地質雷達在公路隧道仰拱檢測中的應用

胡振興

（甘肅省交通科學研究院集團有限公司，甘肅 蘭州 730000）

隨著我國交通基礎設施建設的快速發(fā)展，各等級公路隧道興建。新奧法的基本原則表明，仰拱與二次襯砌閉合成環(huán)，在襯砌結構受力中發(fā)揮靜力學上的“厚壁圓筒”作用，能有效抑制圍巖塑性區(qū)和周邊位移的發(fā)展，避免或減少底鼓現(xiàn)象發(fā)生。大量的工程實踐表明，以往公路隧道仰拱常存在厚度不足、鋼筋缺失、填充層中內摻超標片石或洞渣等病害。與傳統(tǒng)的鉆芯取樣法相比，地質雷達憑借快速、無損等優(yōu)勢逐步被應用于公路隧道仰拱檢測中。

一、地質雷達的檢測原理和方法

地質雷達檢測是基于不同介質具有不同介電特性這一物理特征開展的，電磁波在傳播過程中遇到不同介質時，波速、衰減、振幅、相位、頻率等特征會發(fā)生相應的變化。通過雷達天線發(fā)射與接收高頻電磁波，得到探測范圍內部介質的剖面成像，然后根據(jù)不同目標體反射波的波相特征，結合各項探測參數(shù)及目標體的基礎資料，推測其內部結構和幾何形態(tài)。

現(xiàn)場檢測時，在隧道中線左右兩側車道布設兩條縱向測線，采用連續(xù)測量的方法在施工成型的填充頂面或路面檢測仰拱結構層的厚度及密實性，以縱向測線為主、橫向測線為輔，三車道隧道應相應增加測線數(shù)。

二、地質雷達在隧道仰拱檢測中的運用

本文選取了甘肅省關山隧道病害處置項目的雷達檢測效果展開分析。該隧道某段落內混凝土路面開裂且破損嚴重，隧道中心線位置路面發(fā)生隆起和錯臺。為查明原因，試驗檢測了病害段落及處置后的仰拱結構層。檢測采用SIR-3000型地質雷達，選用400MHz和200MHz兩種屏蔽天線組合使用。

（一）混凝土密實性檢測

項目組對該隧道的仰拱結構層開展了病害檢測，在左右幅車道上距隧道中線1.5m和3.5m處分別布設了縱向測線連續(xù)檢測。雷達檢測結果，在病害段落內距路面70cm～150cm范圍內普遍存在松散脫空區(qū)和不密實帶。為進一步查明病害并驗證雷達檢測的準確性，項目組在病害段落內選取了4個缺陷強反射區(qū)分別鉆孔取芯。4個探孔揭示，仰拱填充層距路面76cm～153cm范圍均為松散的碎石，芯樣不成型且局部位置芯樣缺失，驗證結果表明該范圍內混凝土存在松散脫空區(qū)和不密實帶。

通過對比，雷達檢測結果與取芯基本一致，說明雷達檢測不密實帶和脫空區(qū)水平分布范圍及深度位置的結果準確，但不密實帶及脫空區(qū)深度范圍與實際情況略有偏差。

此處選取1 # 探孔詳細說明。如圖1 所示，k0+058～k0+068段400MHz天線仰拱檢測雷達剖面距路面75cm～150cm范圍內k0+058～k0+064段為松散脫空區(qū)，表現(xiàn)為連續(xù)的層狀低頻強反射；k0+064～k0+068段為不密實帶，表現(xiàn)為分散的繞射弧形。其中k0+060的1#探孔處，雷達剖面顯示其脫空區(qū)的上限為90cm，下限為140cm。

圖1 k0+058～k0+068段雷達剖面

1#探孔的芯樣如圖2所示，總長度為173cm，其中90cm～153cm段處于松散脫空區(qū)，芯樣基本為碎石且松散不成型，缺陷區(qū)深度范圍的下限存在13cm的誤差。返工處置開挖結果顯示，缺陷區(qū)的主要原因是混凝土中摻入大量超標片石和洞渣導致。正是由于混凝土中片石、洞渣等夾層導致等效介電常數(shù)發(fā)生改變，電磁波在該區(qū)域中傳播時波速存在差異且變化較大，而雷達剖面上深度取值時仍采用混凝土的標定波速。由于缺陷區(qū)材質復雜，準確的等效波速難以確定，導致深度范圍的下限值判別存在一定的誤差。

圖2 1#探孔芯樣照片對比

（二）混凝土厚度檢測

項目組跟蹤檢測了5次病害段落返工處置后的仰拱厚度，結果顯示靠近中心水溝的測線位置由于埋深較大，兩種天線的橫向分辨率均不足，雷達剖面上能有效顯示的為連續(xù)的高亮鋼筋反射層，難以分辨出鋼筋的數(shù)量和間距。鋼筋層的強反射信號向下輻射，仰拱混凝土與圍巖的低信噪比信號無法從剖面上提取出來，難以準確區(qū)分仰拱與圍巖的分層界面，僅能大致拾取出該段測線位置仰拱頂面縱向埋深為152cm～160cm。此外，根據(jù)k0+065處200MHz天線橫向測線雷達剖面結果，0.8m～1.5m深度范圍內靠近電纜槽一側的仰拱雙層鋼筋網(wǎng)反射信號較強，仰拱與相鄰結構的分界面較為清晰，而1.5m以下深度范圍內靠近中心水溝一側，鋼筋網(wǎng)的有效反射信號隨深度逐漸弱化，剖面上深層的干擾雜波信號逐漸占據(jù)優(yōu)勢。隨著電磁波能量的不斷衰減，仰拱及底部的反射信號幾乎消失。

試驗結果表明，仰拱混凝土淺層的探測效果明顯優(yōu)于深層，仰拱淺層的厚度檢測較為可靠。在一定的地質界面上，雷達天線的探測深度與分辨率成反比。隨著探測深度增加，雷達的探測精度隨之減小。在隧道仰拱檢測中，應根據(jù)仰拱的具體設計厚度選擇中心頻率適宜的天線。

（三）介質含水率對探測結果的影響

根據(jù)5次病害處置后30d～65d齡期內厚度跟蹤檢測的結果顯示，仰拱混凝土齡期的長短會影響探測效果，干燥混凝土的雷達探測效果明顯優(yōu)于潮濕的混凝土。研究表明，隨著混凝土齡期增長，雷達反射波的頻譜特征值呈現(xiàn)上升趨勢。隨著混凝土含水率的升高，水在高頻電磁場的激發(fā)下產生了較強的附加電導率，其等效介電常數(shù)隨之增大，電磁波速和信號幅值不斷減小。關山隧道的檢測經驗表明，仰拱結構層混凝土理想的檢測齡期在60d以上。

三、結語

1.地質雷達法可準確地檢測仰拱結構層混凝土脫空區(qū)及不密實帶的水平分布區(qū)域及深度位置，但缺陷區(qū)深度范圍的探測結果與實際情況存在一定誤差。

2.地質雷達可檢測仰拱鋼筋網(wǎng)、鋼架等分布情況，在厚度檢測方面，淺層探測效果的準確度優(yōu)于深層。

3.介質含水率會對檢測結果產生較大影響，齡期越長探測效果越理想，仰拱混凝土的檢測齡期建議在60d以上。

4.施工成型后的公路隧道仰拱，建議使用地質雷達與鉆芯取樣相結合的方法完成檢測。