地質雷達在某公路運營隧道檢測中的應用

肖 正

(中鐵隧道勘察設計研究院有限公司，廣東 廣州 511458)

1 引 言

地質雷達是一種新興的地球物理勘探方法，目前廣泛用于國內隧道工程、基礎設施和路基檢測等方面。對于淺層地下結構，埋藏物以及人造結構的成像具有良好效果。地質雷達通過天線向地下發射一系列寬頻帶高頻電磁波，在介電常數差異較大的介質界面發生反射、透射和折射。而反射回的電磁波被接收天線接收后，由雷達主機記錄反射回的電磁波的運動特征，處理后形成全斷面的掃描圖，該圖像可以判斷地下目標物的實際結構情況。劉安、張國權和康富中等人針對已經存在問題的隧道，利用地質雷達對隧道進行了檢測，在查明隧道襯砌缺陷等病害問題方面進行了成功應用。陳文濤、景勝等基1于地質雷達探測結果對典型雷達圖像的解釋和判別進行了分析研究。張家鳴基于現場的探測結果對于如何提高檢測效果等方面提出了部分建議。地質雷達經過50年的發展技術已經相對成熟，隨著數據處理技術的進一步提升它也將擴展到更多的應用領域。

2 探測方法

2.1 工程概況

大廟峽隧道位于G106線(雙向四車道、一級公路)佛岡縣境內，于1996年建成通車。隧道為南北向單洞雙線隧道，隧道正線365 m，輔線484 m。隧道埋深約70 m，路面凈寬8 m，高7.2 m。設計圍巖為Ⅲ～Ⅳ級，模注襯砌C25混凝土，墻身厚度60 cm。由于隧道位于發育的節理、裂隙及斷層接觸帶中，地下水加劇了風化作用，造成襯砌背后、隧道脫空。該隧道運營時間較長，不僅隧道襯砌和路面存在不同程度的裂縫和破損，而且以滲漏水現象表現的最為嚴重。為避免隧道病害進一步發育給行車安全帶來隱患，利用地質雷達查明隧道襯砌背后缺陷的位置、深度和大小，為評估隧道的結構安全穩定性和隧道的病害治理及改造提升提供資料依據十分必要。

2.2 數據采集與處理

(1)測線布置

隧道襯砌地質雷達檢測，采用抽查方式進行，一般常規檢測設置5條測線，分別布置在拱頂、左、右拱腰和左、右邊墻。依據檢測內容，雙線隧道需沿軸向布設7條測線，增加了隧底的兩條測線，地質雷達檢測測線布置情況見測線布置示意圖。

測量前沿隧道軸線用噴漆每隔10 m標好里程樁號，便于天線通過時及時、準確地進行標記。由于該公路隧道不屬于長隧道，每條測線均進行一次性連續掃描探測，拱腰和拱頂借助升降車進行測量。

圖1 地質雷達測線布置示意圖

(2)參數設定

地質雷達要求目標體和周圍介質在介電常數上要有足夠的電性差異。地質雷達不同頻率天線的測深能力不同，頻率越低，探測深度越大，但是分辨率會降低；頻率越高，能量衰減越快，探測深度越淺，分辨率會提高。故隧道襯砌檢測時需要選擇與探測深度要求相應的高頻天線，頻率范圍一般為400～900 MHz。在隧道內檢測，需采用屏蔽天線，其工作原理如圖所示。雷達根據測得的雷達波走時，求得反射物的深度和范圍。

圖2 地質雷達探測原理示意圖

電磁波信號的穿透深度與巖土體的電導率有關，電導率越高則探測深度越淺。結合現場探測精度和深度，選用世界上先進的瑞典MALA ProEx型探地雷達，天線選用500 MHz屏蔽天線。采樣頻率7 500 MHz，低截頻取155，高截頻取755，采集時窗50 ns。采用距離觸發探測方式，有效檢測深度為2 m，檢測精度和深度可滿足襯砌厚度要求。

