技術支撐。