SIR4000地質雷達在鐵路隧道襯砌質量檢測中的應用

楊 泰

（中鐵二十二局集團第二工程有限公司， 北京 100000）

0 前言

在高效快捷工作生活的今天，人們在城市與城市之間的出行，更多的選擇了高鐵這種便捷的交通工具。鐵路建設施工中，隧道施工地質復雜，施工難度大，設計方案的先天不足，給施工留下質量通病和安全隱患。特別是已建成運營的隧道，有不少隧道存在各種各樣的質量缺陷，嚴重威脅著人們的生命和財產安全。地質雷達法無損、高效、高分辨率，快速采集分析圖像等優勢，能夠準確找出隧道存在的質量問題，便于及時對隱患進行處理，為交通建設帶來了技術支持。

1 SIR4000地質雷達的優點及國內外占比情況

SIR4000地質雷達在A/D轉換方面采用24位輸出數據格式，接收能力更加強大。SIR4000地質雷達主機采用實時數據采集，系統的掃描速率更高，在同樣的采樣點前提下，采集點越多，掃描線的分辨率越高。SIR4000共有采集點16384個。SIR4000的采集速度更快。疊加次數可反映儀器的去噪能力，疊加次數越大，去噪能力越強，信號質量越好。SIR4000系統疊加次數為64000次。

SIR4000地質雷達采用GSSI廠家專門研發的地質雷達后處理軟件，比第三方軟件更具有針對性的處理效果，且軟件有中文版本，方便國內用戶使用。美國 GSSI廠家的天線頻域最廣，頻率選擇最多，可滿足一機多用的要求，用戶可根據需要，搭配使用不同頻率的天線以完成不同工程的需要。

SIR4000地質雷達在產品性能和應用領域方面都有獨特的優勢，在國內外擁有廣泛的用戶群體，受到了用戶的一致好評。在全球地質雷達銷售市場中，SIR4000銷量超過6000套，占70%以上，其中在國內銷售1500余套，市場占有率65%，是目前國內外公認的最具口碑的地質雷達。

2 SIR4000地質雷達在鐵路隧道中的應用

2.1 工程概述

大張高速鐵路河北段大梁山隧道進口為單洞雙線隧道，里程DK55+735～DK69+130, 全長13395m，隧道最大埋深430m。大梁山隧道施工進口段里程 DK55+735～DK61+450，長度為 5715m，地質條件復雜，DK55+735～DK56+600段上覆濕陷性黃土厚度0-30m，DK56+600～DK56+725段為泥巖夾砂巖，具有膨脹性，對隧道進口施工以及隧道基底有影響。

2.2 地質雷達探測技術數據處理

1）數據處理的目的

地質雷達數據處理的目標是除去檢測過程中出現的干擾波，以最大可能的分辨率將雷達圖像上的反射波顯示出來，然后將反射波中各種有用的地質信息包括電磁波速度，振幅和波形等提取出來，用于雷達圖像的判釋，如基于不同頻率的各種反褶積技術，確定性反演濾波、遞歸濾波、最小平方濾波和子波處理等。數據處理的另一目的是將數據元素重置以補償由于來自不同方向的反射迭加產生的空間畸變，如偏移處理等。

2）數據處理的方法

數字分析處理是雷達剖面圖像解譯的關鍵步驟。根據檢測目的，選擇合理的數字處理方法，突出目的層。常用處理方法一般有靜校去直流、道均衡、道間平滑、反褶積、增益調節以及插值等，目的在于以下幾個方面：

（1）取多次重復測量平均以抑制隨機噪聲；

（2） 取鄰近不同位置的多次測量平均以壓低非目的體雜亂回波，改善背景；

（3）自動時變增益或控制增益以補償介質吸收和抑制雜波；

（4）濾波處理或時頻變換以除去高頻雜波或突出目的體，降低背景噪聲和余振影響；

（5）時域的一維、二維空間濾波；

（6）做與目的體有關的三維處理等等。

3）數據處理流程圖

圖2.1 數據處理流程圖

2.3 工程應用

1）檢測部位

本次檢測的位置起止里程為DK55+735～DK61+450，長度5715，沿洞軸線方向分別在邊墻、拱腰、拱頂布置5條測線，采用的是400MHz屏蔽天線進行檢測，其穿透深度在100cm。具體的檢測部位如下表所示：