表1 部分天線在巖體中的理論探測深度

當有反射體存在時，雷達只記錄電磁波雙程走時。為了準確了解反射體的埋深，還必須知道電磁波在該介質中的傳播速度。依據經驗，電磁波在混凝土中的傳播速度為0.10～0.11 m/ns，也可通過已知目標物的深度用以下公式計算出準確波速。

式中：V為電磁波在介質中的傳播速度；H為已知目標物的厚度；t為電磁波的雙城旅行時。

(3)數據后處理

地質雷達圖像以電磁脈沖反射波的形式記錄各種信息，一般以灰度圖的形式作為地質雷達的剖面圖。地質雷達整個數據后處理過程包括兩部分，即數據處理和圖像的解釋判別。地下復雜的地質條件對發射波有濾波作用，地下介質會對發射波產生不同程度的吸收。并且由于地下介質一般具有非均勻性，導致接收天線接收到的反射波波幅減小，因而發射波和反射波存在較大的差異，如圖3所示。此外，環境中的各種噪音也會對波形產生干擾，影響實測數據的真實性。因此，一般對接收到的波形信號進行合適的濾波處理，采用合適的圖像信噪比，便于后期對資料中的各種異常現象進行識別和解釋。

圖3 發射波與反射波波形對比圖

數據處理的主要內容是濾波，對干擾信號的去除，從而在雷達剖面圖上突出各種有用信號，便于后期解釋探測結果。利用Reflexw軟件對實測的每一條剖面單獨進行處理，主要步驟依次為：靜校正切除、DC去直流漂移、增益、水平信號去除、頻率域濾波、滑動平均和距離歸一化等七個步驟。將灰度圖調節合適的對比度以便于分析，通過地質雷達時間剖面和深度剖面圖即可對隧道缺陷的位置進行判斷。

3 雷達剖面圖分析

雷達剖面圖中所表現出的各種反射信號代表不同的地下條件。對于隧道襯砌檢測，主要包括幾種信號：反射信號弱且連續的為密實部位；反射信號表現為強反射且雜亂的區域為欠實部位；反射信號表現為強反射且呈條帶狀或三角形狀態為脫空位置；反射信號為連續且規律的月牙形強反射為鋼筋網，而單月牙信號則為鋼拱架。

3.1 襯砌缺陷

(1)脫空

脫空現象是指由于襯砌和圍巖或初支之間結合不緊密而產生的縫隙、空洞，其產生的原因主要有隧道施工時襯砌墻后填充澆筑不密實而形成的空洞。此外在隧道運營過程中由于襯砌老化等原因產生變形，使得襯砌和初支及圍巖間產生脫離而產生的空洞和孔隙。

對于這類埋深較淺的隧道，受自然條件因素影響較大，長期的風化作用容易導致圍巖產生空洞和孔隙。而且地表水也對本隧道襯砌脫空造成了十分巨大的影響，水作用易使圍巖的風化和侵蝕作用加強，圍巖風化物極易被水攜帶走而形成空洞。同時水對襯砌的侵蝕作用易使襯砌老化，特別是襯砌中欠實的位置，這也是本隧道中大部分的欠實位置處又伴隨有不同程度脫空現象的原因。

脫空在雷達圖像上表現為強反射信號，一般呈帶狀長條形或三角形分布，三振相明顯，通常在其下部仍有強反射界面信號，兩組信號時程差較大。

圖4(a)是由正線隧道測線C截取的一部分，在里程K2342+127～K2342+129范圍內有一長條狀反射異常，同時在里程K2342+130～K2342+131范圍內反射信號紊亂，說明該段拱頂為脫空和欠實共存病害。圖4(b)是輔線隧道測線D的一部分，在里程K2342+150～K2342+152范圍存在異常強反射，右拱腰襯砌在此處發育空洞，深度范圍為60～70cm，說明此處為初支和圍巖之間產生的空洞。

圖4 隧道典型脫空(部分)

(2)欠實

襯砌欠實是指襯砌內混凝土回填不密實而產生的小的縫隙、小空洞。其產生的原因主要有隧道襯砌施工時的不密實和裂縫，如施工縫不密實等。此外，隧道運營過程中受水的浸蝕、地質應力作用及混凝土老化等因素影響，而產生的隧道襯砌開裂、變形或穿孔等現象。以上情況均可能引發隧道襯砌變形和滲漏水等病害。圖5為隧道局部雷達剖面圖，檢測結果表明這些位置為典型的欠實現象。

圖5 隧道典型欠實(部分)

欠實部位的雷達界面反射信號為強反射，但一般不連續，表現出錯斷和雜亂等現象，一般區域化分布。圖5(a)是由測線F截取的一部分，整體上波形紊亂，表明正線右側仰拱在里程K2342+160～K2342+170內襯砌存在大范圍欠實。圖5(b)是測線D的一部分，在里程K2341+872附近存在異常反射信號，說明輔線右拱腰襯砌在此處發育欠實和空洞，深度范圍為30～50 cm。

地質雷達在接收有效信號的同時，也不可避免地接收到各種干擾信號。準確識別干擾波及目標體的一些圖像特征是進行雷達圖像解釋的核心內容?；谠O計、施工圖紙和雷達圖像的正演結果對圖像進行解釋。從雷達檢測結果分析，隧道襯砌存在大范圍的欠實和脫空。隧道主線以左、右兩側邊墻和右側仰拱情況較為嚴重，輔線以右拱腰和左、右仰拱較為嚴重。根據雷達剖面圖，共發現襯砌缺陷246處，其中欠實110處，脫空73處，其余為欠實和脫空共存缺陷。欠實量一般在20～40 cm之間，欠實位置一般在襯砌10～50 cm厚度范圍。脫空量一般在10～30 cm之間，脫空位置一般在襯砌20～50 cm厚度之間。

3.2 襯砌厚度

數據處理完畢通過拾取層操作，判定初支與圍巖之間的界限。依據上述雷達圖像得知所檢位置襯砌厚度大部分在45～60 cm之間，最大厚度為75 cm，最小厚度為32 cm。襯砌厚度較薄的位置發育空洞，但未發現穿孔現象，襯砌厚度基本滿足要求。隧道襯砌整體完整性較好，未發現大的崩裂、坍塌和穿孔等現象，襯砌整體結構尚屬完整。襯砌強度較好，未發現隧道襯砌存在結構性的破壞情況，整體安全性較高。

4 缺陷治理

4.1 隧道滲漏水

對于隧道滲漏水，應在全隧道邊墻腳每隔4～5 m以89 mm直徑鉆孔作為泄水孔，鉆孔內安裝透水管，鉆孔深度至少應打入圍巖2 m，并將軟管引至排水溝。對于水量大的部位泄水孔的間隔可適當加密至2～3 m，對于襯砌裂縫滲漏水嚴重的位置應在裂縫左、右兩側約20 cm處各打一泄水孔。對整治后仍有少量出水的部位，可采用封堵的方式，機械切槽后用遇水膨脹密封膠或防水涂料等進行封堵。

4.2 襯砌與圍巖治理

對于襯砌內部缺陷，應在欠實位置壓注水泥漿，脫空位置壓注水泥砂漿進行充填。由于大部分位置為欠實和脫空共存的缺陷，因而只注水泥砂漿，注漿時先注稀漿，后逐漸改為稠漿。

由于襯砌背后圍巖也有部分松動和松散，注漿孔需要打入圍巖約50 cm后進行注漿。注漿時先注下部注漿孔，后注上部注漿孔，以保證混凝土的完整性和密實性。此外，需從無水位置向有水位置注漿，從水少的部位向水多的部位注漿，便于水的匯集和引排。

5 結 論

(1)地質雷達能廣泛應用于各類隧道的襯砌質量檢測，能有效查明襯砌厚度和缺陷等病害的發育情況和位置，具有無損、便捷、精度和分辨率高等優點。

(2)隧道脫空和欠實等病害受施工期間混凝土澆筑不密實的影響，同時運營時間較長的隧道受地質和水的侵蝕作用易導致背后巖土體風化流失產生空洞和裂縫。

(3)運營隧道襯砌病害主要表現為嚴重的隧道滲漏水現象，在病害治理方面的主要措施為邊墻鉆孔引排水和缺陷部位注漿。