表2.1 大梁山隧道地質雷達法檢測里程、部位及測線位置統計表

2）數據處理

在本工程具體的數據統計過程中，數據處理采用SIR4000型探地雷達系統的RADAN6.5軟件，根據收集和掌握的設計、勘察、施工等資料進行數據分析。其主要處理步驟如下：（1）頭文件的處理：查看檢測的頭文件中的參數設置是否正確；（2）數據預處理：主要是對于數據的合并、切除，測線的歸一化處理、直達波的拾取；（3）干擾波處理：先通過一定的數字濾波方法過濾掉干擾波，然后經反褶積突出異常信號，使異常波形更接近于異常體征。

3）檢測數據匯總

表2.2 大梁山隧道缺陷匯總表

4）具有代表性的缺陷檢測表

表2.3 大梁山隧道缺陷檢測表（代表性）

圖1 鋼筋間距過大

圖2 脫空

圖3 鋼筋保護層厚度不足

2.4 缺陷復測情況

根據《鐵路隧道襯砌質量無損檢測規程》（TB10223-2004）對大梁山隧道的5條測線部位進行了質量檢測，檢測過程中共計發現406處缺陷，其中23處二襯厚度不足，施工單位按照《大梁山隧道（DK57+000～DK61+200段）二次襯砌缺陷安全評價咨詢報告》進行整治銷號，其余的383處缺陷施工單位經整改報檢后進行復測，復測結果完全符合設計要求，其余地段地質雷達測線處未發現缺陷信號。

3 影響地質雷達數據準確性的因素

施工過程不規范及工程內部結構都會影響數據的準確性：

1）鋼筋保護層較薄會影響到雷達圖像的檢測效果，對隧道襯砌施工而言，二襯內鋼筋的定位尤為重要，由于部分隧道襯砌鋼筋綁扎不規范，鋼筋保護層較薄，鋼筋反射信號強，多次反射，致使二襯背后存在的缺陷異常反射信號被覆蓋，影響了檢測數據的準確性，影響了檢測質量。

2）隧道內存在預埋管件等鋼構件的位置也會對檢測造成干擾。所以后續數據處理時，必須根據現場記錄，找出施工預埋的鋼構件和位置里程，正確識別隧道襯砌內部真實存在的缺陷異常和預埋管引起的假異常。舉例來說，雷達天線在檢測拱頂時，經常會遇到接觸網預留滑槽，使圖像產生異常反應，但這不能被判定為缺陷。所以在缺陷識別中排除干擾數據尤為關鍵。

4 提高地質雷達探測精度的措施

在運動狀態下進行檢測時，由于人為因素以及檢測時設備天線的貼合度、檢測臺車的顛簸、檢測前雷達主機的參數調試等因素的影響，對檢測的數據精度會造成誤差。具體分析可以得出如下結論：

1）.隧道內隧底積水等有其他對電磁波產生干擾的物質會大大降低雷達天線探測深度和分辨率，因此在檢測過程中應盡量避開或將這些物質清除后再進行檢測。避免這些物質對我們采集雷達信號的干擾，這樣可以很好的減少在后期處理數據和出具檢測報告中的誤差。

2）檢測數據的好壞主要取決于現場檢測。有些隧道里程識別不清或里程識別未經測量復核，在檢測過程中本身隧道內視線不好，從而造成誤差較大，因此現場需要專業測量人員進行精確測量后標定，以保證現場采集的數據真實有效。這一點對判斷隧道內的施工缺陷的位置至關重要。

3）天線的傾斜會導致檢測結果與真實情況存在偏差，檢測人員在手扶天線的過程中，可能會遇到行走路線上的障礙物或長時間的工作無法保持正確姿勢，從而使天線不能始終與測線方向保持平行，而產生一定的角度，從而直接影響雷達檢測數據。

4）在用儀器采集數據時，操作人員應密切注意雷達圖象的變化，對圖像異常段做好記錄，必要時進行復檢。保證檢測車平穩勻速直線行進，中間盡量減少停頓，必要時記錄停頓位置。

5）探測前，對具體檢測的隧道，要根據設計和勘查的資料，選擇不同類型的天線，設置好儀器的各項參數，包括介電常數、增益、以及高、低通濾波等。特別是介電常數的確定，必須通過現場反復調試、試測，達到理想的效果才能進行檢測。

5 結語

SIR4000地質雷達對隧道的探測，做到了不傷害現有結構，有快速、直觀、精準、分辨率高等特點，施工時能快速的使用地質雷達檢測出隧道施工中的缺陷，及時的整改，避免重大安全質量隱患，以便隧道驗收時順利通過。

盡管如此，SIR4000地質雷達對雙層鋼筋結構的探測還不是很準確，以后應研究地質雷達對雙層鋼筋結構探測的準確性，避免鋼筋間的反射造成判別誤差，確保使用地質雷達法對隧道檢測達到更高的精度，為鐵路交通運營安全保駕護航。